CN113917457A - 一种水下声波与空中雷达波的时空盲同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下声波与空中雷达波的时空盲同步方法，涉及雷达探测领域，该方法包括：脉冲多普勒雷达在空中产生多个探测脉冲对海面巡航搜索；雷达利用多重相位通道的重频搜索对水面微动信号回波进行采样；雷达的信号处理机根据海浪杂波和水面微动信号相对于脉冲多普勒雷达探测方向的径向速度不同，对采样信号进行处理得到水下声波目标的声波时域波形；根据声波时域波形的最大回波幅度位置控制雷达悬停在强度中心，根据回波幅度调整雷达重频参数，直至声波时域波形与雷达探测脉冲同步，实现水下声波与空中雷达波的时空同步以及时间同步，为跨介质探测实战应用提供技术支撑。

Description

一种水下声波与空中雷达波的时空盲同步方法

技术领域

本发明涉及雷达探测领域，尤其是一种水下声波与空中雷达波的时空盲同步方法。

背景技术

涉及到时空同步问题的雷达系统主要是双/多基地雷达，双/多基地雷达主要用于反隐身和反干扰，通常以主站、副站搭配方式工作，利用隐身飞机多基地角设置，多基地副站与主站间隔布局。隐身飞机除涂覆吸波材料外，还通过平滑的多面体机身，实现电磁波吸附的同时减少电磁波辐射方向的反射率，使电磁波反射到其它区域，通常反射角大约120°，多基地雷达利用这一特点，通过主站发射、副站在120°多基地角区域接收，实现反隐身。同时在反辐射导弹攻击时主站发射关机，副站随机交替发射主站接收，实现反导反隐身工作模式。多基地雷达时空同步主要在于主、副站之间的时间-相位-波束同步，其中时间-相位同步通过副站同步天线接收系统完成，将主站时钟信号通过同步天线发射到副站实现时间-相位同步，波束同步在主站控制下按照主站同步搜索和同步跟踪指令实现波束同步。

跨介质探测雷达时空同步的概念与双/多基地雷达有所不同，是两个未知主体之间基于先验知识的搜索握手盲同步，或者雷达基于先验知识对未知水下目标声波水面微动信号搜索盲同步，而且跨介质探测因为受限于空间到水下的场景变化限制，无法有效实现有线或无线直接同步，因此需要研究一种符合实际需求的时空同步方法。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种水下声波与空中雷达波的时空盲同步方法，通过探测脉冲扫描、重频扫描，实现静态、动态环境下信号长时间相参积累的高分辨微多普勒频率检测，并根据信号回波的回波幅度控制重频精调，实现水下声波与空中雷达波的波束同步和重频同步。

本发明的技术方案如下：

一种水下声波与空中雷达波的时空盲同步方法，包括如下步骤：

脉冲多普勒雷达通过机载或无人机载方式在空中产生多个探测脉冲对海面巡航搜索；

当脉冲多普勒雷达接收到由水下声波目标引起的水面微动信号回波时，利用雷达的多重相位通道的重频搜索对水面微动信号回波进行采样；

雷达的信号处理机根据海浪杂波和水面微动信号相对于脉冲多普勒雷达探测方向的径向速度不同，对采样信号进行处理得到水下声波目标的声波时域波形；

以巡航扫描过程中声波时域波形的回波幅度最大值对应的探测脉冲为中心，控制脉冲多普勒雷达悬停在强度中心，实现水下声波目标与空中雷达波的空间同步；

根据声波时域波形的每个相位通道的回波幅度调整雷达重频参数，直至回波幅度最大时确定声波时域波形与雷达探测脉冲同步、产生谐振现象，实现水下声波目标与空中雷达波的时间同步。

其进一步的技术方案为，雷达的信号处理机根据海浪杂波和水面微动信号相对于脉冲多普勒雷达探测方向的径向速度不同，包括：

海浪杂波由无数海浪组成，存在浪峰和浪谷，浪峰和浪谷相对于脉冲多普勒雷达探测方向的径向速度为零、多普勒频率为零；

由水下声波目标在水面处引起的水面微动信号是高速周期变化的振动信号，水面微动信号的振动频率与水下声波目标的频率一致，水下声波目标的振动频率在10Hz-300Hz，声源级为140dB-160dB，声源深度为1-5米，面向脉冲多普勒雷达探测方向，水面微动信号的径向速度呈周期性高速变化、多普勒频率不为零。

其进一步的技术方案为，对采样信号进行处理得到水下声波目标的声波时域波形，包括：

在信号处理机中，对采样信号进行由模拟到数字信号的转换后，对数字信号依次进行数字下变频、傅里叶变换后，按照发射探测脉冲顺序分区存入缓存区中，每一个分区依次进行动目标检测和恒虚警检测，通过长时间相参积累后，最终从采样信号中滤除了多普勒频率为零的海浪杂波，测量得到的不同多普勒频率和雷达探测脉冲分别与信号回波的采样位置对应，因此通过最小二乘法拟合得到了水下声波目标的声波时域波形，从而得到了水下声波目标的高分辨率多普勒频率信息和回波幅度信息。

其进一步的技术方案为，利用雷达的多重相位通道的重频搜索对水面微动信号回波进行采样，包括：

在信号处理机中，每间隔45度建立一个信号处理通道，且每间隔45度发射一个探测脉冲，在一个声波振动周期内有效采集水面微动信号回波的八个样本点，八相探测脉冲对应水面微动信号回波的不同部位，并通过每个相位通道反馈的回波幅度精调雷达重频参数，使八个样本点对应的雷达波重复频率与水下声波目标的频率相同，当二者相同时，八重相位通道对应的声波时域波形的回波幅度最大，使微多普勒相参积累的信噪比最大。

其进一步的技术方案为，水下声波目标的高分辨率多普勒频率信息包括多普勒频率和多普勒速度，按照声波振动周期的不同相位呈现不同的多普勒频率，在声波0°～90°区间多普勒频率为正，0°时多普勒速度最大，90°时多普勒速度为零、对应多普勒频率为零；90°～180°区间多普勒速度极性变负，速度逐渐增大，多普勒频率增大，到180°时负速度最大，然后负速度逐渐减小，到270°时负速度为零，对应多普勒频率为零，从270°开始速度极性变正，多普勒频率变正，并逐渐增大，直到360°时正速度最大。

其进一步的技术方案为，根据声波时域波形的每个相位通道的回波幅度调整雷达重频参数，包括：

将雷达的统一时钟信号发送至脉宽计数器中得到发射探测脉冲的宽度，将宽度输入至脉冲截止期计数器中，当回波幅度未到达最大值时，通过FPGA粗调脉冲截止期计数器，从而改变雷达探测脉冲的重复频率参数，实现粗略重频搜索闭环跟踪；当需要精调频率时，将数控延迟线芯片与FPGA相连，通过数控延迟线芯片的皮秒级控制精度，从而改变雷达探测脉冲的重复频率参数，实现精细重频搜索闭环跟踪。

其进一步的技术方案为，若水下声波目标为合作目标，则对海面巡航搜索前时空盲同步方法还包括：

事先设置脉冲多普勒雷达在海面上的搜索区域，搜索区域覆盖水下声波目标；并且事先约定水下声波目标的频率和雷达波重复频率相同、相位一致；

则脉冲多普勒雷达通过机载或无人机载方式在空中对搜索区域巡航，巡航时产生多个探测脉冲覆盖搜索区域。

其进一步的技术方案为，脉冲多普勒雷达的扫描方式为机电复合扫描，横向采用相控阵多波束、纵向利用伺服系统扫描，工作频率为92G-95G，带宽为10MHz，波束扫描范围为90°×90°，垂直极化，信号处理为八通道，多普勒滤波器分辨带宽为0.6Hz，杂波抑制比为50dB。

其进一步的技术方案为，探测脉冲的覆盖角度为tgα＝L/R，其中，L为探测脉冲的横向覆盖距离，取10000m，R为雷达距海面的垂直距离，取8000m，则α＝32°，取探测脉冲的宽度为2°*2°。

本发明的有益技术效果是：

本申请研究了水下声波信号以压力波形式传播，当压力波撞击水-空气边界时，引起水面微动变化，利用水下声波与空中雷达波的时空盲同步方法，使水下目标与空中雷达握手通讯，进而通过解调水面微动信号回波，利用解调信息进行跨介质的探测，实现对水下目标搜索救援。采用时空盲同步方法为多普勒雷达体制以谐振方式长时间相参积累微多普勒滤波奠定基础，控制脉冲多普勒雷达悬停在微动强度中心，且采样过程中通过闭环重频搜索不断调整雷达重复频率使其与水下声波目标的频率相同，最终实现水下声波与空中雷达波的“时空同步”，产生谐振效应，有效提升雷达探测水下声波引起的水面微动效率，提高探测作用距离，为跨介质探测实战应用提供技术支撑。

附图说明

图1是本申请提供的时空盲同步方法的流程图。

图2是本申请提供的八重相位通道搜索时序图。

图3是本申请提供的信号处理机的原理框图。

图4是本申请提供的发射探测脉冲的重频调整原理图。

图5是未采用时空盲同步算法处理的雷达探测水面微动信号回波的处理结果图。

图6是采用时空盲同步算法处理的雷达探测水面微动信号回波的处理结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

如图1所示，本申请提供了一种水下声波与空中雷达波的时空盲同步方法，包括如下步骤：

步骤1：脉冲多普勒雷达通过机载或无人机载方式在空中产生多个探测脉冲对海面巡航搜索。

可选的，若水下声波目标为合作目标，则在步骤1前事先设置脉冲多普勒雷达在海面上的搜索区域，搜索区域覆盖水下声波目标，比如搜索区域控制在10Km*10Km范围内，当需要扩大搜索范围时，以设定的搜索区域为单元，设定若干分区，依次搜索。还需事先约定水下声波目标的频率和雷达波重复频率相同、相位一致。则脉冲多普勒雷达通过机载或无人机载方式在空中对搜索区域巡航，巡航时产生多个探测脉冲覆盖搜索区域。

可选的，本申请的脉冲多普勒雷达的扫描方式为机电复合扫描，横向采用相控阵多波束、纵向利用伺服系统扫描，工作频率为92G-95G，带宽为10MHz，波束扫描范围为90°×90°，垂直极化，信号处理为八通道，多普勒滤波器分辨带宽为0.6Hz，杂波抑制比为50dB。

可选的，探测脉冲的覆盖角度为tgα＝L/R，其中，L为探测脉冲的横向覆盖距离，取10000m，R为雷达距海面的垂直距离，取8000m，则α＝32°，取探测脉冲的宽度为2°*2°。

步骤2：当脉冲多普勒雷达接收到由水下声波目标引起的水面微动信号回波时，利用雷达的多重相位通道的重频搜索对水面微动信号回波进行采样。

如图2所示，在信号处理机中，每间隔45度建立一个信号处理通道，且每间隔45度发射一个探测脉冲A-H，因此在一个声波振动周期内可以有效采集水面微动信号回波的八个样本点，八相探测脉冲对应水面微动信号回波的不同部位，并通过每个相位通道反馈的回波幅度精调雷达重频参数，使八个样本点对应的雷达波重复频率与水下声波目标的频率相同(也即周期同步)，当二者相同时，八重相位通道对应的声波时域波形的回波幅度最大，使微多普勒相参积累的信噪比最大。

步骤3：雷达的信号处理机根据海浪杂波和水面微动信号相对于脉冲多普勒雷达探测方向的径向速度不同，对采样信号进行处理得到水下声波目标的声波时域波形。

从多普勒雷达探测角度分析，一个浪涌快速爬行到浪峰时会停滞1～2秒，然后快速下降，到达浪谷时又会停滞1～2秒时间再开展下一个周期。因此海浪杂波由无数海浪组成，存在浪峰和浪谷，浪峰和浪谷相对于多通道脉冲多普勒雷达探测方向的径向速度为零、多普勒频率为零，是海杂波最强的成分。

与海浪杂波不同的是，由水下声波目标在水面处引起的水面微动信号是高速周期变化的振动信号，水面微动信号的振动频率与水下声波目标的频率一致，水下目标声源的振动频率在10Hz-300Hz，声源级为140dB-160dB，声源深度为1-5米，面向多通道脉冲多普勒雷达探测方向，水面微动信号的径向速度呈周期性高速变化、多普勒频率不为零。

基于上述分析得到结论：海浪杂波和水面微动信号相对于脉冲多普勒雷达探测方向的径向速度存在实质性的不同。

因此通过上述结论，在信号处理机中对采样信号进行如下处理，如图3所示，对采样信号进行由模拟到数字信号的转换后，对数字信号依次进行数字下变频DDC、傅里叶变换FFT后，按照发射探测脉冲顺序分区存入缓存区中，每一个分区依次进行动目标检测MTD和恒虚警检测CFAR，通过长时间相参积累后，最终从采样信号中滤除了多普勒频率为零的海浪杂波，通过提高雷达发射频率及长时间相参积累，提升目标多普勒频率及雷达多普勒分辨力，能够确保对水下声波信号的正确识别，滤除其它多普勒干扰、声源干扰及水面强杂波等。

按照声波振动周期的不同相位呈现不同的多普勒频率，在声波0°～90°区间多普勒频率为正，0°时多普勒速度最大，90°时多普勒速度为零、对应多普勒频率为零；90°～180°区间多普勒速度极性变负，速度逐渐增大，多普勒频率增大，到180°时负速度最大，然后负速度逐渐减小，到270°时负速度为零，对应多普勒频率为零，从270°开始速度极性变正，多普勒频率变正，并逐渐增大，直到360°时正速度最大。由于测量得到的不同多普勒频率和雷达探测脉冲分别与信号回波的采样位置对应，因此通过最小二乘法拟合得到了水下声波目标的声波时域波形，从而得到了水下声波目标的高分辨率多普勒频率信息和回波幅度信息，其中高分辨率多普勒频率信息包括多普勒频率和多普勒速度。

步骤4：以巡航扫描过程中声波时域波形的回波幅度最大值对应的探测脉冲为中心，控制脉冲多普勒雷达悬停在强度中心，实现水下声波目标与空中雷达波的空间同步。

同时，根据声波时域波形的每个相位通道的回波幅度调整雷达重频参数，直至回波幅度最大时确定声波时域波形与雷达探测脉冲同步、产生谐振现象，实现水下声波目标与空中雷达波的时间同步。本申请利用脉冲多普勒雷达时基精度高的特点，精确的实现水下、空中时间同步。空间同步通过信号处理机控制波束扫描，使波束跟踪声波最强区域实现。

如图4所示，根据回波幅度调整雷达重频参数具体包括：

将雷达的统一时钟信号发送至脉宽计数器中得到发射探测脉冲的宽度，将该宽度输入至脉冲截止期计数器中，当回波幅度未到达最大值时，通过FPGA粗调脉冲截止期计数器，从而改变雷达探测脉冲的重复频率参数，实现粗略重频搜索闭环跟踪。当需要精调频率时，将数控延迟线芯片与FPGA相连，通过数控延迟线芯片的皮秒级控制精度，从而改变雷达探测脉冲的重复频率参数，实现精细重频搜索闭环跟踪。

需要说明的是，若水下声波目标为非合作目标，则根据上述雷达的重频搜索过程闭环调整雷达波重复频率使其与水下声波目标的频率相同、相位一致。结合图5、图6所示，未采用时空盲同步算法处理的雷达探测水面微动信号时，回波信号淹没在噪声中，无法区分出水面微动信号；而采用时空盲同步算法处理的脉冲多普勒雷达采集的回波信号进行处理后，使雷达探测脉冲与水面微动信号同步，产生谐振现象，说明水下声波目标与空中雷达握手成功，后续可以通过频率编码传递信息，实现水面、空中侦察手段对水下目标的搜索救援。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应确定包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水下声波与空中雷达波的时空盲同步方法，其特征在于，所述时空盲同步方法包括：

脉冲多普勒雷达通过机载或无人机载方式在空中产生多个探测脉冲对海面巡航搜索；

当所述脉冲多普勒雷达接收到由所述水下声波目标引起的水面微动信号回波时，利用雷达的多重相位通道的重频搜索对所述水面微动信号回波进行采样；

雷达的信号处理机根据海浪杂波和水面微动信号相对于脉冲多普勒雷达探测方向的径向速度不同，对采样信号进行处理得到水下声波目标的声波时域波形；

以巡航扫描过程中声波时域波形的回波幅度最大值对应的探测脉冲为中心，控制所述脉冲多普勒雷达悬停在强度中心，实现所述水下声波目标与空中雷达波的空间同步；

根据所述声波时域波形的每个相位通道的回波幅度调整雷达重频参数，直至所述回波幅度最大时确定所述声波时域波形与雷达探测脉冲同步、产生谐振现象，实现所述水下声波目标与空中雷达波的时间同步。

2.根据权利要求1所述的时空盲同步方法，其特征在于，所述雷达的信号处理机根据海浪杂波和水面微动信号相对于脉冲多普勒雷达探测方向的径向速度不同，包括：

所述海浪杂波由无数海浪组成，存在浪峰和浪谷，所述浪峰和浪谷相对于脉冲多普勒雷达探测方向的径向速度为零、多普勒频率为零；

由水下声波目标在水面处引起的水面微动信号是高速周期变化的振动信号，所述水面微动信号的振动频率与所述水下声波目标的频率一致，所述水下声波目标的振动频率在10Hz-300Hz，声源级为140dB-160dB，声源深度为1-5米，面向脉冲多普勒雷达探测方向，所述水面微动信号的径向速度呈周期性高速变化、多普勒频率不为零。

3.根据权利要求2所述的时空盲同步方法，其特征在于，所述对采样信号进行处理得到水下声波目标的声波时域波形，包括：

在所述信号处理机中，对所述采样信号进行由模拟到数字信号的转换后，对所述数字信号依次进行数字下变频、傅里叶变换后，按照发射探测脉冲顺序分区存入缓存区中，每一个分区依次进行动目标检测和恒虚警检测，通过长时间相参积累后，最终从所述采样信号中滤除了多普勒频率为零的海浪杂波，测量得到的不同多普勒频率和雷达探测脉冲分别与信号回波的采样位置对应，因此通过最小二乘法拟合得到了所述水下声波目标的声波时域波形，从而得到了所述水下声波目标的高分辨率多普勒频率信息和回波幅度信息。

4.根据权利要求3所述的时空盲同步方法，其特征在于，所述利用雷达的多重相位通道的重频搜索对所述水面微动信号回波进行采样，包括：

在所述信号处理机中，每间隔45度建立一个信号处理通道，且每间隔45度发射一个探测脉冲，在一个声波振动周期内有效采集所述水面微动信号回波的八个样本点，八相探测脉冲对应所述水面微动信号回波的不同部位，并通过每个相位通道反馈的回波幅度精调雷达重频参数，使八个样本点对应的雷达波重复频率与水下声波目标的频率相同，当二者相同时，八重相位通道对应的声波时域波形的回波幅度最大，使微多普勒相参积累的信噪比最大。

5.根据权利要求3所述的时空盲同步方法，其特征在于，所述水下声波目标的高分辨率多普勒频率信息包括多普勒频率和多普勒速度，按照声波振动周期的不同相位呈现不同的多普勒频率，在声波0°～90°区间多普勒频率为正，0°时多普勒速度最大，90°时多普勒速度为零、对应多普勒频率为零；90°～180°区间多普勒速度极性变负，速度逐渐增大，多普勒频率增大，到180°时负速度最大，然后负速度逐渐减小，到270°时负速度为零，对应多普勒频率为零，从270°开始速度极性变正，多普勒频率变正，并逐渐增大，直到360°时正速度最大。

6.根据权利要求1所述的时空盲同步方法，其特征在于，所述根据所述声波时域波形的每个相位通道的回波幅度调整雷达重频参数，包括：

将雷达的统一时钟信号发送至脉宽计数器中得到发射探测脉冲的宽度，将所述宽度输入至脉冲截止期计数器中，当所述回波幅度未到达最大值时，通过FPGA粗调所述脉冲截止期计数器，从而改变雷达探测脉冲的重复频率参数，实现粗略重频搜索闭环跟踪；当需要精调频率时，将数控延迟线芯片与所述FPGA相连，通过所述数控延迟线芯片的皮秒级控制精度，从而改变雷达探测脉冲的重复频率参数，实现精细重频搜索闭环跟踪。

7.根据权利要求1所述的时空盲同步方法，其特征在于，若所述水下声波目标为合作目标，则对海面巡航搜索前所述时空盲同步方法还包括：

事先设置所述脉冲多普勒雷达在海面上的搜索区域，所述搜索区域覆盖水下声波目标；并且事先约定水下声波目标的频率和雷达波重复频率相同、相位一致；

则所述脉冲多普勒雷达通过机载或无人机载方式在空中对所述搜索区域巡航，巡航时产生多个探测脉冲覆盖所述搜索区域。

8.根据权利要求1-7任一所述的时空盲同步方法，其特征在于，所述脉冲多普勒雷达的扫描方式为机电复合扫描，横向采用相控阵多波束、纵向利用伺服系统扫描，工作频率为92G-95G，带宽为10MHz，波束扫描范围为90°×90°，垂直极化，信号处理为八通道，多普勒滤波器分辨带宽为0.6Hz，杂波抑制比为50dB。

9.根据权利要求1-7任一所述的时空盲同步方法，其特征在于，所述探测脉冲的覆盖角度为tgα＝L/R，其中，L为探测脉冲的横向覆盖距离，取10000m，R为雷达距海面的垂直距离，取8000m，则α＝32°，取探测脉冲的宽度为2°*2°。

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