赵冬艳

（中国船舶重工集团有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

水雷是海战中经济有效且隐蔽性很强的水中兵器，它不仅在抗登陆、封锁作战、切断敌人海上交通、扼守海上要冲时可直接打击敌舰船，而且可以在心理和精神上给敌人以强大威慑。猎雷声呐是反水雷的关键装备，它发射有规律的高频脉冲声波，用于探测与识别水雷，基本上探雷频段在80～200 kHz频率范围，80 kHz、100 kHz频率使用较多；识别频段在200～500 kHz频率范围。确认水雷后，在猎雷声呐引导下使用灭雷具清除水雷[1-5]。目前，水雷反猎主要采用欺骗手段被动反猎，如在雷体表面涂覆吸声材料降低声反射率。但是，一旦水雷被猎雷声呐探测并识别，只有束手待毙。因此，迫切需要提高水雷的反猎功能。

自导反猎水雷采用被动声自导方式，通过追踪猎雷声呐的声探测波束进行被动声自导，消灭猎雷声呐或其载体。猎雷声呐信号源级较高，达到190 dB左右，在猎雷声呐工作频段内噪声谱级低于30 dB。因此，接收的猎雷声呐信号具有很高的信噪比，可达到50 dB以上。

猎雷声呐在工作时，其发射脉冲信号覆盖了很大的带宽，从几千赫兹到几百千赫兹[6]。这样宽的频率范围内，没有办法像常规定向定位技术那样采用半波长间隔布设水听器阵列，当阵元间距大于半波长时，两基元接收信号的时延差往往远大于信号周期，此时会产生相位模糊，进而导致严重的测向模糊。

本文利用猎雷声呐信号的特征，采用自适应notch滤波器估计信号的包络、频率、相位差。先检测脉冲前沿，将两路信号波形按前沿时刻对齐，再进行相位差估计的方法，即时延差与频率粗测与相位差精测相结合的方法。此方法既可摆脱阵间距必须小于半波长的限制，又无需目标合作，而且可适用于发射信号为变周期、调频或跳频信号的情形。

1 方位估计原理[7]

以平面四元阵为例，采用时延估计法来估计目标方位。设平面四元阵4个阵元的坐标分别为S1( d /2,0,0)、 S2(0,d / 2,0)、S 3 (-d / 2,0,0)、S 4 (0,- d /2,0)。

图1 平面四元阵定向示意图Fig.1 Schematic diagram of four-element planar array

声源的方位角与俯仰角分别为φ和θ，则其方向矢量为 u =[sin θ cosφ,sin θ sin φ ,cosθ ]T，阵元3到阵元1、阵元4到阵元2的矢量分别为

考虑远场平面波的情况，声源到阵元间的声程差为声源的方向矢量在阵元间矢量上的投影，它们又分别等于时延差与声速c之积。

2 自适应Notch滤波器原理[8]

自适应 notch滤波器可估计信号的包络和频率，2个自适应notch滤波器可组成相位估计器，工作原理如图2。

图2 自适应notch滤波器原理图Fig.2 Block diagram of adaptive notch filter

自适应notch滤波器采用了2个正交（正弦和余弦）参考信号，自适应运算采用LMS算法，通过自适应算法计算出相应的权值 Wc、Ws，所用迭代算法如下：

对于以被动方式工作的系统，可以通过 FFT等方法预先估计信号的频率，作为参考信号频率，然后通过自适应方法以期获得更精确的频率估计。或者在带宽范围内预置一中心频率，并且中心频率随滤波的进行而自适应调整，即参考信号中心频率随自适应权值的输出作实时调整。

一种有效的瞬时频率估计方法是利用自适应权值进行估计[9]：

3 方位估计

时延差方位估计原理框图如图3所示。

图3 时延差估计原理框图Fig.3 Functional block diagram of time delay estimation

本文采用先检测脉冲前沿，即获取时延差粗测值。将两路信号波形按前沿时刻对齐，再进行相位差估计，即获取时延差精测值。信号处理过程如下。

1）对4路水听器接收的声呐信号，进行带通滤波；

2）对滤波后的信号进行包络检波，得到信号的包络，对信号包络进行过门限检测；

3）如果信号包络前沿超过门限，分别记录下四路信号前沿时刻n1，n2，n3，n4。则 1路阵元与3路阵元的时延粗测值 n31=n3-n1。同理，2路阵元与4路阵元的时延粗测值 n42=n4-n2。

4）检测到前沿后启动鉴宽器，对前 1/5脉宽内的数据进行FFT分析，估计信号频率f。

5）从1/5脉宽开始到4/5脉宽时，保存数据用于计算相位差。把三路保存下来用于计算相位差的数据根据前沿时刻对齐，然后采用自适应notch滤波器估计三路信号间相位差ϕ31和ϕ42，用相位差除以2πf得到时延修正值。

6）用时延粗测值加上时延修正值就得到时延精测值。根据各路之间的时延精测值，可以计算出脉冲信号的方向。

4 仿真数据分析

根据上文提出的时延差估计方法，对频率、相位差、时延差估计进行仿真。仿真条件为：CW脉冲信号中心频率为10 kHz，信号脉宽为3 ms，采样频率为100 kHz，模拟产生4路模拟信号；通道3相对通道1的时延为0.3 ms，通道4相对通道2的时延为0.1 ms；信噪比为10 dB。采用上述方法仿真，仿真图如图4所示。

图4 包络、频率估计输出Fig.4 Envelope and frequency estimation

仿真估计出通道3相对通道1的时延为0.27 ms，通道4相对通道2的时延为0.09 ms。通过仿真可知，对于CW信号，测得的频率估计为中心频率。在采样频率不变的情况下，随着信号频率的增加，测频的误差也随之增大。

实测数据某次海上试验的数据，试验采用平面四元阵，目标是一条科研试验船。海深大约200 m，水下测量平台深度约150 m，试验时海况约3级，海底为泥沙底质。基阵布放在水下平台上，目标直线航行，由远及近从平台上方附近通过。水下平台内装有数据记录设备，采集记录基阵输出信号，平台回收后在计算机上处理数据。实测数据采用分段分析，与GPS对应。中值滤波去跳变很大的野点。实测数据处理结果如图6所示。可以看出方位角的散步较小，大致符合理论分析结果。

图5 方位角估计Fig.5 Azimuth estimation

图6 滤波后的方位角估计Fig.6 Filtered azimuth estimation

图7 方位角估计Fig.7 Azimuth estimation

实测数据某次湖上试验的数据。试验水域深度约35 m，猎雷具深度约水下2～3 m。试验雷配置4元声基阵，深度约水下 25 m。试验船操控猎雷具前置航行，航速2～4 kn。中值滤波后的方位估计如图8所示。方位估计连续，与GPS航迹基本相符，可用于指示目标初始方位。

图8 滤波后的方位角估计Fig.8 Filtered azimuth estimation

5 结束语

本文通过追踪猎雷声呐的声探测波束进行被动声自导，通过被动声呐接收的非合作目标发射的窄带脉冲信号，本章提出了时延差粗测、自适应频率估计、自适应相位估计等一系列时延差估计策略，此方法不仅对CW脉冲信号可测向，还可适用于调频、跳频信号，同时此方法也可用于主动声呐系统的测向定位。