一種被動(dòng)合成孔徑目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)和分辨方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種被動(dòng)合成孔徑目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)和分辨方法及系統(tǒng)，所述的方法包含：步驟101)構(gòu)造在拖線陣移動(dòng)下對(duì)目標(biāo)信號(hào)的運(yùn)動(dòng)多普勒接收模型；步驟102)依據(jù)被動(dòng)合成孔徑聲納算法利用陣列在固定的時(shí)間間隔發(fā)生相繼兩次運(yùn)動(dòng)時(shí)，分別對(duì)空間位置上重疊部分的水聽(tīng)器接收的目標(biāo)信號(hào)做互相關(guān)平均，然后對(duì)不同時(shí)間段各陣元接收的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行頻域波束形成處理；步驟103)對(duì)頻域波束形成后的輸出分頻帶進(jìn)行能量積分得到各時(shí)間段波束輸出；步驟104)按多普勒接收模型對(duì)時(shí)間延遲及空間位置移動(dòng)進(jìn)行相位估計(jì)，依據(jù)位估計(jì)獲取相位修正因子；步驟105)將分時(shí)間段各次相位修正因子用于補(bǔ)償所述波束輸出，對(duì)補(bǔ)償后的波束輸出相干組合累加并采用時(shí)間方位歷程圖實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)。
【專利說(shuō)明】一種被動(dòng)合成孔徑目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)和分辨方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水聲被動(dòng)聲納信號(hào)檢測(cè)方法和拖線陣被動(dòng)合成孔徑聲納(PassiveSynthetic Aperture Sonar, PSAS)技術(shù)用于目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)和分辨的算法,尤其涉及一種運(yùn)動(dòng)非重疊孔徑拖線陣被動(dòng)合成孔徑信號(hào)檢測(cè)方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，被動(dòng)聲納系統(tǒng)對(duì)低噪聲目標(biāo)的檢測(cè)變得越來(lái)越重要，且越來(lái)越困難，其檢測(cè)能力隨著安靜型目標(biāo)的出現(xiàn)和迅猛發(fā)展而受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)?？v觀聲納發(fā)展史，高分辨和高增益一直是聲納領(lǐng)域追求的目標(biāo)，為提高聲納探測(cè)距離，其工作頻段越來(lái)越低，而低頻條件下提高方位分辨力意味著更長(zhǎng)的水聽(tīng)器陣列，但由于拖曳過(guò)程中的穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性的限制，把基陣長(zhǎng)度增加到太大的量級(jí)是不現(xiàn)實(shí)的，被動(dòng)合成孔徑算法是解決此問(wèn)題的一種重要手段，其通過(guò)拖曳線列陣運(yùn)動(dòng)合成得到比實(shí)際孔徑大得多的合成孔徑陣列，依靠短陣的機(jī)動(dòng)突破陣列孔徑的限制，獲得更高的增益和更高的方位分辨力。依據(jù)水下艦船等目標(biāo)特性分析得知螺旋槳的槳葉切割海水產(chǎn)生單頻信號(hào)分量等線譜成分為合成一個(gè)比物理孔徑大得多的有效孔徑提供了可能，被動(dòng)合成孔徑聲納技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法為在陣列相繼兩次運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)空間位置上重疊部分的水聽(tīng)器接收信號(hào)做互相關(guān)平均，作為后此未重疊水聽(tīng)器接收信號(hào)的相位修正因子，將此相位修正因子用于運(yùn)動(dòng)陣相繼位置上的波束輸出的相干組合可得到擴(kuò)展的拖線陣等效長(zhǎng)度。由于實(shí)際水下復(fù)雜環(huán)境下介質(zhì)和路徑擾動(dòng)引起的陣列移動(dòng)偏差，常規(guī)被動(dòng)合成孔徑聲納算法相位修正補(bǔ)償在間隔時(shí)間固定的兩個(gè)連續(xù)位置上，陣元孔徑前后不完全重合，使得相位估計(jì)因子出現(xiàn)誤差甚至錯(cuò)誤，即PSAS算法如擴(kuò)展拖線尺寸算法進(jìn)行陣列擴(kuò)展中存在有重疊陣元位置約束問(wèn)題，導(dǎo)致不能有效檢測(cè)和分辨水下目標(biāo)信號(hào)。重疊陣元(孔徑)被動(dòng)合成孔徑聲納算法一般用于理想情況下目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)和分辨，考慮水聲信道等復(fù)雜因素影響，實(shí)際應(yīng)用中拖線陣維持恒定速度以保證連續(xù)測(cè)量時(shí)重疊水聽(tīng)器的空間位置相同難以滿足，不具有可行性、通用性及實(shí)用性，使被動(dòng)合成孔徑聲納常規(guī)信號(hào)檢測(cè)和分辨方法不能在工程合理得到應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于，被動(dòng)聲納拖曳線列陣應(yīng)用較短的基陣獲得幾倍到幾十倍的實(shí)際物理孔徑陣的增益和分辨力，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下弱目標(biāo)信號(hào)的有效檢測(cè)，并使得被動(dòng)合成孔徑技術(shù)有效應(yīng)用到工程實(shí)際中，即本發(fā)明提供了一種被動(dòng)合成孔徑目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)和分辨方法及系統(tǒng)。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種被動(dòng)合成孔徑目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)和分辨方法，該方法應(yīng)用被動(dòng)合成孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水下弱目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行有效檢測(cè)，所述的方法包含:
[0005]步驟101)構(gòu)造在拖線陣移動(dòng)下對(duì)目標(biāo)信號(hào)的運(yùn)動(dòng)多普勒接收模型；
[0006]步驟102)依據(jù)被動(dòng)合成孔徑聲納算法利用拖線陣陣列在固定的時(shí)間間隔發(fā)生相繼兩次運(yùn)動(dòng)時(shí)，分別對(duì)空間位置上重疊部分的水聽(tīng)器接收的目標(biāo)信號(hào)做互相關(guān)平均，即將接收的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行分時(shí)間段處理，分析每相鄰兩次時(shí)間段的接收信號(hào)，然后對(duì)不同時(shí)間段各陣元接收的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行頻域波束形成處理；
[0007]步驟103)對(duì)頻域波束形成后的輸出分頻帶進(jìn)行能量積分得到各時(shí)間段波束輸出；
[0008]步驟104)按拖線陣移動(dòng)下構(gòu)建的多普勒接收模型，分別對(duì)時(shí)間延遲及空間位置移動(dòng)進(jìn)行相位估計(jì)，并依據(jù)得到的相位估計(jì)獲取相位修正因子；
[0009]步驟105)將分時(shí)間段各次相位修正因子用于補(bǔ)償步驟103)的波束輸出，對(duì)補(bǔ)償后的波束輸出相干組合累加進(jìn)而獲得時(shí)間方位歷程圖，讀出目標(biāo)所在方位，將其方位記錄進(jìn)行處理及判別，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)。
[0010]上述技術(shù)方案中，所述重疊部分的水聽(tīng)器的具體重疊數(shù)目為拖線陣陣元總個(gè)數(shù)的一半。
[0011]上述技術(shù)方案中，所述相位修正因子為時(shí)間延遲估計(jì)和空間位置移動(dòng)相位估計(jì)的和。
[0012]上述技術(shù)方案中，所述步驟102)進(jìn)一步包含如下子步驟:
[0013]步驟102-1)依據(jù)被動(dòng)合成孔徑聲納算法利用拖線陣陣列在固定的時(shí)間間隔發(fā)生相繼兩次運(yùn)動(dòng)時(shí)，分別對(duì)空間位置上重疊部分的水聽(tīng)器接收信號(hào)做互相關(guān)平均，即將接收信號(hào)進(jìn)行分時(shí)間段處理，分析每相鄰兩次時(shí)間段的接收信號(hào)；
[0014]其中，該步驟還包含采用線譜檢測(cè)策略檢測(cè)接收的目標(biāo)信號(hào)中的有用的信號(hào)；
[0015]步驟102-2)然后對(duì)不同時(shí)間段各陣元接收信號(hào)進(jìn)行頻域波束形成處理。
[0016]上述技術(shù)方案中，所述步驟105)進(jìn)一步包含如下子步驟:
[0017]步驟105-1)依據(jù)步驟104)得到的“相位估計(jì)獲取相位修正因子”及步驟103)中“各時(shí)間段波束輸出”，分時(shí)間段處理，將各時(shí)間段的相位修正因子與對(duì)應(yīng)時(shí)間段波束輸出進(jìn)行相乘等處理，即完成對(duì)“分時(shí)間段各次相位修正因子用于補(bǔ)償步驟103)的波束輸出”；
[0018]步驟105-2)將上述各時(shí)間段的信號(hào)進(jìn)行疊加，即對(duì)補(bǔ)償后的波束輸出進(jìn)行相干組合累加進(jìn)而獲得時(shí)間方位歷程圖；
[0019]步驟105-3)再對(duì)時(shí)間方位歷程圖波束輸出進(jìn)行檢測(cè)，得到目標(biāo)波束對(duì)應(yīng)方位，具體為:將不同頻帶內(nèi)目標(biāo)波束對(duì)應(yīng)的檢測(cè)方位進(jìn)行記錄，將各頻帶內(nèi)存儲(chǔ)的方位進(jìn)行二次擬合，根據(jù)計(jì)算結(jié)果計(jì)算方位估計(jì)方差，將計(jì)算的方位估計(jì)方差與設(shè)定的檢測(cè)方差門(mén)限進(jìn)行比較，若小于門(mén)限，則檢測(cè)到的水聲目標(biāo)信號(hào)結(jié)果屬實(shí)，接收到水下目標(biāo)信號(hào)確實(shí)含有水聲目標(biāo)信號(hào)，否則檢測(cè)結(jié)果為虛警，接收到的信號(hào)中不含目標(biāo)信號(hào)，綜完成目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)和定位。
[0020]基于上述方法本發(fā)明提供了一種被動(dòng)合成孔徑目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)和分辨系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用被動(dòng)合成孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水下弱目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行有效檢測(cè)，所述的系統(tǒng)包含:
[0021]接受模型建立模塊，用于構(gòu)造在拖線陣移動(dòng)下對(duì)目標(biāo)信號(hào)的運(yùn)動(dòng)多普勒接收模型；
[0022]第一處理模塊，用于依據(jù)被動(dòng)合成孔徑聲納算法利用拖線陣陣列在固定的時(shí)間間隔發(fā)生相繼兩次運(yùn)動(dòng)時(shí)，分別對(duì)空間位置上重疊部分的水聽(tīng)器接收信號(hào)做互相關(guān)平均，即將接收信號(hào)進(jìn)行分時(shí)間段處理，分析每相鄰兩次時(shí)間段的接收信號(hào)，然后對(duì)不同時(shí)間段各陣元接收信號(hào)進(jìn)行頻域波束形成處理；[0023]第二處理模塊，用于對(duì)頻域波束形成后的輸出分頻帶進(jìn)行能量積分得到各時(shí)間段波束輸出；
[0024]時(shí)空相位修正因子獲取模塊，用于按拖線陣移動(dòng)下構(gòu)建的多普勒接收模型，分別對(duì)時(shí)間延遲及空間位置移動(dòng)進(jìn)行相位估計(jì)，并依據(jù)得到的相位估計(jì)獲取相位修正因子；和
[0025]運(yùn)動(dòng)相位誤差補(bǔ)償及檢測(cè)結(jié)果輸出模塊，用于將分時(shí)間段各次相位修正因子用于補(bǔ)償所述的波束輸出，對(duì)補(bǔ)償后的波束輸出進(jìn)行相干組合累加進(jìn)而獲得時(shí)間方位歷程圖，再由其時(shí)間方位歷程圖得到目標(biāo)波束對(duì)應(yīng)方位，完成目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)和定位。
[0026]上述技術(shù)方案中，所述重疊部分的水聽(tīng)器的具體重疊數(shù)目為拖線陣陣元總個(gè)數(shù)的一半。
[0027]上述技術(shù)方案中，所述相位修正因子為時(shí)間延遲估計(jì)和空間位置移動(dòng)相位估計(jì)的和。
[0028]上述技術(shù)方案中，所述第一處理模塊進(jìn)一步包含如下子模塊:
[0029]分時(shí)間段處理子模塊，用于依據(jù)被動(dòng)合成孔徑聲納算法利用拖線陣陣列在固定的時(shí)間間隔發(fā)生相繼兩次運(yùn)動(dòng)時(shí)，分別對(duì)空間位置上重疊部分的水聽(tīng)器接收信號(hào)做互相關(guān)平均，即將接收信號(hào)進(jìn)行分時(shí)間段處理，分析每相鄰兩次時(shí)間段的接收信號(hào)；和
[0030]頻域波束形成子模塊，用于對(duì)不同時(shí)間段各陣元接收信號(hào)進(jìn)行頻域波束形成處理。
[0031]上述技術(shù)方案中，所述運(yùn)動(dòng)相位誤差補(bǔ)償及檢測(cè)結(jié)果輸出模塊進(jìn)一步包含如下子模塊:
[0032]運(yùn)動(dòng)相位誤差補(bǔ)償子模塊，用于將分時(shí)間段各次相位修正因子補(bǔ)償波束輸出；
[0033]相干組合處理子模塊，用于對(duì)補(bǔ)償后的波束輸出進(jìn)行相干組合累加；和
[0034]檢測(cè)結(jié)果輸出子模塊，用于由時(shí)間方位歷程圖得到目標(biāo)波束對(duì)應(yīng)方位，完成目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)和定位。
[0035]其中，上述技術(shù)方案中時(shí)間方位歷程圖觀測(cè)是水聲信號(hào)檢測(cè)中常用方法，無(wú)需贅述，簡(jiǎn)要描述如下:時(shí)間方位歷程圖通過(guò)對(duì)連續(xù)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換而構(gòu)成，將原始信號(hào)的米樣序列進(jìn)行分巾貞處理(如分為100巾貞,每巾貞2000個(gè)點(diǎn)),巾貞間相互重疊50%,分別對(duì)各幀信號(hào)進(jìn)行波束形成處理，得到各幀對(duì)應(yīng)目標(biāo)方位，將各幀的時(shí)間聯(lián)合即得到時(shí)間方位歷程圖?？傊捎靡粡垥r(shí)間方位歷程圖可以讀出目標(biāo)所在方位，將其方位記錄進(jìn)行后續(xù)擬合處理及門(mén)限判別，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的有效檢測(cè)。
[0036]綜上所述，本發(fā)明提供了一種提出一種基于運(yùn)動(dòng)非重疊孔徑拖線陣被動(dòng)合成孔徑目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)和分辨方法，該方法避免由于復(fù)雜水聲環(huán)境影響而使拖曳線陣列難以維持恒定速度，繼而不能保證連續(xù)測(cè)量時(shí)重疊水聽(tīng)器的空間位置相同，提出的非重疊孔徑PSAS算法在相鄰時(shí)間間隔兩次移動(dòng)前后陣元不用完全重合，分別利用時(shí)延及空間位置移動(dòng)等相位修正因子能夠精確補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)相位誤差。所述的方案包括對(duì)水下艦船等目標(biāo)輻射噪聲的特性分析及拖線陣移動(dòng)下運(yùn)動(dòng)多普勒接收信號(hào)模型的構(gòu)建，考慮目標(biāo)信號(hào)可利用線譜檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)到有用信號(hào)，所述方法可利用頻域波束形成予以處理，通常針對(duì)寬頻帶信號(hào)進(jìn)行分析，提取該頻率范圍內(nèi)信號(hào)，繼而得到波束輸出，同時(shí)由于陣列運(yùn)動(dòng)接收時(shí)目標(biāo)頻率會(huì)發(fā)生多普勒頻移，具體考慮線列陣接收信號(hào)時(shí)多普勒頻域帶來(lái)的誤差，所述運(yùn)動(dòng)非重疊孔徑拖線陣被動(dòng)合成孔徑信號(hào)檢測(cè)方法可以直接用于相位延時(shí)補(bǔ)償，不用考慮陣元相互完全重疊。
[0037]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提出的一種基于運(yùn)動(dòng)非重疊孔徑拖線陣被動(dòng)合成孔徑目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)和分辨方法具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0038]一方面，該方法無(wú)需知道信號(hào)源的方位角、確切頻率和準(zhǔn)確的拖曳陣速度，通過(guò)相位估計(jì)補(bǔ)償修正即能合成水聽(tīng)器的接收數(shù)據(jù)，無(wú)需確保陣元位置必須完全重合，通過(guò)時(shí)間延遲及空間位置移動(dòng)可獲得相位修正補(bǔ)償因子，被動(dòng)合成孔徑算法應(yīng)用于信號(hào)檢測(cè)不受孔徑位置的約束限制，在波束域代替其在陣元域上進(jìn)行相位修正，直接用于相位修正補(bǔ)償；
[0039]另一方面，結(jié)合對(duì)水下艦船等目標(biāo)輻射噪聲特性的分析及拖線陣移動(dòng)下運(yùn)動(dòng)多普勒接收信號(hào)模型的構(gòu)建，其中分析艦船噪聲特性不僅為水下螺旋槳切割形成線譜信號(hào)的被動(dòng)合成孔徑技術(shù)奠定基礎(chǔ)，而且為后續(xù)信號(hào)檢測(cè)對(duì)拖船噪聲抵消等技術(shù)提供理論參考；陣列移動(dòng)的多普勒接收信號(hào)模型構(gòu)建對(duì)信號(hào)形成、陣元移動(dòng)接收等作清晰認(rèn)識(shí)，更加明確被動(dòng)合成孔徑的合成陣列接收信號(hào)形成及相位修正補(bǔ)償方法；
[0040]其次，在所述方案中含線列陣接收信號(hào)時(shí)多普勒頻域帶來(lái)的誤差，綜合考慮其時(shí)間延遲、空間位置移動(dòng)、多普勒頻移等影響因子帶來(lái)的相位不一致，由于時(shí)間延遲及空間位置移動(dòng)只要保證相鄰時(shí)間間隔移動(dòng)前后兩次陣列有超過(guò)陣列長(zhǎng)度一半的孔徑長(zhǎng)度重合即可對(duì)其做修正補(bǔ)償，不必細(xì)化考慮陣列移動(dòng)重合位置，更不必要求陣列孔徑完全重合，避免由于陣元位置移動(dòng)偏差孔徑未完全重合而導(dǎo)致的檢測(cè)信號(hào)目標(biāo)方位不精確，拖線陣移動(dòng)中接收信號(hào)分時(shí)間段處理，對(duì)不同時(shí)間段拖線陣基陣各陣元接收信號(hào)進(jìn)行頻域波束形成處理，并對(duì)頻域波束形成后的輸出分頻帶進(jìn)行能量積分即可得到波束輸出；
[0041]最后，由于孔徑非重疊運(yùn)動(dòng)拖線陣被動(dòng)合成孔徑信號(hào)檢測(cè)方法可以直接用于相位延時(shí)補(bǔ)償，不用考慮陣元相互完全重疊，應(yīng)用較短的基陣獲得幾倍到幾十倍的實(shí)際物理孔徑陣的增益和分辨力，對(duì)水下弱目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)能力優(yōu)異，速度較快，其具有一定的工程實(shí)用性。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0042]圖1是本發(fā)明利用水平線列陣對(duì)水下目標(biāo)的輻射噪聲進(jìn)行噪聲檢測(cè)的簡(jiǎn)圖；
[0043]圖2是本發(fā)明的基于運(yùn)動(dòng)拖線陣陣元移動(dòng)重疊(孔徑未完全重疊)被動(dòng)合成孔徑原理圖；
[0044]圖3是運(yùn)動(dòng)非重疊孔徑拖線陣被動(dòng)合成孔徑信號(hào)檢測(cè)及分辨方法流程圖【具體實(shí)施方式】
[0045]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，詳細(xì)闡述此方法在孔徑未完全重疊時(shí)相位修正補(bǔ)償?shù)墓ぷ髁鞒獭?br> [0046]本發(fā)明提出一種基于運(yùn)動(dòng)非重疊孔徑拖線陣被動(dòng)合成孔徑目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)和分辨方法，避免由于復(fù)雜水聲環(huán)境影響而使拖曳線陣列難以維持恒定速度，繼而不能保證連續(xù)測(cè)量時(shí)重疊水聽(tīng)器的空間位置相同，即提出的非重疊孔徑PSAS算法不必要求相鄰時(shí)間間隔兩次移動(dòng)前后陣元完全重合，分別利用時(shí)間延遲及空間位置移動(dòng)等時(shí)空聯(lián)合相位修正能夠精確補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)相位誤差。本發(fā)明提供一種被動(dòng)合成孔徑算法可以直接用于相位延時(shí)補(bǔ)償，不用考慮陣元相互完全重疊，對(duì)水下弱目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)能力優(yōu)異，速度較快，其具有一定的工程實(shí)用性。
[0047]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種運(yùn)動(dòng)非重疊孔徑拖線陣被動(dòng)合成孔徑目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)和分辨方法，其特征在于綜合考慮實(shí)際水聲復(fù)雜水聲環(huán)境中拖線陣運(yùn)動(dòng)不規(guī)則導(dǎo)致陣元孔徑不完全重疊的情況下，能夠?qū)λ氯跄繕?biāo)信號(hào)進(jìn)行有效檢測(cè)，所述方法包含如下步驟:
[0048]步驟(1)以水下艦船等目標(biāo)輻射噪聲特性分析為基礎(chǔ)構(gòu)造信號(hào)在拖線陣移動(dòng)下運(yùn)動(dòng)多普勒接收模型；
[0049]步驟(2)在構(gòu)建信號(hào)接收模型的基礎(chǔ)上，考慮將拖線陣移動(dòng)中實(shí)際接收信號(hào)進(jìn)行分時(shí)間段處理，對(duì)不同時(shí)間段拖線陣基陣各陣元接收信號(hào)進(jìn)行頻域波束形成處理；
[0050]步驟(3)對(duì)步驟(2)頻域波束形成后的輸出分頻帶進(jìn)行能量積分得到波束輸出；
[0051]步驟⑷分別對(duì)步驟⑵和步驟(3)中由于分時(shí)間段處理引起的時(shí)間延遲及由于空間位置移動(dòng)進(jìn)行相位估計(jì)；
[0052]步驟(5)將步驟(4)中分時(shí)間段的各次相位修正因子用于步驟(3)波束輸出補(bǔ)償，相干組合輸出得到目標(biāo)波束對(duì)應(yīng)方位，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的有效檢測(cè)。
[0053]上述技術(shù)方案中，所述步驟(2)和步驟(3)還考慮線列陣接收信號(hào)時(shí)多普勒頻域帶來(lái)的誤差，綜合考慮時(shí)間延遲、空間位置移動(dòng)、多普勒頻移等影響因子帶來(lái)的相位不一致，由于時(shí)間延遲及空間位置移動(dòng)只要保證相鄰時(shí)間間隔移動(dòng)前后兩次陣列有超過(guò)陣列長(zhǎng)度一半的孔徑長(zhǎng)度重合即可對(duì)其做修正補(bǔ)償，不必細(xì)化考慮陣列移動(dòng)重合位置，更不必要求陣列孔徑完全重合，避免由于陣元位置移動(dòng)偏差孔徑未完全重合而導(dǎo)致的檢測(cè)信號(hào)目標(biāo)方位不精確。
[0054]上述技術(shù)方案中，所述步驟(1)進(jìn)一步包含對(duì)水下艦船噪聲的分析及拖線陣移動(dòng)下運(yùn)動(dòng)多普勒接收信號(hào)模型的構(gòu)建:其中分析艦船噪聲特性不僅為水下螺旋槳切割形成線譜信號(hào)的被動(dòng)合成孔徑技術(shù)奠定基礎(chǔ)，而且為后續(xù)信號(hào)檢測(cè)對(duì)拖船噪聲抵消等技術(shù)提供理論參考；陣列移動(dòng)的多普勒接收信號(hào)模型構(gòu)建對(duì)信號(hào)形成、陣元移動(dòng)接收等作清晰認(rèn)識(shí)，為被動(dòng)合成孔徑的合成陣列接收信號(hào)分析及相位補(bǔ)償指明思路。
[0055]船體的機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲以及水動(dòng)力噪聲是艦船船噪聲的三種主要來(lái)源，其中機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲是艦船噪聲的主要聲源。機(jī)械噪聲是航行或行業(yè)艦船上的各種機(jī)械振動(dòng)，通過(guò)船體向水中輻射而形成的噪聲，由于各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)形式的不同，其產(chǎn)生的水下輻射噪聲性質(zhì)也就不同，此噪聲可以看成是強(qiáng)線譜和弱連續(xù)譜的迭加；螺旋槳噪聲是由旋轉(zhuǎn)著的螺旋槳所輻射的噪聲，包括螺旋槳空化噪聲和螺旋槳葉片振動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲，往往是艦船輻射噪聲高頻段的主要部分；水動(dòng)力噪聲由不規(guī)則的、起伏的海流流過(guò)運(yùn)動(dòng)船只表面而形成，是水流動(dòng)力作用于艦船的結(jié)果，在強(qiáng)度方面一般被機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲所掩
至Jhl o
[0056]水下艦輻射噪聲譜特性與頻率、航速、深度有關(guān)，低航速時(shí)譜的低頻端主要為機(jī)械噪聲和螺旋槳葉片速率 譜線，隨著頻率增高，該譜線不規(guī)則地降低；航速較高時(shí)螺旋槳空化噪聲的連續(xù)譜更為重要，掩蓋了很多線譜。艦船輻射噪聲信號(hào)的總的功率譜可以寫(xiě)成寬帶連續(xù)譜與線譜的和:
[0057]G (t, f) =Gs (f) +Gl (f) +2m (t) m (f) Gs (f)
[0058]式中Gs(f)表示平穩(wěn)連續(xù)功率譜，Gl(f)表示線譜部分,〗!!^!:)!]!^#^;^表示非平穩(wěn)時(shí)變譜，m(t)和m(f)分別為調(diào)制函數(shù)和調(diào)制深度譜。對(duì)于艦船輻射噪聲而言，給定的航速和深度下，譜的主要成分與臨界頻率有關(guān)，通常的艦船臨界頻率約在100-?000Ηζ之間，低于此頻率時(shí),譜的主要成分時(shí)船的機(jī)械和螺旋槳的線譜,高于此頻率時(shí),譜的主要成分則是螺旋槳空化的連續(xù)噪聲譜。依據(jù)研究表明，艦船輻射噪聲的頻域特性是寬帶連續(xù)譜與窄帶線譜的迭加，窄帶譜線主要集中在IkHz以下，而寬帶連續(xù)譜則覆蓋了多個(gè)倍頻程。
[0059]實(shí)際測(cè)量中由于目標(biāo)信號(hào)與接收陣列水聽(tīng)器相互運(yùn)動(dòng)，存在多普勒信號(hào)接收問(wèn)題。圖1(見(jiàn)【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】)為利用水平線列陣對(duì)水下目標(biāo)的輻射噪聲進(jìn)行噪聲檢測(cè)的簡(jiǎn)圖，艦船或被測(cè)目標(biāo)經(jīng)過(guò)水平線列陣時(shí)，對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行采樣，完成對(duì)噪聲源的檢測(cè)。對(duì)于N個(gè)基元組成的線列陣，由于拖曳速度的存在相互運(yùn)動(dòng)，使接收到的信號(hào)與輻射聲源存在頻率不一致情況，且相對(duì)聲源運(yùn)動(dòng)接收頻率變高，背離聲源運(yùn)動(dòng)接收頻率變低。
[0060]對(duì)于輻射噪聲信號(hào)s (t)復(fù)包絡(luò)可以表示為
[0061]
【權(quán)利要求】
1.一種被動(dòng)合成孔徑目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)和分辨方法，該方法應(yīng)用被動(dòng)合成孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水下弱目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行有效檢測(cè)，所述的方法包含: 步驟101)構(gòu)造在拖線陣移動(dòng)下對(duì)目標(biāo)信號(hào)的運(yùn)動(dòng)多普勒接收模型； 步驟102)依據(jù)被動(dòng)合成孔徑聲納算法利用拖線陣陣列在固定的時(shí)間間隔發(fā)生相繼兩次運(yùn)動(dòng)時(shí)，分別對(duì)空間位置上重疊部分的水聽(tīng)器接收的目標(biāo)信號(hào)做互相關(guān)平均，即將接收的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行分時(shí)間段處理，分析每相鄰兩次時(shí)間段的接收信號(hào)，然后對(duì)不同時(shí)間段各陣元接收的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行頻域波束形成處理； 步驟103)對(duì)頻域波束形成后的輸出分頻帶進(jìn)行能量積分得到各時(shí)間段波束輸出；步驟104)按拖線陣移動(dòng)下構(gòu)建的多普勒接收模型，分別對(duì)時(shí)間延遲及空間位置移動(dòng)進(jìn)行相位估計(jì)，并依據(jù)得到的相位估計(jì)獲取相位修正因子； 步驟105)將分時(shí)間段各次相位修正因子用于補(bǔ)償步驟103)的波束輸出，對(duì)補(bǔ)償后的波束輸出相干組合累加進(jìn)而獲得時(shí)間方位歷程圖，讀出目標(biāo)所在方位，將其方位記錄進(jìn)行處理及判別，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被動(dòng)合成孔徑目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)和分辨方法，其特征在于，所述重疊部分的水聽(tīng)器的具體重疊數(shù)目為拖線陣陣元總個(gè)數(shù)的一半，且能有效避免由于拖線陣難以維持恒定速度而無(wú)法保證連續(xù)測(cè)量時(shí)水聽(tīng)器的空間位置完全重疊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被動(dòng)合成孔徑目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)和分辨方法，其特征在于，所述相位修正因子為時(shí)間延遲估計(jì)和空間位置移動(dòng)相位估計(jì)的和。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被動(dòng)合成孔徑目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)和分辨方法，其特征在于，所述步驟102)進(jìn)一步包含如下子步驟: 步驟102-1)依據(jù)被動(dòng)合成孔徑聲納算法利用拖線陣陣列在固定的時(shí)間間隔發(fā)生相繼兩次運(yùn)動(dòng)時(shí)，分別對(duì)空間位置上重疊部分的水聽(tīng)器接收信號(hào)做互相關(guān)平均，即將接收信號(hào)進(jìn)行分時(shí)間段處理，分析每相鄰兩次時(shí)間段的接收信號(hào)； 其中，該步驟還包含采用線譜檢測(cè)策略檢測(cè)接收的目標(biāo)信號(hào)中的有用的信號(hào)； 步驟102-2)然后對(duì)不同時(shí)間段各陣元接收信號(hào)進(jìn)行頻域波束形成處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被動(dòng)合成孔徑目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)和分辨方法，其特征在于，所述步驟105)進(jìn)一步包含如下子步驟: 步驟105-1)依據(jù)步驟104)得到的“相位估計(jì)獲取相位修正因子”及步驟103)中“各時(shí)間段波束輸出”，分時(shí)間段處理，將各時(shí)間段的相位修正因子與對(duì)應(yīng)時(shí)間段波束輸出進(jìn)行相乘等處理，即完成對(duì)“分時(shí) 間段各次相位修正因子用于補(bǔ)償步驟103)的波束輸出”； 步驟105-2)將上述各時(shí)間段的信號(hào)進(jìn)行疊加，即對(duì)補(bǔ)償后的波束輸出進(jìn)行相干組合累加進(jìn)而獲得時(shí)間方位歷程圖； 步驟105-3)再對(duì)時(shí)間方位歷程圖波束輸出進(jìn)行檢測(cè)，得到目標(biāo)波束對(duì)應(yīng)方位，具體為:將不同頻帶內(nèi)目標(biāo)波束對(duì)應(yīng)的檢測(cè)方位進(jìn)行記錄，將各頻帶內(nèi)存儲(chǔ)的方位進(jìn)行二次擬合，根據(jù)計(jì)算結(jié)果計(jì)算方位估計(jì)方差，將計(jì)算的方位估計(jì)方差與設(shè)定的檢測(cè)方差門(mén)限進(jìn)行比較，若小于門(mén)限，則檢測(cè)到的水聲目標(biāo)信號(hào)結(jié)果屬實(shí)，接收到水下目標(biāo)信號(hào)確實(shí)含有水聲目標(biāo)信號(hào)，否則檢測(cè)結(jié)果為虛警，接收到的信號(hào)中不含目標(biāo)信號(hào)，綜完成目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)和定位。
6.一種拖線陣運(yùn)動(dòng)非重疊孔徑的被動(dòng)合成孔徑目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)和分辨系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用被動(dòng)合成孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水下弱目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行有效檢測(cè)，所述的系統(tǒng)包含:接受模型建立模塊，用于構(gòu)造在拖線陣移動(dòng)下對(duì)目標(biāo)信號(hào)的運(yùn)動(dòng)多普勒接收模型；第一處理模塊，用于依據(jù)被動(dòng)合成孔徑聲納算法利用拖線陣陣列在固定的時(shí)間間隔發(fā)生相繼兩次運(yùn)動(dòng)時(shí)，分別對(duì)空間位置上重疊部分的水聽(tīng)器接收信號(hào)做互相關(guān)平均，即將接收信號(hào)進(jìn)行分時(shí)間段處理，分析每相鄰兩次時(shí)間段的接收信號(hào)，然后對(duì)不同時(shí)間段各陣元接收信號(hào)進(jìn)行頻域波束形成處理； 第二處理模塊，用于對(duì)頻域波束形成后的輸出分頻帶進(jìn)行能量積分得到各時(shí)間段波束輸出； 時(shí)空相位修正因子獲取模塊，用于按拖線陣移動(dòng)下構(gòu)建的多普勒接收模型，分別對(duì)時(shí)間延遲及空間位置移動(dòng)進(jìn)行相位估計(jì)，并依據(jù)得到的相位估計(jì)獲取相位修正因子；和 運(yùn)動(dòng)相位誤差補(bǔ)償及檢測(cè)結(jié)果輸出模塊，用于將分時(shí)間段各次相位修正因子用于補(bǔ)償所述的波束輸出，對(duì)補(bǔ)償后的波束輸出進(jìn)行相干組合累加進(jìn)而獲得時(shí)間方位歷程圖，再由其時(shí)間方位歷程圖得到目標(biāo)波束對(duì)應(yīng)方位，完成目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)和定位。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的被動(dòng)合成孔徑目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)和分辨系統(tǒng)，其特征在于，所述重疊部分的水聽(tīng)器的具體重疊數(shù)目為拖線陣陣元總個(gè)數(shù)的一半。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的被動(dòng)合成孔徑目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)和分辨方法，其特征在于，所述相位修正因子為時(shí)間延遲估計(jì)和空間位置移動(dòng)相位估計(jì)的和。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的被動(dòng)合成孔徑目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)和分辨系統(tǒng)，其特征在于，所述第一處理模塊進(jìn)一步包含如下子模塊: 分時(shí)間段處理子模塊，用于依據(jù)被動(dòng)合成孔徑聲納算法利用拖線陣陣列在固定的時(shí)間間隔發(fā)生相繼兩次運(yùn)動(dòng)時(shí)，分別對(duì)空間位置上重疊部分的水聽(tīng)器接收信號(hào)做互相關(guān)平均，即將接收信號(hào)進(jìn)行分時(shí)間段處理，分析每相鄰兩次時(shí)間段的接收信號(hào)；和頻域波束形成子模塊，用于對(duì)不同時(shí)間段各陣元接收信號(hào)進(jìn)行頻域波束形成處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被動(dòng)合成孔徑目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)和分辨方法，其特征在于，所述運(yùn)動(dòng)相位誤差補(bǔ)償及檢測(cè)結(jié)果輸出模塊進(jìn)一步包含如下子模塊: 運(yùn)動(dòng)相位誤差補(bǔ)償子模塊，用于將分時(shí)間段各次相位修正因子補(bǔ)償波束輸出； 相干組 合處理子模塊，用于對(duì)補(bǔ)償后的波束輸出進(jìn)行相干組合累加；和檢測(cè)結(jié)果輸出子模塊，用于由時(shí)間方位歷程圖得到目標(biāo)波束對(duì)應(yīng)方位，完成目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)和定位。
【文檔編號(hào)】G01S7/539GK103529441SQ201210227963
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2012年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月2日
【發(fā)明者】趙閃, 陳新華, 余華兵 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所