[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种广义正弦频率调制（GSFM）波形，这是一种新型主动声呐波形，在保持传统正弦频率调制（SFM）波形多普勒敏感性的同时，通过修改瞬时频率使其类似于 chirp 波形，显著降低了距离旁瓣。结果得到的模糊函数（AF）接近图钉形状，显著提升了声呐系统中的目标分辨率和混响抑制性能。

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).

研究动机与目标

• 解决传统正弦频率调制（SFM）波形中存在的高距离旁瓣问题，该问题限制了主动声呐中的目标分辨率。
• 开发一种广义波形，保持 SFM 的多普勒敏感性，同时实现图钉形状的模糊函数。
• 实现 GSFM 在压电换能器上的实际应用，并评估其混响抑制能力。
• 为连续主动声呐（CAS）应用设计一族带内近似正交的 GSFM 波形。
• 探索脉冲串设计，实现在保持 CPI、TBP 和加速度容限之间平衡的前提下频繁重访目标场景。

提出的方法

• 通过修改 SFM 波形的瞬时频率（IF）使其遵循类似 chirp 的轨迹，降低因周期性引起的旁瓣。
• 使用相位函数的傅里叶级数表示来建模 GSFM 的频谱和模糊函数（AF）。
• 应用时间和频率加权，抑制 AF 中的旁瓣，提升时延-多普勒空间中的分辨率。
• 设计线性频率跳变脉冲串，以降低脉冲间的互相关性并抑制距离旁瓣。
• 实施一种处理框架，使目标场景每 PRI 重访一次，实现高 PRF 运行并获得无模糊的距离测量。
• 利用 GSFM 的恒包络和低峰均功率比（PAPR）特性，确保其与实际压电换能器的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 GSFM 波形是否能在保持 SFM 多普勒敏感性的前提下实现图钉形状的模糊函数？
• RQ2 GSFM 的 AF 性能与线性 FM 和步进频率波形等知名波形相比如何？
• RQ3 在实际声呐系统中，GSFM 波形在压电换能器上发射时存在哪些实际限制？
• RQ4 GSFM 脉冲串设计是否能有效抑制多目标距离旁瓣，同时支持高 PRF 运行？
• RQ5 GSFM 相位的傅里叶级数表示是否可被优化，以合成具有用户定义频谱和 AF 特性的波形？

主要发现

• GSFM 波形实现了图钉形状的模糊函数，与传统 SFM 波形相比，显著降低了距离旁瓣。
• GSFM 保持了高多普勒敏感性，能够有效实现速度分辨率和混响抑制，适用于主动声呐系统。
• GSFM 的恒包络和低 PAPR 特性使其在压电换能器上发射时不易产生失真，具备良好的实际适用性。
• 线性频率跳变的 GSFM 脉冲串有效降低了脉冲间的互相关性，显著抑制了多目标距离旁瓣。
• GSFM 波形设计支持高 PRF 运行并实现无模糊距离测量，克服了脉冲多普勒雷达和超声系统中的一个关键限制。
• GSFM 相位的傅里叶级数表示支持系统化分析，并具备通过优化实现定制化频谱和 AF 响应的潜力。