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1、主动声呐信号分析,声呐与雷达工作参数的主要差别主动声纳信号的几种描述方式几种主动声纳信号的时间和瞬时频率表示形式模糊度函数、多普勒平移多普勒不变原理信号的主要工作参数的选择,本章需掌握的重点内容,2,四,声纳波形研究的意义声纳与雷达参数的区别主动声纳信号的几种描述方式模糊函数定义与含义,本讲主要内容,3,四,一、声纳波形研究的意义,主动声纳利用发射基阵向水中发射脉冲，通过这些脉冲照射而产生的回声对水下目标进行探测、定位以及识别。,声纳接收机接收到的信号很复杂,4,四,一、声纳波形研究的意义,主动声呐接收机中采用的信号处理方式，必须与信号种类和目标运动特性相匹配。,声呐发射信号的形式对于声呐的作
2、用距离、频率分辨、距离分辨力等指标都起着十分重要的作用。另外，目标的反射、运动都会对回声产生影响。深入地研究主动声呐信号、目标反射、混响、匹配滤波等环节的相互关系，是声呐系统设计必不可少的课题。,窜漏,回波信号,噪声,5,四,常规信号分类,按它们的平均功率值区分为两类：,第一类具有零平均功率和有限能量的信号，包括矩形脉冲、爆炸波测距脉冲、脉冲调制波；,第二类具有无限能量和有限功率的信号，包括所有周期函数和阶梯函数。,所以，究竟采用何种类型的信号需根据实际的要求而决定。,6,四,二、雷达与声纳工作参数的差别,雷达信号波形理论的研究已比较深入，但由于雷达的使用和工作条件与声呐不尽相同，因而不可完全
3、照搬,7,四,Radio vs.Underwater Acoustic Channel,8,四,Challenges in UWA Channel,Delay Spread(ISI)Doppler Spread,Stojanovic et al.,“Phase-coherent digital communications for underwater acoustic channels,”IEEE J.Oceanic Eng.,1994.,Commercial modem:Incoherent FSK(Frequency shift keying)Research community:Mul
4、ti-channel DFE with 2nd order PLL,9,四,Stojanovic,JASA(2005),Channel Model,10,四,1.信息传递速率,声呐的重复频率比雷达慢1000倍，因而声呐的检测效率比雷达低1000倍。这是由于声波在水中的传播速度远低于电磁波在空气中的传播速度，二者相差20万倍。一般来说，声呐需要10秒以上才能确定目标是否存在。而雷达则只需毫秒量级。,11,四,1.信息传递速率,【例】R=1.5公里，那么,雷达双程传播时间为2*1500/3*108=10微秒；,声纳双程传播时间为2*1500/1.5*103=2秒；,较长的判别时间加剧了介质及目标时
5、变、空变特性造成的影响，进而降低了声呐判别的准确性。,12,四,2.多普勒差别,目标与声呐或雷达之间的相对运动将造成目标的回波信号中出现多普勒频移现象。,多普勒定义式如下：,雷达的多普勒频移仅为万分之几，而声呐的多普勒频移通常高达百分之几，甚至更高。因此当检测运动目标时，声呐设备的复杂程度远高于雷达。,例 假设二者频率为1兆赫兹，目标与声纳或雷达的相对径向速度为20米/秒，那么,13,四,3.传播环境的差别,1)雷达电磁波传播环境较为理想（天波、地波等）,2)水中声波传播途径（水声信道）非常复杂,海洋及其边界在一起形成一个非常复杂的声传播介质,水中声波的传播速度是深度和距离的时变函数，而且与地
6、理位置、季节及海况有很大关系，结果使海洋中的声传播成为一种难以预测的复杂折射过程。,14,四,15,四,Some distortion is visible near the symbol boundaries,Distortion is clearly visible and spans multiple symbol periods,16,四,Time-Varying Frequency Response,Time-varying Response to a Sinusoidal Input,17,四,18,四,4.传感器尺寸,声呐工作频率低（主动声呐工作频率为近百赫兹到几百千赫兹），波长
7、较长，而雷达工作频率要比声呐高103105倍左右，波长短。水下基阵要比雷达天线大几倍，基阵结构也较为复杂，且要在水中转动，故必须有较大的机械耐压强度。,一个阵的3dB波束宽度为,要获得相同的角度分辨率，所以声纳的阵要比雷达的阵大得多。,19,四,4.传感器尺寸,【例】假设要获得的3dB波束宽度为3度，二者的工作频率分别为100赫兹和300兆赫兹，问二者的阵长？,雷达所用波长为：,声纳所用波长为：,雷达阵长为：,声纳阵长为：,20,四,5.能量吸收的差别,与频率有关的传播吸收损失限制了声呐的作用距离。声波在水下衰减较大，衰减系数与信号频率的关系，由实验得到,电磁波在空气中衰减很小，可以作用的很远
8、。,但其在水中却衰减很大，在具有强传导率的海水中，电磁波的能量损失是,在海中仅仅100米的形程，2000 MHz的电磁波能量损失就高达20万分贝！30kHz的电磁波，其损失也有770分贝，因此，对于电磁波来说，海水有效地展现出了其短路特性。,21,四,6.干扰形式的差别,声呐接收机以外部干扰为主，其中有海洋噪声、舰艇航行自噪声及混响干扰等，而且干扰的时变、空变性较强；,而雷达接收机的内部干扰较多，如电磁干扰等。,海洋噪声,22,四,6.干扰形式的差别,舰船自噪声随航速的变化,装在导流罩内的声纳基阵通常工作在一个极为嘈杂的环境之中,23,四,从上述声呐的工作条件和所具有的特点可以看出，在选择声呐
9、的参数和结构时，简单套用雷达理论显然是不合适的。特别是近代声呐技术，要求声呐设计者要更多地注意水声信道的研究和信息处理问题（如匹配场处理、时间反转镜技术），以便设计出具有良好性能的声呐来。,24,四,三、主动声纳信号的几种描述方法,主动声呐信号常从三个方面来描述：1）时间函数（信号在时域变化情况）；2）频谱函数（信号在频域变化情况）；3）模糊函数（信号在时延和多普勒域变化情况）。,25,四,1）时间函数,窄带信号是声呐常采用的信号形式，可以表示为,为幅度调制或称为包络,为相位调制,为载频,为脉冲宽度,26,四,1）时间函数,27,四,1）时间函数,信号的瞬时频率,频率调制,28,四,1）时间函
10、数,带通信号可以用两个低通信号（也即正交分量）来表示,两个正交分量为,29,四,1）时间函数,信号一般都用解析信号来表示，上式信号可写为,所以解析信号为,复包络为,30,四,2）频谱函数,信号的谱描述了信号能量在频率轴上的拓展情况。一个能量信号（能量有限）可以通过它的能量谱密度（ESD）函数来描述，而一个功率信号（功率有限）则可以通过它的功率谱密度（PSD）函数来描述。,信号的频谱是信号时间波形 的博氏变换，,它是复函数，一般写作,31,四,2）频谱函数,它是复函数，一般写作,S(f)的逆傅立叶变换为,信号的自相关函数,S(t)是能量信号，则ESD为：,S(t)是功率信号，则PSD为：,32,
11、四,2）频谱函数,对于一个CW信号，即,傅氏变换，,33,四,2）频谱函数,对于时域信号,其中，,傅氏变换为,其中，,34,四,3）模糊函数,伍德华在研究雷达信号处理时引入了模糊函数。以此来刻画回波信号和发射信号之间的差别，即目标距离、航速可以被分辨的程度。,如果发射信号为,那么延迟 之后的信号为,若频率上有一移动，那么信号变为,所以，与 之间的一致性是刻画回波信号与发射信号之间关系的一个测度。,信号 的模糊函数定义为,35,四,信号的时间函数描述了信号的时域特性，信号的频谱描述了信号的频域特性，而模糊函数则描述了信号的时频域联合特性。,36,四,作业,1.概括雷达和声纳的几点区别？,2.掌握主动声纳信号的几种描述形式。,37,四,
