李 帅

（91388部队41分队 湛江 524022）

1 引言

适用于水声对抗研练的低截获信号一般具有宽带宽、长时宽、低声源级的特点，是一种大时间带宽信号［1～3］；在实际应用中，由于大时间带宽信号运算量大，导致其应用范围有限。近年来，处理器速度的进步使在轻便式运算平台上进行大规模运算成为可能。扩频信号具有较好的低截获性和检测能力［4］，能在有效提高测量范围的同时增强合作目标的隐蔽性，是一种相对理想的低截获信号；不足之处是其抗多普勒能力较弱。因而，研究增强扩频信号抗多普勒能力方法，充分发挥其低截获性和高检测能力在水声对抗研练等领域的优势，具有重大的现实意义与作战意义。

2 方法分析与设计

收发平台的相对运动会导致明显的水声信道多普勒效应。多普勒效应会引起接收信号频率的偏移，虽然相关器是最大输出信噪比准则下的最优估计器，但是相关对两个信号的频率失配是敏感的，目标运动的多普勒效应会引起较强的相关损失。两路接收信号之间有多普勒系数差，对其中一路在时域上进行压缩（或拉伸），当刚好补偿多普勒系数差时，相关峰能量达到最大值［5～9］。

多普勒效应对信号相关运算产生影响，积分时间超过多普勒容限将导致相关损失。下面分析多普勒效应对拷贝相关的影响。

以Gold 码为例，由于Gold 码是一个伪随机码，其相关特性与白噪声类似，根据信号的时间相关半径为信号相关载频的1/4 波长，给出信号相关处理的多普勒容限不等式［10～11］:

v为目标速度，c为声速，f0为信号中心频率，Ts为积分时间。

利用公式可以确定多普勒容限或多普勒适配通道数目。以f0=5kHz 情况为例，取c=1500m/s且最大相对运动速度v=±10kn，由式（4）计算相关积分时间的多普勒容限为Ts≤15ms。如果实际系统规定Ts=200ms，与容限的比值约为N≈13，那么至少需要设置N-2=11 个多普勒适配通道。当目标径向运动速度在±10kn 范围内变化时，总会有某一通道满足多普勒适配条件，而其它通道或多或少造成失配损失。

信号多普勒效应的仿真模拟与测试，主要基于频域表述。当以数字化采样频率fs构造原始辐射信号后，再以频率f′s进行采样，即可变换成多普勒信号，用数学公式表述为［12］

该式作为信号多普勒仿真模拟方法的基本依据。

图1 多普勒效应对相关性的影响

多普勒补偿问题本质上是变采样的问题。对多普勒因子的估计问题，可以通过发送已知的信号，通过测量信号某个观测量的改变来进行，在时域上测量信号的压缩或拉伸率，在频域上测量频偏。

图2 多个相关器的多普勒估计

实际中，我们只需要在可能的多普勒频移范围内寻找，这个范围是由最大相对速度和声速决定的，这种寻找方式如图2 所示，采用多个相关器（用不同的多普勒频移信号）对输入信号进行相关处理，用具有最大相关峰值的相关器来估计多普勒频移。显然此方法运算量太大，对处理器的速度要求较高。

3 方法仿真与验证

在调试声信号源时，采集到的数据与拷贝信号之间存在一定的频差，从而也造成了类似的多普勒效应，使得采集的数据与拷贝信号数据的相关性下降很厉害。图3给出没有经过多普勒补偿的扩频信号、线性调频信号和带限白噪声信号直接与相应的拷贝信号做相关的结果。从仿真结果上看，线性调频信号的抗多普勒能力较强，相关峰值比较明显，而扩频信号和带限白噪声由于其多普勒容限较低，受多普勒的影响较大，已经无法形成明显的相关峰。

图3 采集数据直接与原始信号相关的结果

图4 给出了将采集数据与多通道多普勒的扩频信号分别做相关，然后取出各通道的相关峰做比较，选取相关峰最大的相关结果作为最终的相关输出，从图中可以看出相关峰值明显，具有较高的增益。

图4 多普勒补偿结果

图5 为海上实时测量过程中的截图。信号的实时监测中，声源以183dB 源级发射，经多通道多普勒匹配补偿后水听器接收信号情况较为稳定、连续。

图5 单水听器检测信号截图

4 结语

本文设计的多相关器多普勒补偿方法能有效弥补多普勒效应引起的相关损失，为扩频信号等大时间带宽低截获信号在水声对抗研练等领域的应用提供了可能，具有较大的现实意义和应用前景。考虑到用于远程检测的低截获信号多属于大时间带宽信号，其多普勒容限较小，在进行信号检测时需要划分更多的多普勒通道；因此，采用低截获信号作为信标的水下目标，其航速不能过快，在多普勒通道设计和实际信标平台航速设计方面要统筹考虑。