水下目标前向声散射探测的多普勒域直达波抑制机制研究

Acoustic forward-scattering is mainly utilized to detect submerged targets around or intruding the bistatic source‒receiver line, and able to fill the blind zone in bistatic sonar. When a submerged target intrudes the bistatic source‒receiver line, its forward-scattered signal contains Doppler-shift. However, there is a prominent problem to overcome before utilizing the Doppler-shift to detect the intruder that the direct-blast interference is severe. In view of this problem, characteristics of the forward-scattered Doppler-shift during the process of the target crossing the source‒receiver line are firstly summarized and analyzed. Secondly, distinguishes in frequency domain (or Doppler domain) between the forward-scattered signal and the direct-blast are investigated. Then, two direct-blast suppression schemes are proposed upon these characteristics: the first one suppresses the direct-blast by reducing the sidelobe level of the direct-blast spectrum, and the second is capable of filtering out the direct-blast in the output of a pulse compression process. Doppler-shifts can be produced from both of the schemes. Sea trials are carried out to verify and evaluate these schemes in principle. This project will provide a Doppler domain approach for underwater target detection by acoustic forward-scattering, and has practical significance for underwater monitoring and defense for harbors and channels.

前向声散射主要用于探测双基地收发连线附近或入侵收发连线的水下运动目标，可以填补双基地声呐的探测盲区。当水下运动目标入侵双基地收发连线时，其前向声散射信号包含了目标的多普勒频移信息。然而利用该多普勒频移探测入侵目标时，需要克服一个突出问题：直达波干扰严重。针对这个核心问题，首先研究水下目标入侵收发连线时其前向散射多普勒频移的变化特点；其次研究前向声散射信号与直达波干扰在多普勒域的差异特征。然后基于这些差异特征提出两种直达波抑制机制：第一种通过降低直达波干扰的频谱旁瓣级的方式实现直达波抑制，第二种则是对直达波干扰进行脉冲压缩然后直接滤除。利用这两种处理机制可得到目标穿越收发连线时的多普勒频移。最后通过开展实验室测试和海上试验，对直达波抑制机制进行原理性检验和评估。本项目的开展将为水下运动目标的前向声散射探测提供一种多普勒域方案，对我国沿海重要港口及主要航道的水下警戒和防御具有重要应用价值。

前向声散射主要用于探测双基地收发连线附近或入侵收发连线的水下运动目标，既能够填补常规双基地声呐探测盲区，又能够独立地构成水下“声绊网”封锁港口、岛礁以及重要航道。水下运动目标入侵双基地收发连线，其前向声散射信号包含了目标的多普勒频移信息。然而，利用该多普勒频移探测入侵目标时，需要克服直透波（也称直达波）干扰问题。围绕该问题，本项目从理论分析、数学模型、处理算法、试验设计与结果分析等方面开展了系统的研究工作。主要结果与结论包括：（1）在已知目标航速条件下，前向散射多普勒频移的量级取决于声源发射频率、多普勒频移曲线的形状和演变趋势取决于目标航迹与收发连线交点位置和倾斜角度。（2）前向散射多普勒频移与CPA的多普勒频移具有不同的量级，且在目标距离收发端无穷远的极限状态下分别演变成单基地主动和被动探测情形。（3）由于目标前向散射信号的强度远小于直透波的强度，前向散射信号在多普勒频移域会被直透波频谱的旁瓣掩盖。（4）建立了LODAR图法，实现了前向散射多普勒频移与直透波干扰的分离，并完成水池测试和湖试验证。（5）建立了超空间坐标归零对消方法，实现了多普勒域直透波干扰滤除，并完成了初步海试验证。（6）基于信直比提出了干涉声场畸变量的概念并给出了理论计算公式，为直透波抑制效果评估或前向声散射探测性能评估提供了理论参考。本项目的研究成果有望为利用前向声散射探测水下运动目标提供一种多普勒域解决方案，对我国沿海重要港口及主要航道的水下警戒与防御具有重要应用价值。