低截获主动声呐发射波形设计研究

摘要

随着海洋探测精度、检测概率、通信性能等军事和民用方面的需求，声呐系统从被动方式转变为主动方式。这种转变一方面提高了目标检测概率和水下通信的性能，另一方面也增加了信息被截获或解调的概率。被动声呐只有接受机，而主动声呐系统包括声呐信号波形、声呐信道和声呐接收机三部分。在工作时，系统要先发射探测波形，这一过程将极有可能导致信号被敌方截获并解调，造成信息泄漏。所以如何隐藏信息不被敌方截获或解调是现代主动声呐的重要研究方向。
　　波形设计是主动声呐系统中一个极为重要的环节，研究表明:对主动声呐来说，声呐发射波形体制既决定了接收系统如何进行信号处理，又直接影响了系统的距离分辨力、速度分辨力、目标探测精度、对抗干扰能力及信道匹配等方面的性能指标。通过设计合适的声呐发射端信号波形，可以较好地获取目标信息，提高抗干扰能力，并隐蔽自身，即实现主动声呐的低截获性能。
　　本文主要进行了低截获主动声呐发射波形的设计研究，并将其应用于低截获声呐通信系统的仿真中。
　　概述了主动声呐实现低截获通信的原理，推导了低截获概率因子的数学表达式，对影响低截获概率因子的各种因素进行了分析，并根据低截获因子和模糊函数提出了低截获主动声呐波形设计原则。在进行波形设计时，首先分析了混沌信号作为发射波形的特点及可行性;其次提出基于小波函数的导函数来对海豚信号进行建模，将实际通信信息伪装成海豚信号，以达到信息隐藏的目的。通过上述理论推导和计算机仿真，结合水池实验和海试，验证了方案的可行性。
　　本文的主要研究内容如下:
　　(1)对海洋环境系统进行详细研究，重点介绍了水下多径、多普勒效应、传播损耗及海洋环境噪声，并通过alpha稳态对海洋环境噪声进行建模，确立了计算机仿真的信道模型。
　　(2)对低截获通信中几种常用的波形进行讨论，分析了LFM+CF信号、LFM+Barker码信号和HFM信号的特性，从信号的模糊函数及其组成结构出发，推导了各种信号的模糊函数表达式，分析了各种信号的距离分辨力和速度分辨力，并分析了各种信号的LPI特性。
　　(3)根据低截获通信的特点进行了波形分析与设计，分析了低截获通信系统对发射信号的要求，利用混沌信号作为低截获声呐通信的载波信号，并通过计算机仿真验证其可行性;其次提出基于小波函数的导函数来对海豚信号进行建模，将实际通信信息伪装成海豚信号，以达到信息隐藏的目的。通过上述理论推导和计算机仿真，结合水池实验和海试，验证了方案的可行性。
　　最后，对全文进行了总结，对取得的成果进行了的概括，提出文章的不足和对未来的展望。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要内容及工作要点

第2章 海洋环境分析及噪声建模

2．1 海洋环境分析

2．1．1 多普勒效应

2．1．2 多径效应

2．1．3 传播损耗

2．1．4 海洋环境噪声

2．2 海洋环境噪声建模

2．2．1 alpha稳定分布概述

2．2．2 alpha稳定分布的产生及概率密度

2．3 本章小节

第3章 低截获声呐波形分析

3．1 低截获概率声呐概述

3．2 低截获因子及模糊函数

3．2．1 声呐截获因子分析

3．2．2 模糊函数

3．3 低截获声呐波形设计原则

3．3．1 低频信号技术

3．3．2 大时宽带宽积技术

3．3．3 复合频(码)制

3．3．4 随机或非线性体制

3．3．5 时频捷变

3．3．6 低功率高能量效率

3．4 传统的低截获声呐波形分析

3．4．1 LFM+Barker码组合信号

3．4．2 LFM+CF组合信号分析

3．4．3 双曲调频信号分析

3．5 本章小结

第4章 基于混沌序列的低截获通信系统设计

4．1 混沌通信理论基础

4．1．1 混沌概述

4．1．2 混沌映射分析

4．1．3 典型的混沌序列及运动特征分析

4．1．4 混沌信号的平均模糊函数

4．2 基于混沌键控的低截获通信系统

4．2．1 DCSK通信系统

4．2．2 基于DCSK的低截获通信系统性能分析

4．2．2 水池实验分析

4．3 基于混沌调相的低截获通信系统

4．3．1 利用混沌映射m序列控制法产生随机相位

4．3．2 基于混沌映射的基函数的随机性及相关性分析

4．3．2 水池实验分析

4．4 本章小结

第五章 基于海豚信号合成的低截获通信系统设计

5．1 仿生低截获通信系统

5．2 海豚声呐系统及信号特点

5．2．1 海豚声呐系统

5．2．2 海豚信号特点

5．3 小波拟合

5．3．1 小波拟合过程

5．4 重构海豚信号的分析

5．5 海洋分析

5．6 本章小节

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢