论文部分内容阅读
随着科学技术的发展，水下无人航行器等新兴水下平台因数量多、体积小、航速低、噪声小等特点，在广阔海洋中被用于执行各种作战任务，尤其是在近海、港口等浅海水域，严重威胁着我国水下安全和军事设施。传统的岸基被动声纳系统对此类小体积、低噪声平台的探测能力有限，只能通过高频主动声纳进行探测。然而，此类装备的低航速增加了主动声纳的探测难度，特别是在近海的强混响、多杂波恶劣环境中，如何提高主动声纳对此类低速目标的探测性能将成为研究的重中之重。 近海、港口海区是典型的浅海水域，海岸线变化剧烈、海底底质复杂多样、人工设施繁多、水文条件不稳定、水中生物活动频繁，使得浅海混响具有多杂波、多普勒扩展严重等特点，增加了主动声纳的探测难度。受高频主动声纳发射脉冲宽度限制，利用多普勒效应采用单频脉冲难以探测强混响背景中的低速目标，常采用大时间带宽积波形如线性调频波(Linearly Frequency Modulated，LFM)来抑制混响、提高信混比，然而浅海中的多杂波现象导致假目标多、虚警率高。混响中杂波的抑制是提高低速目标探测性能的关键，无论使用波形设计还是信号处理算法，研究混响与杂波特征是设计和验证杂波抑制方法的基础。随着声纳系统智能化，建立浅海混响参数化模型、实现杂波的量化认知是抑制杂波的关键，也是未来认知声纳系统的发展需求。 本文对混响与杂波的特征展开研究。杂波定义为经过波束形成和匹配滤波后，具有高能量输出的类目标回波，是构成虚警的主要成分。根据形成机理的不同，杂波可分为统计杂波和物理杂波，统计杂波是由于高分辨声纳系统的分辨单元内散射体数量有限导致中心极限定理不满足，造成混响包络偏离瑞利分布;物理杂波是由海洋中的突变引起，如水下的岩石、岛礁等强散射体。统计杂波具有随机性，识别时的排除难度不大;而物理杂波表现稳定且多为静止或低速状态，当混响的多普勒扩展现象严重时物理杂波将分布于更大的多普勒速度范围内，成为低速目标检测的主要威胁。 本文使用统计模型研究混响的频域和时域特征，包括多普勒扩展和匹配滤波包络的统计特征。混响多普勒扩展的客观成因是信道的模糊效应，而主观成因与声纳系统参数和运动状态有关。根据混响点散射理论，由大量散射体回波的随机频偏叠加引起的混响多普勒扩展，其扩展程度可用统计模型来参数化描述，如双边指数分布模型。而此类对称模型不能描述由平台运动等引起的非对称扩展现象，本文提出了修正的双边指数分布非对称模型，给出了参数估计方法并通过湖试实验进行了验证。另外，理论上混响匹配滤波包络应服从Rayleigh分布，然而杂波将引起统计分布的非瑞利性。针对非瑞利混响建模问题，本文对K分布和混合分布的性质及参数估计方法等展开研究，K分布形状参数能够描述偏离瑞利分布的程度，混合分布基于极值理论认为杂波可独立描述，杂波比参数量化了杂波成分占混响的比例。本文通过湖试实验证明K分布和混合分布模型对千岛湖非瑞利混响具有较高的拟合度，而混合分布作为单分布模型的细化，对拖尾部分的拟合度更高，各分布参数的物理意义也在实验中得到了解释。 浅海混响统计模型的建立为混响中杂波的量化认知提供了依据。由于杂波属于混响，杂波与混响的多普勒扩展同分布，则多普勒扩展模型的参数可量化认知杂波的多普勒扩展程度;对于混响包络，K分布形状参数和混合分布杂波比具有量化分布拖尾和虚警程度的能力，可作为杂波数量和严重程度的量化认知参数。杂波认知能够有效应用于杂波抑制，在浅海低速目标探测时可通过波形选择和设计来实现杂波抑制。对于相同参数、不同体制的发射波形，具有相同的混响抑制、速度和距离分辨能力，和不同的杂波抑制性能。如多普勒敏感波形二迸制相移键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)波形，相比于同参数的LFM波形，BPSK可利用多普勒滤波效应有效抑制杂波。一方面，根据混响多普勒扩展统计模型，本文提出了计算波形杂波抑制置信概率的公式，并推导出给定置信概率时的波形参数设计准则;另一方面，根据混响包络统计模型，本文提出可将估计的模型参数反馈于发射机来选择波形或调整波形参数，用于改善杂波抑制性能。LFM和BPSK的湖试实验验证了本文提出的方法。 对于搭载于运动平台的主动声纳系统，其面对的环境时变、杂波状态时变，本文根据上述杂波认知方法进一步提出了恒杂波抑制率和恒杂比两种自适应技术，对于环境时变、平台和目标运动状态时变所引起的多普勒扩展时变、杂波严重程度时变的情况，自适应技术可通过实时估计混响统计模型来调整波形参数，以保证波形对杂波的抑制性能稳定。近年来随着“认知声纳”概念的提出，未来声纳要求构建“发射机-环境-接收机”的闭环反馈系统，一方面强调了声纳系统对环境的认知能力，另一方面突出了根据环境认知结果自适应设计并发射波形的特点。本文在建立混响时频域统计模型的基础上，提出根据混响模型参数认知杂波的方法，并能够应用于杂波的抑制，正符合认知声纳的需求和发展趋势。