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原文传递连续主动声呐抗干扰信号设计中的关键问题研究

论文题名：	连续主动声呐抗干扰信号设计中的关键问题研究
关键词：	连续主动声呐;抗干扰信号设计;任意频率调制;周期WISL准则;相位编码序列优化
摘要：	主动声呐是反潜作战体系中不可或缺的重要组成部分，如何有效提升其探测性能一直是科研领域的热点问题。当前脉冲主动声呐技术已经获得了广泛的发展和应用。近年来，随着大量安静型潜艇的出现，脉冲主动声呐在探测中暴露出一些明显的问题。尤其是在浅海环境中，复杂海底界面散射产生的混响和声呐系统收发分置布局造成的直达波成为影响声呐探测的主要干扰因素，导致脉冲主动声呐的发射声源级要求更高，探测盲区更大，目标检测更困难。这些问题受限于脉冲发射信号的特有性质，仅从脉冲信号设计的角度提升主动声呐探测性能的效果并不明显。最近有研究表明，连续信号在作为主动声呐发射信号时能够获得一些脉冲信号所不具备的优势，譬如连续探测跟踪目标，相对较低的发射声源级要求，高时间利用率，低虚警和误警概率等。这些优势使连续主动声呐技术成为一种具有广阔发展前景的反潜技术。但是目前对该声呐技术的研究还处于起步阶段，仍有许多问题亟待解决。这其中，对连续主动声呐抗干扰信号设计的研究是提升连续主动声呐探测性能的重要手段。因此，进一步探索抗干扰连续信号设计中的相关问题，对于提升连续主动声呐性能，增强其应用价值具有重要意义。　　本文针对连续主动声呐抗干扰信号设计中的一些关键问题，进行了相关的研究、分析与讨论。研究的内容主要包括频率调制连续信号的优化设计，相位编码连续信号的优化设计。这两种信号的优化设计都是以提升信号抗干扰性能为目的。此外，本文还对浅海环境下连续声呐系统受到的干扰问题进行了研究，包括浅海复杂地形的收发分置海底混响空间分布建模，连续信号海底混响特性分析以及混响对连续信号探测性能的影响。最后对相关的收发分置连续主动声呐混响和直达波干扰抑制方法进行了研究。文章的主要研究内容和结论如下：　　（1）构建了频率调制连续信号优化模型。基于频率调制连续信号的模糊度函数定量表达式，提出了适用于任意频率调制连续信号的性能评价准则。基于评价准则构建的优化模型利用遗传算法对连续信号的关键频率调制参数进行优化。对优化前后信号性能的对比验证结果表明，模型能够有效提升频率调制连续信号的抗干扰性能，具体表现为信号拥有更明显的理想图钉状模糊度函数形状和更好的子脉冲相关特性。另外，利用优化后调制参数设计的新型频率调制连续信号同样具有优秀的探测性能。　　（2）研究了相位编码连续信号的优化设计方法。将这类连续信号的优化设计转化为对应的相位编码序列设计问题。通过对现有相位编码序列设计方法的研究发现，对周期WISL准则约束下的相位编码序列设计还存在计算量大和实时性差的问题。基于最大化-最小化优化策略，本文首次提出一种适用于周期WISL准则的相位编码序列优化设计方法。随后对算法进行改进并引入一种加速策略，有效提升算法收敛速度。实验结果表明，所提出的系列算法能够设计生成在特定区间内拥有低自相关旁瓣的相位序列，同时比经典算法计算效率更高。而且利用生成相位序列编码构成的连续信号在特定区间内能获得较好的目标探测性能。　　（3）研究了收发分置主动声呐产生海底混响的计算问题。根据海底混响形成和传播机理，构建收发分置海底混响空间分布的计算模型，并结合曲线数值拟合技术，提出一种适用于任意浅海海底剖面的混响空间分布快速计算方法。数值计算结果表明，相比经典的单元散射混响模型计算方法，该方法能够大幅提高计算效率，并保证计算精度。此外，针对两种具有代表性的复杂海底地形环境，提出了两个评价量用于对地形复杂度进行评估，并讨论不同复杂度情况下拟合步长对混响计算精度的影响。结果表明对于不同复杂度的海底地形需选取合理的拟合步长以兼顾混响空间分布计算的准确性和实时性。　　（4）讨论了连续信号产生混响对声呐探测性能的影响。利用单元散射混响模型对收发分置连续主动声呐产生的海底混响进行特性分析。结果表明，连续信号产生混响和脉冲信号产生混响有较大特性差异，混响对连续主动声呐目标探测会产生更严重的干扰。进一步对连续信号在混响干扰下的探测性能进行分析。通过数值计算得到均匀分布混响背景下连续信号匹配滤波输出功率随目标扩展特性的变化规律。分析了连续信号在混响环境中的动目标探测性能。通过多种连续信号的Q-函数结果比较，证明本文提出的优化模型能够明显提升频率调制连续信号在混响环境中的动目标检测能力。最后分别提出了一种连续主动声呐的混响抑制方法和直达波抑制方法，通过仿真验证了这两种信号处理方法对连续信号干扰的抑制效果。　　（5）开展了对连续主动声呐探测性能的湖上实验验证。搭建收发分置连续主动声呐系统，设计并完成了多种连续信号的目标探测实验。实验结果验证了浅海水声环境下连续信号具有比传统脉冲信号更优良的抗干扰性能和目标探测性能。所得实验数据为连续主动声呐抗干扰信号投入实际应用提供了支持和依据。
作者：	关承宇
专业：	物理学
导师：	曾新吾;周泽民
授予学位：	博士
授予学位单位：	国防科技大学
学位年度：	2020