面向跨水空介质通信的雷达水表面声波提取.pdf
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1、第 42 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.42,No.4Aug.,2023声学技术Technical Acoustics面向跨水空介质通信的雷达水表面声波提取符晓磊,夏伟杰,董诗琦(南京航空航天大学电子信息工程学院,江苏南京 211106)摘要:由于水空介质的非连续性,空中电磁波和水下声波都无法跨越该介质边界,所以无中继器跨水空介质通信一直是研究中的难点。水下声波会引起水空边界的微小振动即水表面声波(Water Surface Acoustic Wave,WSAW),而毫米波雷达能够实现对微动信号的高精度探测,因此文章提出了基于级联成像调频连续波(Frequency Modulated
2、 Continuous Wave,FMCW)雷达提取WSAW信号的方法。首先研究了WSAW的基本特征及FMCW雷达微动信号的提取原理;其次采用线性调频的水下声信号并结合匹配滤波技术来提高输出信噪比,针对大幅度自然扰动,提出了一种多角度积累结合阈值相位补偿的信号增强算法;最后在不同波高的扰动下进行实验,结果表明在1.5 cm的自然波动干扰下仍能提取WSAW信号,成像FMCW雷达偏过一定角度也能有效地进行通信,验证了文中所提方法的有效性。关键词:跨水空介质通信;级联成像调频连续波(FMCW)雷达;水表面声波(WSAW);匹配滤波中图分类号:TN911.7 文献标志码:A 文章编号:1000-363
3、0(2023)-04-0452-10Radar extraction of water surface acoustic wave for underwater-to-air communicationsFU Xiaolei,XIA Weijie,DONG Shiqi(College of Electronical and Information Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211106,Jiangsu,China)Abstract:Due to the discontinuity
4、 of water-air medium,neither the aerial electromagnetic wave nor the underwater acoustic wave can cross the water-air interface.Therefore,the communication across the water-air interface without a relay transceiver is always a research difficulty.However,the underwater acoustic wave will induce a sm
5、all vibration at the water-air interface,namely water surface acoustic wave(WSAW),and the millimeter-wave radar can realize high-precision detection of micro-motion signals.Therefore,a new method for extracting WSAW signals based on cascaded imaging Frequency Modulated Continuous Wave(FMCW)radar is
6、proposed in this paper.Firstly,the basic characteristics of WSAW and the theory of extracting the micro-motion signals with FMCW radar are studied,and secondly,the technique of underwater chirp acoustic signal combined with matched filtering technology is used to improve signal-to-noise ratio of the
7、 output signal.In response to large natural disturbances,a signal enhancement algorithm which combines the multi-angle accumulation with threshold phase compensation is put forward.Finally,the experiment is carried out under the disturbance of different wave heights,which verifies the effectiveness
8、of the method proposed in this paper.It also indicates that the WSAW signal can still be extracted successfully under the natural wave with 1.5 cm wave height,and verifies that this system can also communicate effectively when the imaging FMCW radar deviates from the horizontal position,which valida
9、tes the effectiveness of the proposed method.Key words:underwater-to-air communications;frequency modulated continuous wave(FMCW)radar;water surface acoustic wave(WSAW);matched filter0引 言随着技术的进步和对资源需求的快速增长,人们将目光投向了广阔的大海,对海洋的勘探活动日益增多。海洋不仅仅蕴藏着重要的物质资源,同样也是我国重要的战略资源,现代战争是科技战、信息战,拥有尖端的海洋军事科技往往可以掌握作战的主导权。
10、如何快速灵活有效地进行跨水空介质通信对于海洋资源的勘探和海上作战都非常重要。水下通信网络都面临着同一个问题:无法直接地跨水空介质通信。这是因为目前主流的无线信号载体在水空介质中传播特性差异很大1,例如电磁波由于海水较高的传导损耗在水中迅速衰减,而声波入射水空界面后几乎全部的能量都被反射回水中。因此水声技术仍然是实现水下目标探测、水下引用格式:符晓磊,夏伟杰,董诗琦.面向跨水空介质通信的雷达水表面声波提取J.声学技术,2023,42(4):452-461.FU Xiaolei,XIA Wei-jie,DONG Shiqi.Radar extraction of water surface aco
11、ustic wave for underwater-to-air communicationsJ.Technical Acoustics,2023,42(4):452-461.DOI:10.16300/ki.1000-3630.2023.04.007收稿日期:2022-04-14;修回日期:2022-06-17作者简介:符晓磊(1997),男,江苏无锡人,硕士研究生,研究方向为雷达目标微动分析、跨介质通信。通信作者:夏伟杰,E-mail:第 4 期符晓磊等:面向跨水空介质通信的雷达水表面声波提取航器通信的主流技术手段2-3。如今较为先进的水空通信网络依赖于自主式水下航行器潜入水下采集数据再浮上
12、水面发送数据4,整个过程耗时长、成本高,且隐蔽性差,存在军事应用方面的安全隐患5。在水面部署中继器也是一种常见的方法6,但其部署位置相对固定,灵活性较差。有学者还提出了基于蓝绿光的水下通信7,蓝绿光在海水中衰减较小,最大穿透度为600 m,为实现高速率通信提供了可能,但光在水中的传输环境复杂恶劣且需要高精度对准,同时海面的波动会使光束产生扩散和偏移,引起光信号的能量衰减甚至通信中断。当水下声源产生的声信号传播到水空边界时,水表面将产生沿水面横向传播的微幅波,该波动携带着水下声源的频率信息,很多学者称其为水表面声波(Water Surface Acoustic Wave,WSAW)8。由于WSA
13、W的振幅很小,无法通过常规的方法提取,有学者提出了水表面声波的激光相干探测9-10,同时激光能量密度很高,照射水面将产生激光声11,为水空的下行通信链路提供了一种新思路。麻省理工学院实验室首次提出了一种跨介质通信系统12,采用雷达提取WSAW信号以实现跨介质通信。本文提出了一种基于级联成像调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)雷达提取WASW信号的新方法,利用FMCW雷达13获得水表面波信息,再通过相关的信号处理提取出携带声源信息的WSAW信号并结合匹配滤波技术提高输出信噪比14。在该方法中,信号仍是以声信号的形式抵达水面,能量损失相对其
14、他形式的信号小;再通过雷达以非接触的方式探测水面微幅波的信息,解决了隐蔽性差的问题,也避免了蓝绿光需要高精度对准的问题,雷达只需要位于被声源激励的水面上方即可提取蕴含水下声源信息的WSAW信号。由于WSAW相对于水面自然扰动十分微弱,基于 FMCW 雷达的 WSAW 的提取非常具有挑战性。考虑到其在军事上的应用,这也是一项非常具有研究价值的工作。1基于FMCW雷达的WSAW信号提取原理当水下声源产生的声波传播到水空边界时,由于空气相对于水来说是一种绝对软介质,水表面将产生与声波频率一致的振动,我们称其为水表面声波(WSAW)。雷达目标通常在主体运动的同时还伴随着部分感兴趣目标的微动,例如导弹的
15、进动、直升机螺旋桨的转动、发动机的振动、人体的肢体摆动及呼吸心跳等15-17,这些微小运动会对雷达回波产生相位调制,使得目标主体运动产生的多普勒频率发生一定的频偏,这种效应称为微多普勒效应。水表面波由WSAW和自然扰动两部分构成,也是一种微动信号。本文考虑的自然扰动为厘米级,幅度相对其他微动较小,所以主要考虑水表面波对雷达回波的相位调制。雷达提取水表面声波系统的示意图如图1所示。WSAW 信号包含在雷达回波的相位信息中,如何提取和处理并检测蕴含着水下声源信息的WSAW信号是本文的重点。图2为基于FMCW雷达的WSAW信号提取处理流程图。本节主要讨论了水面相对平静时的WSAW信号的提取原理,考虑
16、将多通道中频信号sn处理为多角度原始相位Bm,由于水面扰动较小,中央波束对应的原始相位经带通滤波即可获得有效的WSAW信号。1.1水下声源激励水表面声波的理论模型声波传播到水空边界时将发生反射与折射的现图1 雷达提取水表面声波系统示意图Fig.1 Schematic diagram of radar system for extracting WSAW图2 WSAW信号提取处理流程图Fig.2 Flow chart of WSAW signal extraction4532023 年声学技术象,满足声压连续性条件,即:pi(rt)+pr(rt)=pt(rt)(1)式中:pi(rt)为入射声压,
17、pr(rt)为反射声压,pt(rt)为透射声压。水空边界的声反射系数R和折射系数D为 R=2c2-1c12c2+1c1-1D=22c22c2+1c15.610-4(2)式中:1c1为水介质的声阻抗,2c2为空气介质的声阻抗,分别约为1.56106 kg(m2s)-1,404.5 kg(m2s)-1。考虑声波垂直入射水面的情况,由式(2)可知,透射到空气中的声波非常微弱,可以忽略不计,入射声压pi近似等于反射声压pr。利用声阻抗的定义公式并结合入射声压和反射声压的关系,可得该处质点的运动速度的大小vs:vs=pi1c1+pr1c1=2pi1c1(3)设质点的角频率为s,则可推导9出该质点的振动幅
18、度As为As=vss=2pis1c1(4)由式(4)可以看出,振动幅度与入射声压成正比,与质点振动频率成反比。文献8中的研究表明:水下声源激励的WSAW中仅有与声源频率一致的波动才会有显著振幅,所以WSAW将携带水下声源的相关信息,为后续的雷达提取水面微动信号提供理论基础。由于声波引起的质点振幅相对其波长极小,可以用线性小振幅波理论来进行建模研究,根据该理论的相关推导9,水表面声波的二维波幅方程为(xt)=Ascos(ksx-st)(5)式中:x为水面切向坐标,ks为水表面波的波数,s为水表面波的角频率。水表面声波的恢复力主要由表面张力和重力构成9,其波长的色散关系可表示为2s=k3s+1gk
19、s1(6)式中:为水的表面张力,g为重力加速度。由于水介质的黏滞性,随着距离的传播,水表面声波的幅度也会逐渐衰减。在很多雷达系统中,通过发射如式(7)所示的线性调频信号,使得回波在经过脉冲压缩后有更高的增益。同样的,水下声源也可以采取以上方案,以获得更高的增益,使信号更容易被检测。所以将水下声源的发射信号SaT(t)进行如下调制:SaT(t)=expj 2(fs0t+12st2)0tTs(7)式中:fs0为起始频率,s为调频斜率,Ts为信号周期。采用时频分析18的方法可以更精确地分析线性调频信号,在本文中采用了短时傅里叶变换(Short-Time Fourier Transform,STFT)
20、,该变换是在给定信号上加滑动窗并做傅里叶变换以得到信号在不同时刻的频率信息。STFT的计算公式为STFTs(tf)=-s(u)g*(u-t)e-j2fudu(8)式中:s为信号,g为窗函数,*表示共轭。水表面波包含自然扰动和WSAW两部分。由于式(4)以及水介质黏滞性导致的横向衰减,声源引起的质点振幅As(t)将会随着线性调频信号频率的升高而减小;假设自然扰动的频率为fn,振幅为An,则水表面波R(t)表达式为R(t)=As(t)sin 2(fs0t+12st2)+s+Ansin()2fnt+n=Rs()t+Rn()t 0tTs(9)式中:s、n分别为WSAW与自然扰动的初始相位。根据式(4)
21、,由于声源功率限制,WSAW的振幅通常无法达到厘米级,同时受限于雷达测距的精度(1 m),在实验中控制声源功率和声源到水面的距离,保证WSAW的幅度在微米量级。水下目标噪声谱通常是比较复杂的,在提取WSAW信号时避免其干扰非常重要。由于水下目标噪声在水面产生的声压远小于实验中的水下声源产生的声压,如文献9中列举的某型常规动力潜艇在高航速的条件下引起的水面微幅波中心幅度仅为63 nm,所以一般的水下目标噪声在水面引起的振动对WSAW信号的干扰可以忽略。此外,由于WSAW幅度极小,且与幅度相差千倍的自然扰动叠加,虽然两者频率相差较大,可以通过频域滤波分离,但常规手段无法有效提取WSAW。本文提出了
22、一种基于FMCW雷达的水面微动提取方法。1.2FMCW雷达微动信号提取FMCW雷达通过发射连续线性调频信号来感知目标的位置信息。FMCW雷达微动信号提取本质上是对含有目标距离信息的差拍信号进行频率与初始相位的估计。FMCW雷达的发射接收信号如图3所示。图3中,fmin=f0-(B 2)是起始频率,T是调频周期,f0是中心频率,B是调频带宽,调频斜率=B T,为接收信号延时。发射信号ST(t)的表达式为454第 4 期符晓磊等:面向跨水空介质通信的雷达水表面声波提取ST(t)=expj2(f0-B2)t+t22 0tT(10)接收信号经过混频,滤除高频分量并忽略相关小量可以得到基带差拍信号sB(
23、t):sB(t)=expj2 t2Rc+(f0-B2)2Rc=expj2fBt+jB0tT(11)式中:fB为与距离相关的差频,B为差拍信号的初始相位,R表示目标距离。以下图416中的信号处理相关的结果均是实测数据处理所得。如图4所示,差拍信号为距离相关的单频信号,对其做距离维FFT,图中的黄线即为水面所在距离门。由此可知水面到雷达的距离为1.42 m,WSAW的振动信息包含在此距离门的相位B(t)中,令R=R0+R(t),将式(9)代入,则B(t)的表达式为B(t)=4(R0+Rn(t)+4Rs(t)=n(t)+s(t)(12)式中:为雷达的工作波长,R0为雷达到水面的距离(不含微动信息),
24、B(t)中包含自然扰动n(t)和WSAW相位s(t)两部分。由于自然扰动和WSAW的振动幅度相差很大,相差约103的数量级。这就限制了对于FMCW雷达波长的选择,一方面因为WSAW的幅度为微米级,要使这个量级的振动有效地反映在相位中,雷达波长应该选得更小;同时,相较于厘米级的水面自然扰动,若选择雷达的波长过小、频率过大(如THz),将导致相位变化过快,无法有效跟踪水面位移。因此在雷达提取水表面声波的系统中,选用了频率为77 GHz的FMCW雷达,其波长为3.9 mm,相对符合上述要求。自然扰动的振幅An和WSAW的振幅As虽然相差悬殊,但其在频率上区别明显,可以通过带通滤波将WSAW信号分离出
25、来,进一步分析其频率特性。除了幅度相差悬殊,自然扰动还会使回波的雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)剧烈起伏,影响WSAW信号的提取。所以选用了阵列FMCW雷达进行波束形成19,对多个相位中心的数据进行联合相干处理,实现空间上的选择性接收,即形成天线波束指向所期望的方向。考虑窄带平面波入射一维均匀直线阵,示意图如图5所示。入射信号形式为sn(t),阵元信号的矢量形式s如式(14)所示:sn(t)=sB(t)expjkdsin(n)n=01N-1(13)s=s0(t)s1(t)sN-1(t)(14)常规的非自适应波束形成为阵元信号的加权求和,可以通过对sn序列进行FFT
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