第九章 主動聲吶信號

1、1水聲建模及聲吶系統(tǒng)分析水聲建模及聲吶系統(tǒng)分析李璇2q聲吶信號的傳播q研究聲吶波形的意義q聲吶信號的描述方法q多普勒q模糊函數(shù)q常見的聲吶信號CW/FM/BPSK/雙曲調(diào)頻q分析聲吶波形的手段q如何聲吶波形設(shè)計第九講主動聲吶信號第九講主動聲吶信號3q信號是在背景環(huán)境下的某種改變或者擾動，包含了一些信息q擾動可能由電力、光學、機械振動、聲波振動造成q包含的信息可能有時間頻率空間相位q聲信號：空氣或者液體中的背景聲壓下的擾動什么是信號什么是信號4信號信號5信號信號幅度相位6被動聲吶被動聲吶主動聲吶主動聲吶聲吶信號傳播的過程聲吶信號傳播的過程7q主動聲吶工作時，沒有關(guān)于目標的先驗知識，回波到達時間、

2、初相與多普勒頻移均未知，只有回波信號的形式是已知的，并與發(fā)射信號相同。如何估計目標參數(shù)？不同波形的分辨能力不同。不同波形的處理流程不同。針對不同的信號參數(shù)，如振幅、相位、頻譜等，會有不同的處理結(jié)果，直接影響聲吶的性能。因此有必要研究聲吶信號的波形特性，從而根據(jù)不同的任務(wù)和目的，選擇和設(shè)計相應(yīng)的發(fā)射信號波形聲吶波形特征的意義聲吶波形特征的意義8qTime spread：多徑qFrequency spread：多普勒qAngle spread：多徑（不同的反射、折射）9q時間函數(shù)（時域）窄帶信號q頻譜函數(shù)（頻域）時間信號波形s(t)的傅里葉變換它是復函數(shù)，一般寫作q模糊函數(shù)反映了時頻聯(lián)合特性主動聲

3、吶信號的描述方法主動聲吶信號的描述方法10q多普勒效應(yīng)聲吶與目標間的相對運動會使接收的信號波形發(fā)生改變，表現(xiàn)為信號頻率的偏移、頻帶的展寬、脈寬的變化。q水聲中多普勒效應(yīng)影響遠大于空氣中雷達、無線通信等多普勒多普勒Doppler11q聲吶發(fā)射脈寬T的信號q運動目標徑向速度v，在t=0距離聲吶L多普勒示意多普勒示意脈沖前沿經(jīng)目標反射后t1時刻到達接收端，這段時間目標向聲吶靠近了vt1/2脈沖后沿離開發(fā)射機的時刻目標向聲吶靠近了vT，經(jīng)目標反射后與t2時刻到達接收端12q多普勒造成脈寬變化接收的脈寬為T,v0，信號被壓縮v0，信號被擴展q多普勒造成頻率變化窄帶下頻率為多普勒和脈沖壓縮多普勒和脈沖壓縮

4、13q目標以固定徑向速度v運動，發(fā)射s(t)，接收到的信號為時延假如 ，對于水下聲速1500m/s，v15m/s壓縮系數(shù) =2v/c，包含v造成的多普勒頻移信息窄帶條件下 ，多普勒僅考慮頻移，對于回波簡化為窄帶下多普勒的推導窄帶下多普勒的推導多普勒頻移14qecho信號sr和replica信號sT的相關(guān)函數(shù)為窄帶假設(shè)下 為信號時延， 為頻移。信號的時間函數(shù)描述了信號的時域特性；信號頻譜描述了信號的頻域特性；模糊函數(shù)描述了信號的時頻域聯(lián)合特性。模糊度函數(shù)模糊函數(shù)模糊函數(shù)15q信號模糊圖以 繪成的三維圖形，表達了相鄰目標的模糊程度。q信號模糊度圖信號模糊圖的最大值下降到-3dB處的截面圖一般呈橢圓

5、形，形象的稱之為信號的模糊橢圓或信號的模糊度圖，它是 平面上的二維圖形。模糊度圖反映了相鄰目標距離（時延）和速度（頻移）分辨的能力，也反映了目標距離、速度的測量精度。截面的大小說明了模糊圖曲面的陡峭程度。曲面越陡，則截面越小，因而相鄰目標越易分辨。需要對目標距離和速度精確測量時，我們只能確切的知道測量值在模糊度圖確定的范圍內(nèi)，而不能以無限精度確定目標的距離或速度，因而信號的模糊函數(shù)又稱為信號的不確定函數(shù)。( , ) 模糊圖模糊圖& &模糊度圖模糊度圖16q模糊函數(shù)與信號頻譜的關(guān)系q原點對稱性q原點取得最大值q時延、頻移不變性模糊函數(shù)的性質(zhì)模糊函數(shù)的性質(zhì)17q體積不變性曲面下總體積取決于信號能量

6、，與信號形式無關(guān)。 峰值越尖，峰值包含的能量越小，而曲面基底包含的能量越大，旁瓣干擾將較大抗旁瓣干擾能力和信號分辨力互斥。旁瓣干擾較小時，峰值不可能很尖，意味著信號的分辨能力也不會太高。模糊函數(shù)的性質(zhì)模糊函數(shù)的性質(zhì)18q匹配濾波器是一種線性濾波器。在白噪聲背景下，對發(fā)射信號s(t)匹配的濾波器脈沖響應(yīng)函數(shù)其中 為匹配濾波器輸出最大瞬時信噪比的時刻。匹配濾波器對具有時延 和頻移 的回波 的響應(yīng)為 與 的卷積，即通過研究信號模糊函數(shù)的特性就可以了解聲吶系統(tǒng)匹配濾波處理的效果。0( )()0h ts ttt 0t00( )rs t( )rs t( )h t0200000( )( ) ()( ) ()

7、(,)jtrys t ht dts t s ttedtt 模糊函數(shù)與匹配濾波器的關(guān)系模糊函數(shù)與匹配濾波器的關(guān)系19接收到兩個信號兩目標的均方差可衡量兩個信號之間的差別其中并且該系數(shù)可以忽略所以q可見模糊函數(shù)是決定相鄰目標分辨力的唯一因素。模糊函數(shù)越大，均方差越小，兩個目標就難以分辨，也就是模糊度越大。模糊函數(shù)的另一種解釋模糊函數(shù)的另一種解釋20q固有分辨力距離分辨力模糊度圖與時延軸兩個交點間的時延差定義為信號的固有時延（時間）分辨力。描述了兩個強度相同的目標距離分辨的能力。 速度分辨力模糊度圖與頻移軸兩個交點間的頻移差定義為信號的固有頻移（頻率）分辨力。描述了兩個強度相同的目標速度分辨的能力。

8、信號的固有分辨力信號的固有分辨力21q測量精度模糊度圖與時延軸兩個交點間時延差一半定義為信號的時延測量精度；模糊度圖與頻移軸兩個交點間頻移差一半定義為信號的頻移測量精度；q不確定性（測不準原理Hesisenberg不等式）信號波形在頻率軸和時間軸上的擴張不可能同時小于某一界限測不準原理源于量子力學信號測量精度信號測量精度14t f 22qContinuous wave時間函數(shù)頻譜函數(shù)模糊函數(shù)常用的聲吶信號常用的聲吶信號CW23q多普勒和距離的估計精度以 作為門限取 的截面 ，令取 的截面 ，令常用的聲吶信號常用的聲吶信號CWCW時延頻移距離速度分辨力0.6T0.88/T450T0.44/T測量

9、精度0.3T0.44/T225T0.22/T24qCW的模糊圖模糊度圖25qLinear frequency modulated時間函數(shù)，M為調(diào)頻速率瞬時頻率模糊函數(shù)常用的聲吶信號常用的聲吶信號LFM26q多普勒和距離的估計精度以 作為門限取 的截面 ，令 所以取 的截面 ，令取 的截面 ，令常用的聲吶信號常用的聲吶信號LFMLFM時延頻移距離速度分辨力0.88/B0.88/T660/B0.44/T測量精度0.44/B0.44/T330/B0.22/T27qLFM的模糊圖模糊度圖28q多普勒&距離的模糊LFM信號的時延和多普勒在某種意義上是等效的，存在Range-Doppler couplin

10、g。匹配濾波的方法將會在時頻平面上得到一條直線（斜率與調(diào)頻斜率成正比），因此在時延和多普勒都未知的情況下無法得到準確的結(jié)果。多普勒頻移等效于一定的時延 ，會造成匹配誤差。當常用的聲吶信號常用的聲吶信號LFM29qLFM信號，T=500ms，B=250Hz，10kHz頻率上，10節(jié)的多普勒導致的測距誤差是多少？運動造成的頻移多普勒頻移對應(yīng)的時延時延對應(yīng)的距離示例：多普勒引起的測距誤差示例：多普勒引起的測距誤差30qLFM信號的多普勒頻移等效于一定的時延而造成匹配誤差。匹配濾波的方法將會在時頻平面上得到一條直線（斜率與調(diào)頻斜率成正比），因此在時延和多普勒都未知的情況下無法得到準確的結(jié)果。q為了解決

11、這個問題，引入雷達信號處理中用到的對稱LFM信號，或者稱三角調(diào)頻拓展：拓展：LFM距離距離-速度模糊？速度模糊？31q正調(diào)頻在脈寬T內(nèi)由低頻 調(diào)至高頻 ，q負調(diào)頻在脈寬T內(nèi)由高頻 調(diào)至低頻總脈寬將變成2Tq作用LFM信號如果進行對稱匹配，使得前一半和后一半帶來的匹配誤差正好可以對消，即可消除耦合效應(yīng)32q對稱LFM的時頻圖33qBinary phase shift keying多個CW脈沖組成，第i個子脈沖相位取0和pi，由偽隨機序列控制，包括m序列，golden序列等等頻譜寬度因此可以時間帶寬積為1的限制時間分辨力取決于帶寬，頻率分辨力取決于脈寬（=CW子脈沖）模糊圖是圖釘形狀，頻率分辨力強

12、但是穩(wěn)健性低，多普勒容限小，檢測的計算量大常用的聲吶信號常用的聲吶信號BPSK34qHyperbolic frequency modulated時間函數(shù)將ln 泰勒展開忽略3次以上項LFM瞬時頻率帶寬信號頻譜幅度是雙曲函數(shù)多普勒不變信號：由于多普勒系數(shù) 當 滿足常用的聲吶信號常用的聲吶信號HFM35q線形時頻變換模糊函數(shù)、STFT（短時Fourier變換）、Wavelet、Gabor，F(xiàn)RFT；q二次型時頻變換Cohen類時頻變換，可以更好的地描述信號的瞬時功率譜密度。q衡量時頻分布性能的兩個重要因素：時頻聚焦性和交叉項問題（對于多分量的非平穩(wěn)信號，來自不同分量之間的交叉作用形成交叉項）。時頻

13、分析：分析聲吶波形的手段時頻分析：分析聲吶波形的手段36q相當于加窗分段FT。當窗函數(shù) 為無窮長矩形窗，STFT退化為FT。窗函數(shù)應(yīng)與信號的平穩(wěn)長度相適應(yīng)過窄的窗會使得臨近的頻譜混淆，過寬的窗會使得時間混淆Matlab函數(shù)：spectrogram短時短時FT *2,jfxSTFTt fxwt ed w t37qLFM信號的短時FT0.20.40.60.811.21.41.61.8050100150200250300350400450500Time (Seconds)Hz05001000150020002500-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8138q定義：q對于1階

14、的FRFT，即 ，退化為普通的FTq對于-1階的FRFT，即 ，退化為普通的IFT拓展：拓展：Fractional FT 22, 1cotexpcot, 2sin , 2 , pppfuFf uuKu uf uduuuuujjjf udunf unfu 21n/2/2 39qLFM信號在合適階數(shù)的FRFT上形成能量聚集40q噪聲背景下SE: signal excessSL: source level TL: transmission lossTS: target strengthNL: background noise levelDI: directivity index of the receiver arrayDT: detection threshold 主動聲吶方程主動聲吶方程41q檢測一章中給定聲吶波形來尋求最佳接收，這里考慮給定應(yīng)用情況來尋求最佳波形q形式？q頻率？q脈寬？q帶寬？q波形參數(shù)選擇波形參數(shù)選擇42q給定聲吶使用環(huán)境（傳輸介質(zhì)和目標條件）、戰(zhàn)術(shù)要求（檢測距離和設(shè)備容限）下，能獲得最佳工作性能的聲吶工作頻率需檢測的目標距離遠程