Page 83 - 《应用声学》2022年第5期
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第 41 卷 第 5 期            颜恒平等： 正交多相码连续波主动声呐回波检测算法设计                                          759


                                                               的相关性能，反而降低探测的随机性，减少虚警
             0 引言
                                                               率 [16] 。Murphy等  [17−18]  通过浅海试验比较PAS和
                 常规脉冲式主动声呐 (Pulsed active sonar,               CAS 性能，使用长度不同的 LFM 信号研究 PAS 和
             PAS) 在探测目标时，首先发射一个短时脉冲波                           CAS 的信混比差异。在 LCAS15 海试中，Grimmett
             形，然后接收回波，完成目标检测、参数估计和跟                            等 [19]  研究了 CAS 的水声信道的时间和多普勒相
             踪识别等任务。这种工作方式有一些缺点：发射功                            干极限，Ferri 等    [20]  研究了 CAS 用于近岸水下协同
             率高；发射时间短，时间处理增益小；脉冲重复间                            警戒。
             隔长，时间利用率低，目标信息更新慢等。这些缺                                国内对 CAS 的研究也取得一系列成果：庞博
             点会严重影响主动声呐的探测性能。连续波主动声                            等 [21]  提出的 CAS 调频信号设计和性能分析方法，
             呐 (Continuous active sonar, CAS) 通过发射连续           周泽民等     [22]  提出的 CAS 直达波抑制处理方法，张
             波形，可以提供更高的处理增益和更快的目标更新                            烈山等    [23]  提出的非线性调频连续波测距技术，刘
             率，弥补PAS的部分缺陷。                                     大利等提出了LFMCW 信号的检测算法                  [24]  和子带
                 连续波探测技术最早用于连续波雷达中，在                           处理的CAS性能分析方法            [25] 。
             20 世纪 80 年代应用在超声探测中，使用连续发射                            在CAS研究中，子信号组合的连续波形由于目
             调频信号(Continuous transmitted frequency mod-        标信息更新快，被广泛采用，尤其是海试验证中大多
             ulation, CTFM)，也称为线性调频连续波 (Linear                 采用 LFM 子信号填充连续波形。LFM 子信号填充
             frequency modulation continuous wave, LFMCW)，     的连续波有两个缺点：LFM子信号的多普勒分辨率
             用于近距离目标定位、分类和识别                [1−5] 。CTFM 曾      有限，难以准确获取目标的运动速度；每个子信号带
             用于水下探潜和探雷          [6] ，受技术水平限制，没有进               宽小，距离分辨率和抗混响性能受影响。本文提出
             一步发展。最近几年，随着水下反潜难度加大，对                            一种使用正交多相码波形填充的连续信号，这种波
             CAS技术的研究逐渐增多。                                     形具有良好的多普勒分辨能力，并且每个正交多相
                 目前，CAS 的研究主要聚焦在波形设计、回波                        码子信号占用整个带宽，频带利用率高。论文分析
             检测等信号处理方法，以及相关的海试验证等方面。                           了发射信号和目标回波模型，设计多通道匹配滤波
             在信号处理方面，研究人员设计了多种 CAS 波形，                         和非相干积累的回波检测算法，并通过数值仿真对
             不同的波形对应着不同的检测算法。Hickman等                    [7]   CAS的多普勒分辨率、检测性能进行分析验证。
             设计了 SLO-CO 波形，该波形能够同时提供目标距
             离和多普勒信息，提高了目标探测结果的数据率。                            1 发射波形与目标回波模型
             de Ferrari等 [8]  分析了CAS理想波形应该具备的特
                                                               1.1  发射信号模型
             点，基于 M 序列构建了适合水下探测的连续波形，
             并设计对应的回波检测算法。Liang 等               [9]  研究了多          一组 M 个子信号的正交多相码基带波形可以
             基地CAS的发射和接收问题，设计了低相关旁瓣的                           表示为
             探测波形和目标参数估计方法。Hague 等                 [10]  使用
                                                                          {s i (t) = exp[jφ i (t)]},
             正弦调频信号脉冲串组成连续波形，信号之间近似
                                                                       i = 0, 1, · · · , M − 1,  0 6 t < T c ,  (1)
             正交，并提出目标检测算法。Scheklman等               [11]  研究
             CAS 的波导不变量，用于改善目标跟踪性能。单频                          其 中， φ i (t) 为 子 信 号 s i (t) 的 相 位， φ i (t) =
                                                               ∑ L−1
             连续波也用于运动目标的探测，大多研究集中在多                                   ϕ i (l)g (t − lT b )，ϕ i (l) 为第 i 个子信号 s i (t)
                                                                  l=0
             基地声呐的目标跟踪          [12−14] 。                      的第 l 个相位码，T b 为码元长度；T c 为子信号长度，
                 在 CAS 相关的海试验证中，多个子信号组合                        T c = LT b ，L 为子信号中相位码的数量；函数 g (t)
             的连续波和子带处理方法应用比较广泛。在美国                             表示为
             TREX13海试中，开展了大量CAS相关研究。Hines                                        
                                                                                  1,  0 6 t < T b ,
             等通过试验研究了浅海环境下 CAS 和 PAS 信号                                    g (t) =                        (2)
                                                                                  0,  others.
             的相关性，并进行比较           [15] ；通过试验对比 PAS 和
             CAS 的性能，CAS 的时间带宽积并不会影响信号                             相位码 ϕ i (l)(0 6 ϕ i (l) < 2π) 可以构成多相码
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