[論文レビュー] The Generalized Sinusoidal Frequency Modulated Waveform for Active Sonar Systems

David A. Hague|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2018

Structural Health Monitoring Techniques被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、従来の正弦波周波数変調（SFM）波形のドップラー感度を維持しながら、 chirp に類似した瞬時周波数の変更により、距離 sidelobe を著しく低減する、一般化された正弦波周波数変調（GSFM）波形を紹介する。その結果、ピンヘッド型に近いあいまいさ関数（AF）が得られ、ソナー系におけるターゲット分解能とリバーブ抑制が顕著に向上する。

ABSTRACT

Pulse Compression (PC) active sonar waveforms provide a significant improvement in range resolution over single frequency sinusoidal waveforms also known as Continuous Wave (CW) waveforms. Since their inception in the 1940's, a wide variety of PC waveforms have been designed using either Frequency Modulation (FM), phase coding, or frequency hopping to suite particular sonar applications. The Sinusoidal FM (SFM) waveform modulates its Instantaneous Frequency (IF) by a single frequency sinusoid to achieve high Doppler sensitivity which also aids in suppressing reverberation. This allows the SFM waveform to resolve target velocities. While the SFM's resolution in range is inversely proportional to its bandwidth, the SFM's Auto-Correlation Function (ACF) contains many large sidelobes. The periodicity of the SFM's IF creates these sidelobes and impairs the SFM's ability to clearly distinguish multiple targets in range. This dissertation describes a generalization of the SFM waveform, referred to as the Generalized SFM (GSFM) waveform, that modifies the IF to resemble the time/voltage characteristic of a FM chirp waveform. As a result of this modification, the Doppler sensitivity of the SFM is preserved while substantially reducing the high range sidelobes producing a waveform whose Ambiguity Function (AF) approaches a thumbtack shape. This dissertation describes the properties of the GSFM's thumbtack AF shape, compares it to other well known waveforms with a similar AF shape, and additionally considers some of the practical considerations of active sonar systems including transmitting the GSFM on piezoelectric transducers and the GSFM's ability to suppress reverberation. Lastly, this dissertation also describes designing a family of in-band nearly orthogonal waveforms with potential applications to Continuous Active Sonar (CAS).

研究の動機と目的

• 従来の正弦波周波数変調（SFM）波形における高い距離 sidelobe 問題に対処し、アクティブソナーにおけるターゲット分解能を制限する要因を解消すること。
• SFM のドップラー感度を維持しながらピンヘッド型あいまいさ関数を実現する一般化波形の開発。
• GSFM を実用的な圧電素子に実装可能であることを確認し、リバーブ抑制性能を評価すること。
• 連続アクティブソナー（CAS）応用を想定し、帯域内ほぼ直交するGSFM波形のファミリーを設計すること。
• 繰り返しのターゲットシーン再訪問を可能にするとともに、CPI、TBP、加速度耐性のバランスを取るパルス列設計の検討。

提案手法

• SFM 波形の一般化を図り、その瞬時周波数（IF）を chirp 的な軌道に変更することで、周期性に起因する sidelobe を低減する。
• GSFM のスペクトルおよびあいまいさ関数（AF）をモデル化するため、位相関数のフーリエ級数展開を用いる。
• 時間的および周波数的トーピングを適用し、AF の側 lobes を抑制することで、遅延-ドップラー空間における分解能を向上させる。
• 線形周波数ホッピングパルス列を設計し、パルス間の相互相関を低減し、距離 sidelobe を効果的に抑制する。
• 1 PRI 毎にターゲットシーンを再訪問する処理フレームワークを実装し、非不審な距離測定が可能な高PRI動作を実現する。
• GSFM の定常包絡および低ピーク平均電力比（PAPR）を活用し、実用的な圧電素子への歪みのない送信を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GSFM 波形は、SFM のドップラー感度を維持しながらピンヘッド型あいまいさ関数を実現できるか？
• RQ2 GSFM の AF 性能は、線形FM やステップ周波数波形といった代表的な波形と比較してどのように評価できるか？
• RQ3 実際のソナー系において、圧電素子にGSFM 波形を送信する上での実用的制限要因は何か？
• RQ4 GSFM パルス列設計は、複数ターゲットの距離 sidelobe を効果的に抑制できるか、かつ高PRI動作を可能にするか？
• RQ5 GSFM 位相関数のフーリエ級数展開を最適化することで、ユーザー定義のスペクトルおよびAF特性を持つ波形の合成が可能か？

主な発見

• GSFM 波形はピンヘッド型あいまいさ関数を実現し、従来のSFM波形と比較して距離 sidelobe を顕著に低減した。
• GSFM は高いドップラー感度を維持しており、アクティブソナーにおける有効な速度分解能とリバーブ抑制を実現できる。
• GSFM の定常包絡および低PAPR特性により、歪みのない圧電素子への送信が可能である。
• 線形周波数ホッピングGSFM パルス列は、パルス間相互相関を低減し、複数ターゲットの距離 sidelobe を効果的に抑制した。
• GSFM 波形設計により、非不審な距離測定が可能な高PRI動作が実現され、パルスドップラーレーダーおよび超音波システムにおける主要な制限要因を克服した。
• GSFM 位相関数のフーリエ級数展開により、スペクトルおよびAF応答の系統的解析と、カスタム設計の可能性が開かれた。