一种用于主动声呐探测的非线性调频信号设计方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种用于主动声呐探测的非线性调频信号设计方法和装置，方法包括步骤：利用相位驻留原理设计初始

【技术实现步骤摘要】
一种用于主动声呐探测的非线性调频信号设计方法和装置


[0001]本专利技术属于无线电通信
，具体涉及一种用于主动声呐探测的非线性调频信号设计方法和装置
。

技术介绍

[0002]随着海洋探测精度
、
检测概率
、
通信性能等需求的增长，声纳系统从被动方式转变为主动方式
。
主动声纳系统包括声纳信号波形
、
声纳信道和声纳接收机三部分
。
波形设计是主动声纳系统中一个极为重要的环节，研究表明：对主动声纳来说，声纳发射波形体制既决定了接收系统如何进行信号处理，又直接影响了系统的距离分辨力
、
速度分辨力
、
目标探测精度
、
对抗干扰能力及信道匹配等方面的性能指标
。
通过设计合适的声纳发射端信号波形，可以较好地获取目标信息，提高水下探测的检测精度和抗干扰能力
。
[0003]声纳精度和分辨力是一致的，要提高声纳的距离测量精度和距离分辨力，发射信号在频域内必须占有大的持续带宽；而要提高声纳的速度测量精度和速度分辨力，则信号在时域内必须占有大的持续时宽
。
因此，理想的发射信号要求具有宽脉冲和大带宽的形式
。
人们通常使用具有大时宽
‑
带宽积的脉冲压缩信号
。
在脉冲压缩技术中，常用的发射信号波形有：线性调频
(LFM)
信号和非线性调频
(NLFM)
信号
。
[0004]对于
LFM
信号，在多目标检测时，
LFM
信号的高旁瓣容易导致漏检测和误检测
。
为了抑制旁瓣常需要进行加权处理，但这会造成主瓣展宽，并导致信噪比损失
。
此外，
LFM
信号会产生多普勒耦合时移现象，不能同时考虑时间分辨率和频率分辨率，独立提供距离和速度的测量值
。
[0005]NLFM
的概念首先由
Key、Fowle
和
Haggarty
在
1959
年提出
。NLFM
信号是一种调频信号，其模函数与
LFM
信号相比是非线性的，被设计去克服
LFM
信号的缺点，其突出的优点是直接进行匹配滤波即可得到较低的旁瓣而无需加权处理，因而避免了引入加权所带来的信噪比损失问题，能获得较好的测量精度，准确地识别目标信号
。
[0006]最初的波形设计方法是以窗函数的形式推导
NLFM
信号的相位函数，例如根据相位驻留原理设计的
NLFM
信号
。
该方法将降低其峰值旁瓣比，但同时具有宽的主瓣，从而使其自身的目标信息模糊
。
此外，还有使用基于
FM
函数的优化算法来找到极好的波形
。
例如，
Roohollah Ghavamirad
等人通过使用拉格朗日方法解决约束优化问题获得
NLFM
信号
。
在
Roohollah Ghavamirad
等人的工作中，该方法使主瓣宽度更小，并进一步降低了峰值旁瓣比
。
[0007]但是计算的复杂性导致运行的缓慢
。
现有技术中，还没有
NLFM
信号设计方法能够较好地实现二者的平衡，提升计算的效率的同时优化其性能指标
。

技术实现思路

[0008]针对采用传统相位驻留原理方法设计的
NLFM
信号存在的主瓣宽
、
旁瓣高，影响声纳探测精度等问题，本专利技术第一方面提供一种用于主动声呐探测的非线性调频信号设计方
法，包括步骤：利用相位驻留原理设计初始
NLFM
信号；关联待优化信号与初始
NLFM
信号，构建
NLFM
信号数学模型的目标函数；基于目标函数，采用最小二乘误差趋近方法求解
NLFM
信号数学模型；结合迭代算法，获得优化的
NLFM
信号
。
[0009]优选地，目标函数基于最小二乘均方误差构建，具体表示为：
[0010][0011]其中，
χ
(f)
为频域中的待优化信号，
γ
(f)
为频域中的初始
NLFM
信号，即
[0012]γ
(f)
＝
|
γ
(f)|e
j
θ
(f)
[0013]其中，
|
γ
(f)|
是相应的振幅，
θ
(f)
是对应的相位
。
[0014]优选地，利用相位驻留原理设计初始
NLFM
信号前还包括：根据选定的信号窗口类型的功率谱密度谱，计算初始
NLFM
信号的相位；迭代算法对
NLFM
信号的相位进行优化，获得优化的
NLFM
信号
。
[0015]优选地，计算初始
NLFM
信号的相位具体包括：通过对对应窗口类型的功率谱密度谱
P(f)
进行积分，获得群时延函数
T
g
(f)
；计算逆群时延函数得到时间的频率函数
f(t)
；对频率函数
f(t)
进行积分，获得初始
NLFM
信号的相位
。
[0016]优选地，逆群时延函数通过数值方法求解
。
[0017]优选地，将目标函数进行采样点离散化处理，获得离散化的目标函数
。
[0018]优选地，采用最小二乘误差趋近方法求解
NLFM
信号数学模型具体包括：采用最小二乘误差趋近方法获得目标函数的偏导数
。
[0019]优选地，迭代算法中，迭代次数为目标函数趋于收敛时的迭代次数
。
[0020]本专利技术第二方面提供一种用于主动声呐探测的非线性调频信号设计装置，包括：
[0021]初始
NLFM
信号设计模块，配置用于利用相位驻留原理设计初始
NLFM
信号；
[0022]目标函数构建模块，配置用于关联待优化信号与初始
NLFM
信号，构建
NLFM
信号数学模型的目标函数；
[0023]数学模型求解模块，配置用于基于目标函数，采用最小二乘误差趋近方法求解
NLFM
信号数学模型；
[0024]迭代优化模块，配置用于结合迭代算法，获得优化的
NLFM
信号
。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于主动声呐探测的非线性调频信号设计方法，其特征在于，包括步骤：利用相位驻留原理设计初始
NLFM
信号；关联待优化信号与所述初始
NLFM
信号，构建
NLFM
信号数学模型的目标函数；基于所述目标函数，采用最小二乘误差趋近方法求解所述
NLFM
信号数学模型；结合迭代算法，获得优化的
NLFM
信号
。2.
根据权利要求1所述的用于主动声呐探测的非线性调频信号设计方法，其特征在于，所述目标函数基于最小二乘均方误差构建，具体表示为：其中，
χ
(f)
为频域中的待优化信号，
γ
(f)
为频域中的初始
NLFM
信号，即
γ
(f)
＝
|
γ
(f)|e
j
θ
(f)
其中，
|
γ
(f)|
是相应的振幅，
θ
(f)
是对应的相位
。3.
根据权利要求1所述的用于主动声呐探测的非线性调频信号设计方法，其特征在于，所述利用相位驻留原理设计初始
NLFM
信号前还包括：根据选定的信号窗口类型的功率谱密度谱，计算所述初始
NLFM
信号的相位；所述迭代算法对所述
NLFM
信号的相位进行优化，获得优化的
NLFM
信号
。4.
根据权利要求3所述的用于主动声呐探测的非线性调频信号设计方法，其特征在于，所述计算初始
NLFM
信号的相位具体包括：通过对对应窗口类型的功率谱密度谱
P(f)
进行积分，获得群时延函数
T
g
(f)
；计算逆群时延函数得到时间的频率函数
f(t)
；对频率函数
f(t)
进行积分，获得初始
NLFM
信号的相位

【专利技术属性】
技术研发人员：齐洁，洪晓兰，洪少华，叶焜，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：