本發(fā)明涉及水下主動(dòng)聲納技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于岸基主動(dòng)聲納反潛系統(tǒng)采用編碼連續(xù)波信號(hào)的波形設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

目前的主動(dòng)聲納，不管是艦殼主動(dòng)聲納、主被動(dòng)聯(lián)合聲納或是直升機(jī)吊放聲納，其發(fā)射信號(hào)的方式都是脈沖式的，即發(fā)射一定時(shí)間長(zhǎng)度的信號(hào)，然后對(duì)目標(biāo)的回波信號(hào)進(jìn)行處理從而獲取目標(biāo)的方位、距離、速度等信息，在對(duì)回波信號(hào)處理的過(guò)程中，主動(dòng)信號(hào)是停止發(fā)射的。采用這種主動(dòng)聲納探測(cè)方式的優(yōu)點(diǎn)是工作方式簡(jiǎn)便，信號(hào)處理算法相對(duì)簡(jiǎn)單，但也存在一些明顯的缺點(diǎn)：由于是脈沖工作方式，對(duì)目標(biāo)的跟蹤不是連續(xù)的，隨著距離的增大，目標(biāo)更新周期變大到十幾秒甚至幾十秒，易造成目標(biāo)的丟失和虛警；突發(fā)的干擾容易產(chǎn)生虛警；時(shí)間增益和盲區(qū)是一對(duì)矛盾。

連續(xù)波主動(dòng)聲納是美國(guó)軍方最先提出的，在已經(jīng)公開(kāi)的信息中這方面的報(bào)道很少。公開(kāi)的報(bào)道中，美國(guó)的兩個(gè)公司埃萊恩科和美國(guó)信號(hào)系統(tǒng)公司已經(jīng)進(jìn)行了這方面的研究工作，但都沒(méi)有提到具體的技術(shù)細(xì)節(jié)和應(yīng)用，是否研發(fā)成功也沒(méi)有公開(kāi)的報(bào)道，而有關(guān)連續(xù)波主動(dòng)聲納公開(kāi)的技術(shù)文獻(xiàn)和資料都極少。國(guó)內(nèi)北京中科海訊公司對(duì)連續(xù)波主動(dòng)聲納原理、波形設(shè)計(jì)以及相應(yīng)信號(hào)處理算法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探索性和創(chuàng)新性的研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于岸基主動(dòng)聲納的主動(dòng)連續(xù)波聲納探測(cè)系統(tǒng)及編碼連續(xù)波信號(hào)設(shè)計(jì)方法，采用該系統(tǒng)進(jìn)行的海上試驗(yàn)獲得了比傳統(tǒng)脈沖信號(hào)更大的處理增益和更短的目標(biāo)信息刷新周期。

采用連續(xù)主動(dòng)技術(shù)的聲納是很大的創(chuàng)新，在岸基聲納中采用連續(xù)波主動(dòng)信號(hào)形成多基地主被動(dòng)協(xié)同探測(cè)聲納，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1)在岸基聲納被動(dòng)探測(cè)需要定位或需要大范圍警戒時(shí)，啟動(dòng)連續(xù)波主動(dòng)聲納，實(shí)現(xiàn)對(duì)可疑目標(biāo)的定向、測(cè)距和測(cè)速。2)由于采用雙基地方式，發(fā)射聲源與岸基基陣不在一處，不會(huì)暴露岸基基陣的位置。3)由于是連續(xù)發(fā)射信號(hào)，所以采用其特殊的信號(hào)處理算法，通過(guò)選擇大的相關(guān)時(shí)間可以提高處理增益，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生距離盲區(qū)的問(wèn)題，連續(xù)波主動(dòng)聲納處理增益比常規(guī)脈沖信號(hào)增益大10分貝以上。4)可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的連續(xù)定位跟蹤，目標(biāo)信息刷新間隔不超過(guò)1秒，而常規(guī)脈沖信號(hào)目標(biāo)信息刷新間隔要十幾秒到幾十秒突發(fā)的干擾不容易產(chǎn)生虛警，抗干擾性強(qiáng)。

本發(fā)明基于某型岸基聲納基陣接收，采用編碼連續(xù)波主動(dòng)信號(hào)進(jìn)行雙基地模式下的主動(dòng)聲納探測(cè)，系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。包括顯控臺(tái)、信號(hào)發(fā)生模塊、波束生成模塊、d/a轉(zhuǎn)換模塊、功率放大器、發(fā)射基陣、接收基陣、調(diào)理采集傳輸模塊、混響抑制模塊、波束生成模塊、連續(xù)波信號(hào)處理模塊、目標(biāo)參數(shù)估計(jì)模塊，其中顯控臺(tái)與信號(hào)發(fā)生模塊、波束生成模塊、d/a轉(zhuǎn)換模塊、功率放大器、發(fā)射基陣順次連接完成主動(dòng)聲納信號(hào)發(fā)射，接收基陣、調(diào)理采集傳輸模塊、混響抑制模塊、波束生成模塊、連續(xù)波信號(hào)處理模塊、目標(biāo)參數(shù)估計(jì)模塊與顯控臺(tái)順次連接完成回波信號(hào)的接收和處理，顯控臺(tái)通過(guò)信號(hào)發(fā)生模塊和調(diào)理采集傳輸模塊進(jìn)行同步控制，其特征在于，所述信號(hào)發(fā)生模塊發(fā)生信號(hào)為連續(xù)波主動(dòng)信號(hào)。

信號(hào)發(fā)生模塊中的發(fā)射聲源采用彎張式低頻大功率換能器，接收基陣采用岸基警戒聲納96元矢量水聽(tīng)器線陣，發(fā)射基陣與接收基陣相距10km。功放采用多路脈沖調(diào)制功放，要能滿足線性大功率連續(xù)發(fā)射的要求。

編碼連續(xù)波信號(hào)進(jìn)行周期循環(huán)發(fā)射，信號(hào)處理原理如下：連續(xù)信號(hào)源產(chǎn)生編碼連續(xù)波信號(hào)，經(jīng)過(guò)波束形成和d/a轉(zhuǎn)換進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器?；夭ㄐ盘?hào)在接收基陣中進(jìn)行信號(hào)的放大和a/d轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)叫盘?hào)處理機(jī)中。數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)混響抑制算法后進(jìn)行波束形成，各個(gè)波束數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼連續(xù)波的信號(hào)處理算法，估計(jì)目標(biāo)的方位、距離、速度等參數(shù)，估計(jì)結(jié)果提交顯控臺(tái)。

連續(xù)波聲納和脈沖式聲納信號(hào)處理系統(tǒng)構(gòu)成上基本相同，都要經(jīng)過(guò)波束處理、解調(diào)、多普勒處理、目標(biāo)距離估計(jì)、目標(biāo)速度估計(jì)等環(huán)節(jié)。其中目標(biāo)距離估計(jì)方法對(duì)于連續(xù)波聲納和脈沖式聲納區(qū)別較大，其他環(huán)節(jié)處理方法基本相同。

脈沖式聲納目標(biāo)距離估計(jì)算法框圖如圖2。

連續(xù)波聲納目標(biāo)距離估計(jì)算法框圖如圖3。

圖2和圖3分別是脈沖式和編碼連續(xù)波信號(hào)的距離估計(jì)算法框圖，脈沖式主動(dòng)聲納一般用一個(gè)脈壓器(也叫相關(guān)器)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行脈壓處理，通過(guò)計(jì)算目標(biāo)的峰值出現(xiàn)時(shí)刻來(lái)確定目標(biāo)回波在發(fā)射時(shí)刻的延遲時(shí)間t，然后結(jié)合聲速來(lái)確定目標(biāo)距離。編碼連續(xù)波主動(dòng)聲納信號(hào)由于是發(fā)射連續(xù)多個(gè)不同碼字的數(shù)據(jù)段，所以脈壓器有n個(gè)，結(jié)合發(fā)射的連續(xù)波信號(hào)循環(huán)移位信息將n個(gè)脈壓器脈壓結(jié)果進(jìn)行循環(huán)非相干疊加，從而獲得目標(biāo)峰值位置(或時(shí)刻)，再結(jié)合聲速來(lái)確定目標(biāo)距離。

其中，本發(fā)明的編碼連續(xù)波信號(hào)由16段數(shù)據(jù)組成，共125秒，格式如下：

其中數(shù)據(jù)段1為帶寬200hz，中心頻率為450hz的7階由本源多項(xiàng)式為(2,3,5)生成的m序列編碼信號(hào)；數(shù)據(jù)段2為0.5秒零信號(hào)；數(shù)據(jù)段3為帶寬200hz，中心頻率為450hz的雙曲調(diào)頻信號(hào)；數(shù)據(jù)段4為0.5秒零信號(hào)；數(shù)據(jù)段gold1～gold12為帶寬200hz，中心頻率為450hz的12組不同的11階gold編碼信號(hào)。這12組gold碼要求自相關(guān)性好，互相關(guān)性差。

數(shù)據(jù)段1、2、3和4為岸基聲納雙基地主動(dòng)信號(hào)同步頭，第一個(gè)作用是在接收端利用該同步頭中的雙曲調(diào)頻信號(hào)(數(shù)據(jù)段3)相關(guān)峰值進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)，然后利用該時(shí)間校準(zhǔn)對(duì)探測(cè)到的目標(biāo)進(jìn)行定位。第二個(gè)作用是利用同步頭中的m序列(數(shù)據(jù)段1)進(jìn)行粗多普勒補(bǔ)償。gold1～gold12為編碼連續(xù)主動(dòng)聲納信號(hào)的主體，對(duì)該連續(xù)波信號(hào)主體進(jìn)行處理即可獲得大的相關(guān)處理增益和快速目標(biāo)信息刷新功能。

附圖說(shuō)明

圖1連續(xù)波聲納原理框圖

圖2脈沖式主動(dòng)聲納距離估計(jì)框圖

圖3編碼連續(xù)波主動(dòng)聲納距離估計(jì)框圖

圖4海試中接收信號(hào)波束處理后的一組時(shí)域和頻域波形

圖5海試部分處理結(jié)果

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并舉實(shí)例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

本發(fā)明提出的基于岸基聲納編碼連續(xù)波主動(dòng)信號(hào)由同步頭和編碼連續(xù)波主體兩部分組成。同步頭由數(shù)據(jù)段1、2、3和4構(gòu)成,共2.27秒，同步頭的第一個(gè)作用是在接收端利用該同步頭中的雙曲調(diào)頻信號(hào)(數(shù)據(jù)段3)相關(guān)峰值進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)，然后利用該時(shí)間校準(zhǔn)對(duì)探測(cè)到的目標(biāo)進(jìn)行定位。第二個(gè)作用是利用同步頭中的m序列(數(shù)據(jù)段1)進(jìn)行粗多普勒補(bǔ)償。其中數(shù)據(jù)段1為帶寬200hz，中心頻率為450hz的7階由本源多項(xiàng)式為(2,3,5)生成的m序列編碼信號(hào)，具體matlab程序?qū)崿F(xiàn)為：

數(shù)據(jù)段2為0.5秒零信號(hào)。

數(shù)據(jù)段3為帶寬200hz，中心頻率為450hz的雙曲調(diào)頻信號(hào)，具體matlab程序?qū)崿F(xiàn)為：

t＝0.635；

fc＝450；

m＝200/t；

t＝(-0.5*t:1/2400:0.5*t-1/2400)；

hfm＝cos(2*pi*(fc)*t+pi*m*t.^2+2*pi*(m^2)*(t.^3)/(3*fc))；

數(shù)據(jù)段4為0.5秒零信號(hào)。

編碼連續(xù)波信號(hào)主體由數(shù)據(jù)段gold1～gold12組成，共122.7秒，每個(gè)gold碼為10.23秒。為帶寬200hz，中心頻率為450hz的12組不同的11階gold編碼信號(hào)。

gold1是由2組本源多項(xiàng)式分別為(5,2,5,3)和(4,5,7,7)的11階m序列組合生產(chǎn)的gold碼信號(hào)，具體matlab程序?qū)崿F(xiàn)為：

m1＝m_gen('1','11','5253')；

m2＝m_gen('1','11','4577')；

gold1＝m1.*m2；

gold2是由2組本源多項(xiàng)式分別為(7,4,6,1)和(6,2,3,3)的11階m序列組合生產(chǎn)的gold碼信號(hào)，具體matlab程序?qū)崿F(xiàn)為：

m1＝m_gen('1','11','7461')；

m2＝m_gen('1','11','6233')；

gold2＝m1.*m2；

gold3是由2組本源多項(xiàng)式分別為(5,1,4,1)和(6,6,7,3)的11階m序列組合生產(chǎn)的gold碼信號(hào)，具體matlab程序?qū)崿F(xiàn)為：

m1＝m_gen('1','11','5141')；

m2＝m_gen('1','11','6673')；

gold3＝m1.*m2；

gold4是由2組本源多項(xiàng)式分別為(6,4,4,7)和(7,2,3,7)的11階m序列組合生產(chǎn)的gold碼信號(hào)，具體matlab程序?qū)崿F(xiàn)為：

m1＝m_gen('1','11','6447')；

m2＝m_gen('1','11','7237')；

gold4＝m1.*m2；

gold5是由2組本源多項(xiàng)式分別為(4,2,6,1)和(7,3,3,5)的11階m序列組合生產(chǎn)的gold碼信號(hào)，具體matlab程序?qū)崿F(xiàn)為：

m1＝m_gen('1','11','4261')；

m2＝m_gen('1','11','7335')；

gold5＝m1.*m2；

gold6是由2組本源多項(xiàng)式分別為(7,5,5,5)和(4,5,0,5)的11階m序列組合生產(chǎn)的gold碼信號(hào)，具體matlab程序?qū)崿F(xiàn)為：

m1＝m_gen('1','11','7555')；

m2＝m_gen('1','11','4505')；

gold6＝m1.*m2；

gold7是由2組本源多項(xiàng)式分別為(5,0,0,7)和(5,3,3,7)的11階m序列組合生產(chǎn)的gold碼信號(hào)。gold8的2組m序列本源多項(xiàng)式分別為(7,7,2,3)和(5,2,6,3)。gold9的2組m序列本源多項(xiàng)式分別為(7,2,7,3)和(5,3,6,1)。gold10的2組m序列本源多項(xiàng)式分別為(7,2,0,1)和(5,1,7,1)。gold11的2組m序列本源多項(xiàng)式分別為(7,3,6,3)和(6,6,3,7)。gold12的2組m序列本源多項(xiàng)式分別為(6,0,3,7)和(7,1,7,3)。

按照上述方法將數(shù)據(jù)段1、2、3、4和gold1～gold12共16段數(shù)據(jù)按次序連接在一起后，便實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明提出的帶寬為200hz，中心頻率為450hz，長(zhǎng)度為125秒的基于岸基聲納編碼連續(xù)波主動(dòng)聲納的信號(hào)。

采用本發(fā)明提出的編碼連續(xù)波信號(hào)在南海海試中成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)半潛潛艇的主動(dòng)探測(cè)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)目標(biāo)刷新(間隔約0.5秒)和定位、測(cè)速功能，定位距離和速度估計(jì)值與雷達(dá)目標(biāo)信息基本吻合，海試中最遠(yuǎn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)約18公里目標(biāo)的探測(cè)。該海試結(jié)果為國(guó)內(nèi)首次采用編碼連續(xù)波信號(hào)形式成功實(shí)現(xiàn)主動(dòng)探測(cè)的試驗(yàn)。海試中部分接收信號(hào)和處理結(jié)果如圖5。

圖5中，可以看到這組247波束的數(shù)據(jù)處理結(jié)果從第898幀距離6918米移動(dòng)到第907幀的6932米，每幀間隔時(shí)間約0.5秒。按照雙基地直達(dá)波延遲后定位法則計(jì)算得到目標(biāo)距離和波束角度，此目標(biāo)位置為約(247+60)＝307度，距離接收陣約13.8km，與試驗(yàn)中雷達(dá)記錄目標(biāo)時(shí)刻和位置吻合。