双/多基地声纳信道复用技术研究

摘要

多基地声纳体制在反潜等领域比单基地更具优势与潜力，然而新体制在工作中也面临着新的难题：收发分置模式下，接收站会受到友邻单位的强直达波干扰、散射信号干扰、多源目标回波干扰等。在上述干扰情形下，实现水声信道的高效复用是多基地声纳发挥优势的根本前提。本文讨论了各项干扰对多基地探测性能的影响，并从时域、码域、空域角度提出了相应的信道复用方法。
　　第二章研究了多基地声纳总体性能：建立多基地声纳系统模型，分析不同配置的多基地声纳特性，研究多基地声纳的定位、测速等基本工作原理。为比较单、多基地体制，研究跟踪起始概率下四种组网形式的探测性能，仿真结果表明多基地分布式是综合性能最优的组网形式。针对组网声纳覆盖范围定义的存在的问题与不足，提出基于奈曼皮尔逊准则的多基地声纳覆盖范围定义，该定义具有更优的指标参考价值。具体分析两种典型模式下的多基地覆盖范围，研究不同因素对覆盖范围的影响。
　　第三章研究了多基地时域信道复用技术：比较了多基地声纳各种干扰特点，分析了各种复用方法的适用环境。认为应当优先在时域进行直达波干扰抑制，并充分利用未受直达波干扰时隙的检测效果。分析了周期直达波干扰特性，提出以警戒环、盲区环作为时分复用的基础。研究随机多基地声纳网络模型及相关结论，讨论直达波效应对最优布阵区域解析解的影响，给出直达波干扰下最优布阵区域的计算方法。以增加对运动目标的有效声接触次数，提高对目标持续监测能力为目标，提出了基于累积有效检测次数最大化的脉冲参数优化方法。研究固定区域内通过合理布放多基地增大警戒区域，提出了警戒区域最大化下的基站位置参数优化方法。
　　第四章研究了多基地码域信道复用技术：多基地声纳探测时，需要对多源目标回波进行分辨，当回波来自同一散射目标时，只能通过为各个发射站的信号进行正交设计来实现分辨。为此本文概况了多基地多源分辨信号的特性需求，分析了常规多源分辨信号的基本特性，认为良好的正交性（弱相关性）是对发射站信号的核心要求。此外，多基地探测信号还应满足对特殊应用环境或特殊任务的特殊需求。针对浅海恶劣多途传播条件，提出多基地空时码探测信号设计方法，采用垂直发射阵获取空间分集增益，能有效抗子信道衰落，通过扩频信号调制空时码可获得优良的正交性。分析了阵型失配时，各子信道主途径到达时延不同引起的主相关峰无法在时域聚焦，损失阵列增益的问题。提出了时反镜相关检测技术，利用设计的信道训练信号估计各子信道，获得真实接收信号的最佳匹配检测信号。仿真结果表明，空时码探测信号能抗子信道衰落，适用于浅海恶劣环境，时反镜相关检测技术，能大幅降低空时码的错误判决率，但对信道训练信号受干扰程度较为敏感。针对水声对抗条件下的低截获能力需求，提出了多基地Costas低截获信号设计方法。给出了多普勒约束下正交Costas信号（Orthogonal Costas Signal,OCS）信号生成方法，比较了几种编码方式提升低截获性的能力。提出了采用松散同步码（Loosely Synchronous,LS）和噪声调频（Noise Frequency Modulation,NFM）信号调制正交码Costas信号（Orthogonal Code Costas Signal,OCCS）的生成方法，并推广至双正交Costas信号（Double OC Signal，DOCS）。与现有Walsh码调制的DOCS信号相比，LS码调制的DOCS信号具有理想的互相关性能的同时，自相关性能更好，NFM信号调制的DOCS信号互相关性能稳定，自相关性能优越，且可扩展性强，并通过水池和外场试验进行了验证。
　　第五章研究了多基地空域信道复用技术：多基地声纳接收站易受友邻单位的强直达波干扰，根据与目标回波的方位关系对直达波进行分类。针对旁瓣直达波干扰，研究了子空间聚焦零点约束方法，其性能与常规宽带零点约束相近，但能提高处理速度。针对主瓣直达波干扰，提出了子空间聚焦阻塞阵和对角聚焦阻塞阵。子空间聚焦阻塞阵将信号子空间聚焦到相同频点上再进行阻塞，能有效降低旁瓣，但在阵元数目较少时，性能退化严重，对此提出了对角聚焦阻塞阵。对角聚焦阻塞阵通过两次聚焦分别抑制直达波干扰和估计目标方位。传统的阵列信号处理技术，在远场平面波条件下，无法对与目标回波同向的干扰信号进行抑制。本文提出了发射声屏蔽技术。发射声屏蔽技术采用垂直发射阵，各阵元与接收站间构成的子信道多途结构并不相同。在发射端利用估计的信道状态信息计算生成屏蔽权，并对原始发射信号做预处理获得自屏蔽发射信号。各发射阵元的自屏蔽信号经直达波路径在接收站会被相互抵消，无需接收端再次进行屏蔽处理，相当于在发射端屏蔽了接收站位置处的接收信号响应。目标回波与直达波的多途路径不同，不会被抵消。论文分析了信道估计质量对发射声屏蔽的影响，并选择正交匹配追踪作为信道估计方法。通过多组不同信道条件下的仿真结果验证了发射声屏蔽对同向直达波能进行有效抑制，并不削弱目标回波强度。讨论了发射声屏蔽对低截获信号设计的益处，总结了适配信号形式。最后通过水池试验验证了发射声屏蔽的可行性，结果表明发射声屏蔽能抑制特定位置处的接收信号响应，且为定点屏蔽而非定向屏蔽。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 多基地声纳系统发展

1.3 多基地声纳联合工作关键技术

1.4 论文研究内容

第2章 双/多基地声纳理论

2.1 双/多基地声纳几何模型及系统配置

2.2 双/多基地声纳工作原理

2.3 双/多基地声纳方程

2.4 多基地声纳组网探测能力分析

2.5 基于奈曼皮尔逊准则的多基地声纳覆盖范围定义

2.6 本章小结

第3章 双/多基地时域信道复用技术

3.1 引言

3.2 直达波效应

3.3 时分警戒椭圆环

3.4 多基地声纳参数优化设计方法

3.5 本章小结

第4章 双/多基地码域信道复用技术

4.1 多源分辨信号选取原则与特性分析

4.2 多基地空时码探测信号设计及时反镜相关检测技术

4.3 多基地低截获信号设计

4.4 本章小结

第5章 双/多基地空域信道复用技术

5.1 直达波干扰模型

5.2 旁瓣直达波干扰抑制方法

5.3 主瓣直达波干扰抑制方法

5.4 同向直达波干扰抑制方法

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附 录 A