水声侦察是电子侦察的重要方向之一，注重所获取信号的保真度和信号特征的准确性。《水声侦察原理与技术》系统介绍水声侦察的概念内涵、侦察对象及信号特点，以及水声侦察的基本原理和方法，主要包括非合作水声信号截获检测基本理论、非合作水声信号特征获取及辨识等相关理论和方法。从信号处理的角度，系统地阐述非合作水声信号联合检测和估计理论，重点探讨主动探测声呐信号、水声通信信号和舰船辐射噪声信号的特点，侦察这些信号所利用的特征及其产生机理，以及针对被侦察信号特征的精细化高保真获取方法和辨识方法。

系统性、针对性强，涵盖水声侦察的主要问题。

目录
丛书序
自序
第1章水声侦察概述1
1.1水声侦察概念内涵1
1.2水声侦察对象1
1.2.1主动声呐信号侦察对象2
1.2.2辐射噪声侦察对象3
1.3水声侦察的工作要求与面临的问题5
1.3.1水声侦察的工作要求5
1.3.2水声侦察技术面临的问题6
第2章水声侦察信号特点分析7
2.1主动探测声呐信号及其特点7
2.1.1常用主动探测声呐信号波形7
2.1.2主动探测声呐信号的主要特征参数18
2.2水声通信信号及其特点20
2.2.1典型水声通信信号20
2.2.2水声通信信号的特征参数30
2.3舰船辐射噪声信号产生机理与特点31
2.3.1舰船辐射噪声信号产生机理31
2.3.2舰船辐射噪声信号频谱和空间分布33
2.3.3舰船辐射噪声信号侦察特征34
第3章水声侦察理论基础42
3.1水声侦察基本工作原理42
3.1.1主动声呐信号侦察基本工作原理42
3.1.2辐射噪声信号侦察基本工作原理42
3.2非合作水声信号截获检测与参数估计理论45
3.2.1复合假设检验46
3.2.2非合作水声信号联合检测和参数估计47
3.2.3基于局部先验信息的精细参数估计50
3.3水声信道传播对水声侦察的影响分析51
3.3.1水声信道传播特性分析51
3.3.2水声信道传播对水声信号的影响55
第4章主动探测声呐信号侦察技术57
4.1主动探测声呐信号时频分析方法57
4.1.1水声脉冲信号的线性时频分析58
4.1.2非合作水声脉冲信号的二次型时频表示59
4.1.3基于信号模糊域特征参数提取的自适应时频分析方法66
4.1.4基于时频分布客观评价的仿真与实测数据对比验证78
4.2窄带脉冲信号截获检测方法86
4.2.1常规能量检测器88
4.2.2基于时频估计的检测器89
4.2.3基于环境自学习的窄带信号检测方法95
4.3脉冲信号类型辨识与参数估计方法101
4.3.1时频图像去噪方法102
4.3.2脉冲信号时频特征提取方法113
4.3.3线性与非线性脉冲调制类型辨识方法125
4.3.4IQuinn-Rife综合CW脉冲信号中心频率估计方法137
4.3.5组合脉冲辨识方法150
第5章水声通信信号侦察技术151
5.1典型水声通信信号特征分析151
5.1.1MFSK信号线谱特征分析151
5.1.2MPSK信号线谱特征分析153
5.1.3DSSS信号自相关特征分析155
5.1.4OFDM信号自相关谱线特征分析157
5.2水声通信信号截获检测与类型辨识方法158
5.2.1非合作水声通信信号截获检测方法158
5.2.2非合作水声通信信号类型辨识方法159
5.3基于类型辨识的水声通信信号特征参数估计方法165
5.3.1MPSK信号载波频率估计方法165
5.3.2DSSS信号伪码周期估计方法169
5.3.3OFDM信号子载波数估计方法173
第6章目标辐射噪声侦察技术179
6.1目标辐射噪声高保真获取179
6.1.1畸变线列阵信号时延模型179
6.1.2阵形畸变对宽带波束形成的影响181
6.1.3测角误差对宽带波束形成的影响185
6.1.4基于阵形校正处理的宽带波束形成187
6.2辐射噪声连续谱特征提取195
6.2.1辐射噪声连续谱拟合195
6.2.2基于统计建模的辐射噪声连续谱特征提取198
6.3辐射噪声稳定线谱特征提取200
6.3.1辐射噪声线谱检测201
6.3.2基于图像处理的辐射噪声稳定线谱提取204
6.3.3辐射噪声线谱起伏特性分析214
6.4辐射噪声解调谱特征提取232
6.4.1辐射噪声调制特性分析232
6.4.2基于先验信息的辐射噪声宽带解调233
6.5多目标信号特征互扰及互扰特征消除243
6.5.1多目标信号特征互扰产生机理243
6.5.2多目标互扰特征辨识及消除方法249
第7章水声侦察综合处理与数据管理260
7.1基于局部先验信息的水声侦察后期处理260
7.2水声侦察目标确认与特征纯化263
7.3水声侦察数据质量评价264
参考文献266
索引273
彩图

第1章 水声侦察概述
　　水声侦察作为水下信息战的重要手段，是获取与积累水声情报信息必不可少的途径。人们通过水声侦察对非合作的舰船辐射噪声、主动声呐脉冲等目标信号进行侦察，获取信号和目标特征参数，为判定目标的类型、工作状态、意图、威胁程度等提供信息依据，为水下信息数据库建设、水声技术与设备发展提供信息支持。
　　1.1水声侦察概念内涵
　　水声侦察是指在远距离上直接通过对传播于空间的所关注目标有意或无意辐射的水声信号进行截获和处理，提取辐射信号和辐射源的特征参数，通过与数据库的匹配，对辐射信号和辐射源进行辨识，分析和判断辐射源的特性、能力、意图和威胁程度，为现场判断或情报收集获取有用信息。
　　水声侦察一般分为告警侦察和水声情报侦察两种类型。
　　告警侦察主要通过截获非合作目标辐射的水声信号，实时分析并获取信号参数，在水声情报侦察数据库的支持下，快速判明目标类型、位置、工作状态、意图、威胁程度等信息，为己方实施威胁告警，并及时采取规避、对抗及攻击等措施提供信息支持。
　　水声情报侦察对关注目标辐射的水声信号进行预先侦察，完整测定其各项特征参数，在后期进行综合分析与核对，确定辐射源的类型、技术特性与各项参数、用途、能力、意图、活动范围等，并将这些信息加入水声侦察数据库，为战时侦察处理、作战指挥人员制定作战策略等提供信息支援，为己方侦察技术的研究、水声设备的研制提供信息参考，为制订海上工作计划提供依据。
　　1.2水声侦察对象
　　水声侦察平台对象多样，如水面舰船、水下目标、探潜飞机、鱼雷、水下无人航行器、岸基声呐系统、浮标、潜标等，各种水中平台对应的信号类型繁多，包括各种平台运动过程中不可避免的辐射噪声信号以及为完成各自任务主动发射的各种声呐信号。
　　1.2.1主动声呐信号侦察对象
　　主动声呐信号包括探潜声呐信号、水声通信声呐信号、鱼雷寻的声呐信号、水下平台导航声呐信号、海洋环境测量声呐信号等，其来源多样、频率范围宽、形式复杂。
　　探潜声呐、鱼雷寻的声呐等都属于主动探测声呐，其基本原理是发射脉冲信号后，通过对目标反射回波的检测与参数估计实现目标探测以及距离、速度等目标特性测量。如图1-1所示，目前主动探测声呐主要采用单频或余弦波（cosine wave， CW）脉冲信号、线性调频（ linear frequency modulation， LFM）脉冲信号、双*调频（hyperbolic frequency modulation， HFM）脉冲信号、编码调相（code phase modulation， CPM）脉冲信号、伪随机噪声（ pseudo random noise， PRN）脉冲信号，以及由它们组成的组合脉冲信号等发射信号形式[1]。不同信号形式具有不同的特性，主动探测声呐通常根据模糊度和分辨性能等需求选择合适的信号形式。
　　图 1-1 主动探测声呐的信号类型图
　　侧扫声呐等海洋环境测量仪器同样通过发射脉冲信号实现海底地形、海水流速等测量，采用的信号形式与主动探测声呐类似，只是在信号参数的选择上有一定的区别。
　　水声通信声呐则利用发射信号实现消息的传递。目前水声通信系统中多采用数字调制技术，如图 1-2所示，常用的调制技术包括频移键控（ frequency shift keying， FSK）调制和相移键控（phase shift keying， PSK）调制，如多级频移键控（multi-frequency shift keying， MFSK）调制 [2，3]和 M元相移键控（ M-ary phase-shift keying， MPSK）调制。为了提高抗干扰抗多径能力以及隐蔽通信等性能，扩频（spread spectrum， SS）技术受到关注，SS技术主要包括直接序列扩频（direct sequence spread spectrum， DSSS）[4-6]、跳频扩频（frequency-hopped spread spectrum， FHSS）[7]等，其中 DSSS主要与 PSK调制方式相结合，FHSS主要与 FSK调制方式相结合。
　　进一步，为了能够提高通信速率，水声通信引入了多载波调制技术，如正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing， OFDM）技术，该技术具有频谱利用率高、抗多径能力强等优点[8，9]。
　　图 1-2 水声通信常用信号类型图
　　表 1-1是近二十年研发的比较有名的商用水声通信设备，可以看出它们采用的调制方式与图 1-2一致。
　　表 1-1 近二十年商用水声通信设备
　　注：WHOI为伍兹霍尔海洋研究所（ Woods Hole Oceanographic Institution）；DSP为数字信号处理（ digital signal processing）
　　1.2.2辐射噪声侦察对象
　　水中目标的辐射噪声组成复杂，是舰艇中多种噪声源与其所处的水介质共同作用后产生的噪声。水中目标主要的辐射噪声源包括推进器、转动和往复式机械、各种泵等，它们产生噪声的机理各不相同。辐射噪声主要包括机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声等，其中机械噪声、螺旋桨噪声和它们随目标空间行为状态的变化而产生的变化是水中目标辐射噪声的主要特征来源。
　　1．机械噪声特征
　　机械噪声是指舰船上各种机械的振动源激励水中船体，并通过船体向水中辐射而形成的水下噪声，是舰船辐射噪声在低频段的主要成分。种类多样、分布式的激励振动源及复杂的船体响应特性使得机械辐射噪声难以被简单的模型描述，但其信号形式可以看作是宽带信号和一些窄带信号的叠加。从信号特性上，机械噪声信号一般可看作近似平稳的随机噪声，因此可利用信号功率谱来刻画机械噪声信号。图 1-3为某船的机械噪声功率谱图，机械噪声在功率谱中表现为连续谱和线谱（图中箭头所指）的叠加。通过功率谱连续谱谱形、线谱等特征可以较好地表征机械噪声的特性。
　　图 1-3 某船的机械噪声功率谱图
　　2．螺旋桨噪声特征
　　螺旋桨噪声是由水中旋转的螺旋桨激励并辐射的噪声，包括螺旋桨空化噪声和桨叶振动所产生的噪声。螺旋桨噪声中包含了螺旋桨的转速和叶片数等信息，是调制噪声的主要来源。螺旋桨的周期调制是水声目标辐射噪声信号的重要特征。虽然水声目标并非按照螺旋桨的特征来分类，但是不同类型目标的螺旋桨参数和工况往往存在明显差异。因此，螺旋桨相关特征是进行目标区分的重要判据。
　　螺旋桨噪声是一种宽带辐射噪声，是舰船辐射噪声中连续谱的重要组成部分。非均匀流场中桨叶旋转对螺旋桨噪声进行了周期调制，使螺旋桨噪声信号的包络幅度产生周期起伏。图 1-4为某船螺旋桨噪声的解调谱，通过对螺旋桨噪声信号的包络分析可以获取螺旋桨转速和螺旋桨叶片数等信息。
　　图1-4 某船螺旋桨噪声的解调谱（四叶螺旋桨，转速：300r/min）
　　3．目标的空间及行为特征
　　在水声场环境中，目标的运动状态和空间位置也是目标的重要特征。目标的深度位置、航速、各种工况及其变化状态都会反映在目标辐射噪声的变化中，以及海洋信道的差异和变化中。
　　由于浅海信道的多路径效应，不同的简正波模式叠加有时会在功率谱上产生类梳状的结构，运动目标的接收信号则会在低频分析与记录（low frequency analysis and recording， LOFAR）谱图中形成强弱分明的干涉条纹，包含了不同深度运动目标时空信息。根据简正波理论，辐射噪声线谱幅度与声源和接收器的深度、声源和接收器之间的距离有着密切的关系，其中声源和接收器深度的波动是导致辐射噪声线谱幅度起伏的重要因素之一。不同深度声源的模式激励函数取值随深度的变化存在较大的差异，带来信号波动程度的差异。
　　1.3水声侦察的工作要求与面临的问题
　　1.3.1水声侦察的工作要求
　　水声侦察需要在非合作条件下适应各类侦察对象，并能准确获取特征或参数信息等，具有不同于主被动声呐的工作要求，包括：①能覆盖宽频率范围、全方位、全时段；②能够适应多种信号类型及大范围参数；③特征或参数获取方法能够与信号和平台类型匹配适应；④能够实现旁瓣或海底反射等弱信号的侦察；⑤能够在强干扰背景下完成信号或特征提取；⑥能够完成多维信息的综合配对；⑦能够完成侦察信号的波形或特征纯化。
　　另外，由于水声侦察的作用距离相较电子侦察近，需要抵近侦察才能获得高质量的信号。非合作舰艇等作战平台数量有限，主动声呐开机机会也少，相较于电磁信号空间的密集信号特点，单个节点水声侦察截获非合作声呐信号的机会十分有限，为覆盖足够的海区以实现情报收集，需要更大空间范围、更长时间的常态化侦察工作。
　　1.3.2水声侦察技术面临的问题
　　水声侦察新的需求、海上经济活动日益频繁带来的强背景干扰、水声信道的时空复杂多变以及水下航行体噪声控制、新型声呐、反侦察等技术的发展，使得水声侦察技术面临着其特有的诸多问题，需要不断发展以适应侦察对象的变化和新的使用要求。
　　水声侦察不断扩展的任务范围需要适应更为复杂的信号形式、更宽的参数动态范围以及更低的信噪比（有时只能接收到旁瓣信号或海底反射信号），为截获检测与参数估计技术带来了新的考验。
　　环境背景噪声、平台噪声以及其他舰船产生的干扰在低频更严重，对于无先验信息的水声侦察，容易导致低频侦察能力的降低和虚警。
　　信道传播、噪声干扰影响使得远距离水声信号发生严重畸变，会导致侦察参数估计及信号特征提取的失真。
　　主动探测声呐逐步采用组合脉冲等复杂信号形式以及灵活多变的信号形成机制，大大增加了非合作侦察特征提取、参数估计、类型判别的难度。
　　水声通信声呐通过信号频带的拓宽降低局部功率，采用直接序列扩频等伪随机信号降低被截获概率，使基于窄带信号能量检测的侦察技术难以获得精确的特征或参数。
　　水声对抗的大量使用导致水声侦察被水声对抗信号误导或者在针对诱骗发射干扰信号时侦察能力大幅下降直至停止侦察。
　　类似的问题都迫切需要加强对水声侦察信号处理方法的研究，掌握复杂信号形成机理、传播畸变规律，充分利用信号特性、信道特性等提高强干扰背景下低频信号/弱信号侦察、多种类复杂信号侦察适应及信号与平台识别等方面能力。通过自身平台航行状态与自噪声监测信息、海洋信道环境监测信息、工作海域合作与非合作目标的声呐类型分布信息、多声呐数据、雷达测量数据等更多信息的共享、综合分析和自适应处理来提高环境适应性，采用基于局部先验信息的处理技术以获得昀佳侦察性能。