蘇建軍1,2, 馮西安1, 白曉娟1, 李志偉1,2

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一種擴(kuò)展水下擴(kuò)頻信號(hào)多普勒容限方法

蘇建軍, 馮西安, 白曉娟, 李志偉

(1. 西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院, 陜西西安, 710072; 2. 中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì), 廣東湛江, 524022)

擴(kuò)頻信號(hào)的模糊函數(shù)圖呈圖釘型, 對(duì)多普勒頻移比較敏感, 影響了擴(kuò)頻信號(hào)的使用性能。本文分析了擴(kuò)頻信號(hào)的多普勒敏感性問題, 提出了一種基于回波預(yù)處理的方法。首先將回波信號(hào)經(jīng)過正交混頻得到零中頻,通道信號(hào), 然后將零中頻,通道信號(hào)送入多普勒預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理, 通過時(shí)間延遲處理方法得到的2個(gè)輸出信號(hào), 分別經(jīng)過匹配濾波器后再進(jìn)行合并處理, 脈壓輸出相關(guān)函數(shù)中不含多普勒頻移和時(shí)間乘積, 消除了多普勒頻移對(duì)匹配濾波器輸出的影響。數(shù)值仿真證明了該方法的有效性, 且具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單, 運(yùn)算量小的優(yōu)點(diǎn)。

多普勒容限; 擴(kuò)頻信號(hào); 模糊度函數(shù); 匹配濾波器; 預(yù)處理系統(tǒng)

0 引言

目前水下自導(dǎo)系統(tǒng)中常用的信號(hào)波形有單頻脈沖信號(hào)、線性調(diào)頻信號(hào)和雙曲調(diào)頻信號(hào), 這些信號(hào)形式簡(jiǎn)單, 系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)。但是, 由于這些信號(hào)的時(shí)間帶寬積小, 信號(hào)形式單一, 易于被敵方的偵察機(jī)截獲。一旦信號(hào)被敵方截獲, 水下自導(dǎo)系統(tǒng)容易受到敵方的干擾和攻擊, 嚴(yán)重影響了水下自導(dǎo)系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。為了提升水下自導(dǎo)系統(tǒng)的生存能力和作戰(zhàn)效能, 自導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)該選用具有大的時(shí)間帶寬積, 低的功率譜密度的復(fù)雜波形。

擴(kuò)頻信號(hào)具有大的時(shí)間帶寬積, 低的功率譜密度, 信號(hào)波形與噪聲信號(hào)相似, 具有一定的隨機(jī)性, 擴(kuò)頻信號(hào)具有很強(qiáng)的抗干擾和隱蔽性能。水下自導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)射波形使用擴(kuò)頻信號(hào)可以提高水下自導(dǎo)系統(tǒng)的抗混響、抗多途和低截獲性能。但是, 由于擴(kuò)頻信號(hào)對(duì)普勒頻移比較敏感, 隨著運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度增大（即多普勒頻移的增加）, 匹配濾波器輸出響應(yīng)變小, 嚴(yán)重時(shí)自導(dǎo)系統(tǒng)無法檢測(cè)目標(biāo)。關(guān)于怎樣解決相位編碼信號(hào)對(duì)多普勒敏感的問題, 目前已經(jīng)有很多文獻(xiàn)進(jìn)行了研究, 但是, 這些解決方案還存在不足, 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)也比較復(fù)雜, 不適合實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合。本文針對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)多普勒敏感問題, 提出一種基于回波預(yù)處理的方法, 該方法系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單, 運(yùn)算量小, 數(shù)值仿真證明了該方法的有效性。

1 擴(kuò)頻信號(hào)的數(shù)學(xué)模型和模糊度函數(shù)

直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中:c為偽隨機(jī)序列;為偽隨機(jī)序列長(zhǎng)度;為子碼寬度,,。

根據(jù)模糊函數(shù)的定義, 直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的模糊函數(shù)為

(3)

(5)

由式(4)、式(5)可知, 直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的模糊度函數(shù)是由單頻矩形脈沖信號(hào)的模糊度函數(shù)按一定的規(guī)律進(jìn)行時(shí)延、頻移乘上加權(quán)系數(shù)后疊加而成, 擴(kuò)頻信號(hào)的模糊度圖呈圖釘型, 具有良好的距離和速度分辨率, 但是, 具有窄的多普勒容限, 不適合檢測(cè)高速目標(biāo)。

2 擴(kuò)頻信號(hào)的多普勒敏感問題分析

擴(kuò)頻信號(hào)對(duì)多普勒敏感是因?yàn)榛夭ㄐ盘?hào)受到多普勒頻率的調(diào)制。若發(fā)射信號(hào)為s(), 則回波信號(hào)為。其中:為回波延遲時(shí)間;f為多普勒頻率;為發(fā)射信號(hào)脈寬。匹配濾波器的輸出響應(yīng)為

如果, 匹配濾波輸出響應(yīng)

(7)

由式(7)可知, 隨著多普勒頻率的增大, 匹配濾波器輸出響應(yīng)幅度逐漸變小, 當(dāng)多普勒頻率增大到一定時(shí), 匹配濾波器輸出將無法檢測(cè)到目標(biāo)。當(dāng)f<<1/ ()時(shí), 才可以忽略多普勒頻率對(duì)匹配濾波器輸出的影響, 在實(shí)際應(yīng)用中, 只有滿足式(8)才可以忽略多普勒頻率影響。

式中:為擴(kuò)頻信號(hào)發(fā)射脈沖寬度;f為多普勒頻移;為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度;為擴(kuò)頻信號(hào)的波長(zhǎng)。

圖1給出了擴(kuò)頻信號(hào)載波頻率f=10 kHz、子碼寬度=10 μs、偽碼長(zhǎng)度=1 023的序列, 多普勒頻率為f=0.06 kHz,f=0（對(duì)應(yīng)的目標(biāo)速度分別為8 kn和0 kn）時(shí)的匹配濾波器輸出響應(yīng)。

圖1 不同多普勒頻率時(shí)匹配濾波器輸出信號(hào)

由圖1可以看出, 匹配濾波器輸出響應(yīng)幅度隨目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度的增加, 峰值的幅度顯著減小。當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度增大到一定時(shí), 就會(huì)造成匹配濾波器的失配, 致使無法檢測(cè)到目標(biāo)。擴(kuò)頻信號(hào)為了能夠適應(yīng)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè), 就必須設(shè)法擴(kuò)大多普勒容限。

3 基于回波預(yù)處理的方法

由式(7)可知, 要減小多普勒頻率對(duì)匹配濾波器輸出響應(yīng)的影響, 應(yīng)該設(shè)法消除匹配濾波器輸出中的多普勒頻移與時(shí)間乘積項(xiàng)。從這個(gè)思路出發(fā), 提出了一種基于回波預(yù)處理的方法, 具體步驟如下。

首先, 將回波信號(hào)經(jīng)過正交混頻得到零中頻,通道信號(hào), 正交混頻得到零中頻,通道信號(hào)的原理框圖如圖2所示。

設(shè)發(fā)射信號(hào)

(10)

其中:是回波延遲時(shí)間;ω是多普勒頻移;是回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的相位差。

經(jīng)過正交混頻得到零中頻,通道信號(hào)s()、s()分別為

(12)

接著把上一步獲得零中頻,通道信號(hào)s(),s()后送入多普勒有預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理, 多普勒預(yù)處理系統(tǒng)框圖如圖3所示。

則,支路延時(shí)后的信號(hào)

(14)

圖3 多普勒預(yù)處理系統(tǒng)框圖

Fig. 3 Doppler pre-processing system

通過不交叉相乘處理后信號(hào)為

(16)

通過交叉相乘處理后信號(hào)

(18)

加法器輸出信號(hào)

根據(jù)序列的移位相乘性, 令

(20)

減法器輸出信號(hào)

(22)

則()最終可簡(jiǎn)化為

經(jīng)過匹配濾波器輸出響應(yīng)

(24)

經(jīng)過匹配濾波器輸出響應(yīng)

其中

(26)

則回波信號(hào)經(jīng)過匹配濾波器的最后輸出

由式(27)可知, 通過對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理之后, 匹配濾波器輸出中不含多普勒頻移和時(shí)間乘積項(xiàng), 因此, 解決了多普勒頻率對(duì)匹配濾波器輸出的影響。

仿真試驗(yàn)1: 擴(kuò)頻信號(hào)的載波頻率f=10 kHz, 擴(kuò)頻碼選取長(zhǎng)=1023的序列, 子碼寬為= 10μs, 信噪比為-5dB,=260, 目標(biāo)速度為=14kn（對(duì)應(yīng)的多普勒頻移為100 Hz）, 目標(biāo)距離為600 m, 仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 fd=100 Hz(v=14 kn), 距離為600 m時(shí)不采用回波預(yù)處理方法和采用回波預(yù)處理方法的脈壓輸出

仿真試驗(yàn)2: 信噪比為-15dB, 目標(biāo)速度為=21 kn（對(duì)應(yīng)的多普勒頻移為150Hz）, 其他仿真參數(shù)同上, 仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 fd=150 Hz(v=21 kn), 距離為600 m時(shí)不采用回波預(yù)處理方法和采用回波預(yù)處理方法的脈壓輸出

由圖4和圖5可以看出, 對(duì)回波信號(hào)沒有采取任何措施時(shí), 當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度很大時(shí), 匹配濾波器輸出信號(hào)幅度很小, 無法檢測(cè)到目標(biāo)。然而, 采取對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理之后, 因?yàn)橄硕嗥绽疹l率對(duì)匹配濾波器輸出的影響, 可以有效地檢測(cè)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從匹配濾波器輸出響應(yīng)的表達(dá)式出發(fā)分析了擴(kuò)頻信號(hào)對(duì)多普勒敏感的原因, 提出了一種基于回波預(yù)處理的方法。通過這種方法處理之后的回波信號(hào)經(jīng)過匹配濾波器后, 匹配濾波器輸出與多普勒頻率無關(guān), 因此擴(kuò)頻信號(hào)的多普勒容限得到了極大的改善。該方法系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單, 運(yùn)算量小, 適合實(shí)時(shí)處理的場(chǎng)合, 數(shù)值仿真證明了該方法的有效性。

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(責(zé)任編輯: 楊力軍)

A Method for Extending Doppler Tolerance of Underwater Spread Spectrum Signal

SU Jian-jun, FENG Xi-an, BAI Xiao-juan, LI Zhi-wei

(1. College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China; 2. 91388Unit, The People′s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, China)

Spread spectrum signal is sensitive to Doppler frequency shift, which limits the service property of the spread spectrum signal. This paper proposes a method for echo pre-processing by analyzing the sensitivity of spread spectrum signal to Doppler frequency shift. Zero intermediate frequency,channel signals are obtained through the orthogonal frequency mixing of echo. Then the signals are processed in the echo pre-processing system to obtain two output signals by time-delay processing method. The two output signals are further processed by a matching filter to achieve a combined signal which doesn’t contain Doppler frequency shift and time product. Numerical simulation demonstrates the validity of the proposed method with simplicity and smaller amount of computation.

Doppler tolerance; spread spectrum signal; ambiguity function; matching filter; pre-processing system

TJ630.34

A

1673-1948(2012)06-0424-04

2012-04-17;

2012-05-02.

教育部博士點(diǎn)基金(20106102110011).

蘇建軍(1978-), 男, 在讀碩士, 研究方向?yàn)樗曅盘?hào)與信息處理技術(shù).