一种采用编码调相信号实现直达波干扰抑制的方法

摘要

本发明公开了一种采用编码调相信号实现直达波干扰抑制的方法，包括：确定编码调相信号的中心频率、带宽与脉宽；调整编码调相信号的编码形式与相位信息，生成所有的候选发射信号，然后计算自相关系数，对所述候选发射信号加以筛选，获得初步的发射信号集合；对于初步的发射信号集合，计算该集合内所有信号之间的互相关特性，对所述发射信号做进一步筛选，得到新的发射信号集合；计算发射信号集合内信号的模糊度函数，由所述模糊度函数获得多普勒容限，然后将所述多普勒容限转换成理论测速精度，最后将所述发射信号集合中各个信号的理论测速精度与主动声纳任务目标的允许航速变动范围进行比较，根据比较结果选择发射信号集合中适合的发射信号。

说明书

技术领域

本发明涉及主动声纳数字信号处理领域，特别涉及一种采用编码调相信号实现 直达波干扰抑制的方法。

背景技术

船只在海上编队航行时，船上的主动声纳不仅会收到来自于目标的回波信号， 也会不定时收到来自于友船的同频直达波干扰信号。由于硬件设施以及环境条件的 限制，各个船只发射信号的可用频率带宽相当有限，导致舰船的探测性能大大降低。 如何有效降低友船同频干扰信号对探测结果的影响是主动声纳设计中一个需要迫切 解决的问题。由于舰船编队的间距较小，且同频干扰直达波经历的是单程衰减，因 此在接收端，其能量会比目标回波高出几十分贝。经过能量检测器处理之后，直达 波信号的输出仍然远大于回波的输出，出现明显的虚警。因此需要对直达波干扰信 号进行抑制。

传统的直达波干扰抑制方法一般从波束域入手，例如基于空间滤波的MVDR、 施密特正交化方法，或者波数域相减的DICANNE方法，以及LMS滤波方法等等。 MVDR与施密特正交化方法的基本思想是形成一组系数，使在期望波束方向为全通， 而在设定的干扰方向响应最小。这是理论上最优的算法，但是对于失配很敏感，比 如期望波束方向与实际信号方向的失配、阵列响应误差等。但如果对干扰方向的估 计准确，那么即使目标回波与直达波在时域上交叠，也能获得期望的检测结果。 DICANNE方法在干扰方向形成波束，得到干扰信号，进行延时修正后从其他波束中 减掉该信号。该方法对阵列延时精度要求较高，另外要求很高的采样率(96kHz)，在 干信比很高时，错位一个点，效果就很差。LMS滤波方法则是先形成干扰波束，并 将其作为期望信号，然后对其他波束滤波，剩余的误差信号即是目标信号。在实现 时，该方法一般是将MVDR之前的干扰通道作为期望信号，然后对MVDR后的数 据做LMS滤波。与DICANNE方法类似，LMS滤波方法对时延误差也很敏感。另外， 还有一种低位截断方法，通过控制数据的有效位数，保留高位的数据。低位截断方 法要求信号包络起伏不能过于剧烈，即强多径干扰会很大程度降低方法的性能，而 且要求干扰信号不处于限幅状态。

本申请人经过研究发现，要在编队条件下达到抗同频干扰这一要求，需要一种 能产生多个不同副本的信号，而且这些副本信号具有自相关性好而互相关性为零或 几乎为零的特性，这样在编队条件下，只要各个船只使用不同的副本信号，就能互 不干扰的进行主动探测。主动声纳探测在编队条件下还有另外一个问题，就是进行 主动声纳探测时，某一船只会收到其他船发出的另一个副本的编码信号的直达波信 号，这个直达波信号的能量要比目标回波能量高几十个分贝，这会对目标回波信号 的检测造成影响。

例如：A、B两个编队舰船相聚1公里，都发射主动信号且声源级SL相同,信号 频率为7.5kHz，目标在距离A舰3公里处，则A舰接收到的目标回波信号能量 Etarget=SL-2TL(3km)-NL（背景噪声）+TS（目标反射强度），而A舰接收到的B舰 发射的主动信号能量为E_B=SL-TL(1km)-NL,所以它们之间的能量差Δ E=E_B-Etarget=2TL(3km)-TL(1km)-TS=130-62-15(查传播衰减曲线，并取TS为15 分贝)=53dB。而如果目标距离A舰10公里，则这个能量差ΔE为73dB。即这个能 量差在53-73dB之间。所以在这种情况下，如果AD采样器的动态范围过小，直达 波使接收端信号完全限幅，就会无法检测出目标的弱回波信号。在这种高能量差条 件下，常规的信号处理方法是难以检测出目标回波信号的。

综上所述，现有的直达波干扰抑制方法都存在各自的缺陷，无法完全满足用户 的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的直达波干扰抑制方法所存在的缺陷，从而提供一 种效果明显，实现简单的直达波干扰抑制方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种采用编码调相信号实现直达波干扰抑制 的方法，包括

步骤1）、确定编码调相信号的中心频率、带宽与脉宽；

步骤2）、调整编码调相信号的编码形式与相位信息，生成所有的候选发射信号， 然后计算自相关系数，根据所述的自相关系数对所述候选发射信号加以筛选，获得 初步的发射信号集合；

步骤3）、对于步骤2）得到的初步的发射信号集合，计算该集合内所有信号之 间的互相关特性，根据所述互相关特性对所述发射信号做进一步筛选，得到新的发 射信号集合；

步骤4）、计算步骤3）得到的发射信号集合内信号的模糊度函数，由所述模糊 度函数获得多普勒容限，然后将所述多普勒容限转换成理论测速精度，最后将所述 发射信号集合中各个信号的理论测速精度与主动声纳任务目标的允许航速变动范围 进行比较，根据比较结果选择所述发射信号集合中适合的发射信号。

上述技术方案中，在所述的步骤2）中，调整所述编码调相信号的编码形式包括 调整码元数与编码顺序。

上述技术方案中，在所述的步骤2）中，计算自相关系数包括：

步骤2-1）、对每一个获得的信号，计算其自相关系数组，计算公式如下：

$c_k=\underset{j=1}{\overset{n-k}{\Sigma }}{e}^{i(t_j-t_{j+k})}$

其中，c_k表示第k种可能的自相关系数，k取值范围是1~(n-1)之内的整数；t_j表示a_j对应的相位信息，而t_j+k表示a_j+k对应的相位信息；e和∑是标准的运算符 号；A=[a₁,a₂,...,a_n]为数字信号的采样值，

步骤2-2）、从所得到的自相关系数组中根据下列公式选取最大可能的自相关系 数：

l=max{|c_k|:1≤k≤n-2}。

上述技术方案中，在所述的步骤3）中，计算互相关系数包括：

两个信号为A=[a₁,a₂,...,a_n]与B=[b₁,b₂,...,b_n]，它们的互相关系数组表达式如 下：$c_k=\underset{j=1}{\overset{n-k}{\Sigma }}{e}^{i(t_j-s_{j+k})}$

其中a_j,b_j分别表示两个信号采样值，t_j,s_j分别表示a_j,b_j对 应的相位信息；

从所得到的互相关系数组中根据下列公式计算出最大可能的互相关系数：

p=max{|c_k|:1≤k≤n-2}

本发明的优点在于：

本发明具有效果明显，实现简单的优点。

附图说明

图1是本发明的直达波干扰抑制方法的流程图；

图2是小信噪比条件下，编码调相信号对4个目标的接收信号的时域波形的示 意图；

图3是图2中所示接收信号的匹配滤波结果的示意图；

图4是图2中接收信号经过多普勒估计与补偿后的匹配滤波结果的示意图；

图5是大信噪比条件下，采用编码调相信号的直达波干扰抑制结果的示意图；

图6是小信噪比条件下，采用编码调相信号的直达波干扰抑制结果的示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

在背景技术中提到，要在编队条件下达到抗同频干扰这一要求，需要一种能产 生多个不同副本的信号，而且这些副本信号具有自相关性好而互相关性为零或几乎 为零的特性。因此，本发明的直达波干扰抑制方法所要完成的工作是根据主动声纳 探测任务的特点确定编码调相信号的中心频率与带宽，然后找寻相关特性符合要求 的编码形式，并获取其多普勒补偿特性(即运动目标检测性能)，由此所得到的编码调 相信号能够实现直达波干扰抑制。

参考图1，本发明的直达波干扰抑制方法包括以下步骤：

步骤1）、确定编码调相信号的中心频率、带宽与脉宽。

编码调相信号的中心频率的取值与接收阵的尺寸密切相关，最佳值应该符合接 收阵的半波长布阵条件。此外，中心频率值也需要参考探测距离的变动范围，一般 情况下，远距离探测需要较低的中心频率，而近距离探测则需要较高的中心频率。 带宽的取值与期望目标的尺寸相关，而脉宽则受限于发射换能器的功率放大器能力。

步骤2）、调整编码调相信号的编码形式(主要是码元数与编码顺序的变动)与相 位信息，计算对应的自相关系数，获得初步的发射信号集合。

在步骤1）中确定编码调相信号的中心频率、带宽与脉宽后，在本步骤中首先对 所要生成的编码调相信号的编码形式与相位信息进行调整。所述的编码形式的调整 包括码元数与编码顺序的变动。在本实施例中，码元数的变动方式为按照二进制方 式递增，在其他实施例中，也可采用现有技术中其他可行的方式。编码顺序的变动 方式为遍历所有可能序列，例如有L个码元，可据此产生L!(阶乘)种编码序列。编 码调相信号的相位变化范围为-180°~180°，在对相位信息进行调整时，需要以一定 的分辨率（如采用0.5°间隔）遍历，生成720种可能的相位。

通过之前的编码形式与相位信息的调整得到多个候选发射信号后，为这些候选 发射信号计算自相关系数。所述自相关系数的计算方式如下：

步骤a）、对每一个获得的信号，计算其自相关系数组，计算公式如下：

$c_k=\underset{j=1}{\overset{n-k}{\Sigma }}{e}^{i(t_j-t_{j+k})}---\left(1\right)$

其中，c_k表示第k种可能的自相关系数，k取值范围是1~(n-1)之内的整数；t_j表示a_j对应的相位信息，而t_j+k表示a_j+k对应的相位信息；e和∑是标准的运算符 号。A=[a₁,a₂,...,a_n]为数字信号的采样值，

步骤b）、从所得到的自相关系数组中根据下列公式（2）选取最大可能的自相关 系数：

l＝max{|c_k|:1≤k≤n-2}    （2）

在得到信号最大可能的自相关系数后，可根据自相关系数对所有的候选发射信 号做一次筛选。例如，对于所有可能的信号，保留l值大于0.995的信号。

步骤3）、对于步骤2）得到的初步的发射信号集合，计算发射信号集合内所有 信号之间的互相关特性，根据互相关特性做进一步的筛选。

假设两个信号为A=[a₁,a₂,...,a_n]与B=[b₁,b₂,...,b_n]，它们的互相关系数组表达式 如下：

$c_k=\underset{j=1}{\overset{n-k}{\Sigma }}{e}^{i(t_j-s_{j+k})}---\left(3\right)$

其中a_j,b_j分别表示两个信号采样值，t_j,s_j分别表示a_j,b_j对 应的相位信息。

从所得到的互相关系数组中可以根据下列公式计算出最大可能的互相关系数：

p＝max{|c_k|:1≤k≤n-2}    （4）

在得到信号最大可能的互相关系数后，可根据互相关系数对所有的候选发射信 号做一次筛选。如果已选择信号集合内包含N个信号，那么每个信号对应的p取值 为N-1个。假如某一个信号的N-1个p的值都低于一阈值（如0.0249），那么保留该 信号，否则将该信号从候选发射信号中删除。

步骤4）、计算步骤3）得到的发射信号集合内信号的模糊度函数，由模糊度函 数获得多普勒容限，然后将多普勒容限转换成理论测速精度。将发射信号集合中各 个信号的理论测速精度与主动声纳任务目标的允许航速变动范围进行比较，根据比 较结果选择发射信号集合中适合的发射信号。

本步骤中，所述模糊度函数表达式为：

其中分别为信号的时延与相位信息，为信号的时域表达，为信 号的延时共轭时域表达，为相位对应的幅值变化。如何由模糊度函数计算多普 勒容限为本领域技术人员的公知常识，在此不再详细说明。

发射信号的理论测速精度需要经由实验进行进一步验证。在水池或者开阔水域 中，使用已选取的发射信号探测不同运动速度的目标。对接收到的信号进行多普勒 估计，得到速度估计值，将所述速度估计值与实测目标运动速度进行比对，如果误 差范围较小，则保留该发射信号。

通过上述步骤得到编码调相信号后，将该信号通过主动声纳发射，能够有效地 避免直达波干扰。

在一个实验例中，发射阵采用线阵，接收阵采用半圆弧阵，并根据基阵的参数 设置发射信号脉冲的中心频率为30kHz，带宽为4kHz。

图2是小信噪比条件下，编码调相信号对4个目标的接收信号的时域波形。其 中：目标1是信噪比为-14.2dB的静止目标；目标2是信噪比为-14dB的以2节航速 靠近本船方向航行的运动船只目标；目标3是信噪比为-17dB的静止目标；目标4是 信噪比为-17dB的以4节航速远离本船方向航行的运动船只目标。

图3是图2中接收信号的匹配滤波结果。可以看出虽然获得了4个清楚的目标 回波，但由于不知道他们具体的属性，只能认为这些都可能是船只目标，造成了很 高的虚警，实际上只有目标2和目标4是运动的船只目标回波。

图4是图2中接收信号经过多普勒估计与补偿后的匹配滤波结果。可以看出运 动目标2和运动目标4清楚的获得了回波处理峰值，而静止目标1和3被完全抑制 了，所以这种情况下，运动的目标2和目标4就会清晰的呈现在屏幕上。

从处理结果来看，即使在低信噪比条件下，编码调相信号作为主动信号在动目 标检测功能上也具有优良的性能，可以屏蔽静止目标的回波，避免屏幕“满天星” 的现象。

图5是大信噪比条件下，采用编码调相信号的直达波干扰抑制结果。其中直达 波为其它船只发出的主动探测信号，目标回波为本船发出的主动探测信号的目标回 波信号，这两个信号的码序列不同。目标回波的信噪比为10.5分贝。直达波能量比 目标回波大60分贝。可以看出，采用编码调相信号后，可以清楚的获得目标回波信 号的峰值。

图6是小信噪比条件下，采用编码调相信号的直达波干扰抑制结果。其它条件 与大信噪比时相同，只是噪声强度增加，使目标回波的信噪比为-20.8分贝，可以看 出，在小信噪比条件下，采用编码调相信号后，仍可以清楚的获得目标回波信号的 峰值。

总的来说，采用编码调相信号可以在保证静止目标与运动目标检测性能的前提 下，有效地实现同频直达波干扰抑制。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管 参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明 的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均 应涵盖在本发明的权利要求范围当中。