一種用于被動(dòng)合成孔徑的抑制窄帶干擾方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于被動(dòng)合成孔徑的抑制窄帶干擾方法，包括：對(duì)某一時(shí)刻拖線陣聲納采樣時(shí)陣元接收到的信號(hào)作FFT變換，估計(jì)窄帶干擾的中心頻率和干擾頻帶；對(duì)信號(hào)濾波，濾波后的信號(hào)重構(gòu)回時(shí)域；預(yù)設(shè)頻點(diǎn)補(bǔ)償總數(shù)；將信號(hào)做FFT變換以及頻域波束形成，對(duì)頻域波束形成結(jié)果進(jìn)行累加；運(yùn)動(dòng)一定時(shí)間后，對(duì)采樣信號(hào)做FFT變換以及頻域波束形成，對(duì)頻域波束形成結(jié)果進(jìn)行累加；計(jì)算總的相位修正補(bǔ)償，進(jìn)而得到擴(kuò)展虛擬陣列的輸出結(jié)果；將補(bǔ)償后的擴(kuò)展虛擬陣列的輸出結(jié)果進(jìn)行相干累加，獲得時(shí)間方位歷程圖，以對(duì)被測(cè)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)前的頻點(diǎn)補(bǔ)償次數(shù)是否是預(yù)設(shè)的頻點(diǎn)補(bǔ)償總數(shù)，否，改變當(dāng)前頻點(diǎn)值的大小，重新執(zhí)行，直至達(dá)到預(yù)設(shè)的頻點(diǎn)補(bǔ)償總數(shù)。
【專利說(shuō)明】一種用于被動(dòng)合成孔徑的抑制窄帶干擾方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及聲納領(lǐng)域，特別涉及一種用于被動(dòng)合成孔徑的抑制窄帶干擾方法及系 統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著低噪聲艦艇和聲隱身技術(shù)的發(fā)展，艦船等航行器的水下輻射噪聲和目標(biāo)強(qiáng)度 進(jìn)一步下降，傳統(tǒng)的被動(dòng)聲納對(duì)目標(biāo)的探測(cè)更加困難，且聲納的檢測(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)。
[0003] 隨著科技的發(fā)展，基于被動(dòng)合成孔徑技術(shù)的拖線陣聲納的研究成為水聲信號(hào)處理 領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問(wèn)題。拖曳線列陣聲納由于可以遠(yuǎn)離本艦自噪聲、可以不受孔徑限制，并能 變深拖曳利用水文條件，被廣泛用于水下目標(biāo)特性的測(cè)量，且由小孔徑陣列合成虛擬大孔 徑陣列的方法為解決低頻信號(hào)大孔徑聲納系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了有效途徑。被動(dòng)合成孔徑聲納 正是通過(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。
[0004] 拖線陣聲納載體通常以勻速直線運(yùn)動(dòng)的方式對(duì)目標(biāo)采取運(yùn)動(dòng)接收，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，及海浪、潮汐、風(fēng)等因素的影響，聲納載 體在進(jìn)行孔徑合成時(shí)，由于水聽(tīng)器陣列接收時(shí)與目標(biāo)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生多普勒運(yùn)動(dòng)頻偏， 會(huì)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)性能引起下降和處理增益帶來(lái)?yè)p失，因此解決多普勒頻偏是被動(dòng)合成孔徑 聲納運(yùn)動(dòng)相位補(bǔ)償?shù)闹饕獑?wèn)題之一。
[0005] 考慮對(duì)弱目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)時(shí)，頻率未知，在進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)時(shí)通常采用較小的步長(zhǎng)實(shí) 現(xiàn)頻率搜索補(bǔ)償，而由于窄帶干擾（即單一某頻率的干擾，區(qū)別于多頻率組合的寬帶干擾） 等因素的存在，導(dǎo)致目標(biāo)檢測(cè)時(shí)常常會(huì)出現(xiàn)誤判，因此如何有效抑制窄帶干擾，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn) 被動(dòng)合成該孔徑的頻率搜索補(bǔ)償成為解決問(wèn)題的一個(gè)著手點(diǎn)?，F(xiàn)有技術(shù)并未有任何有關(guān)由 于聲納載體與靜止/運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多普勒頻偏帶來(lái)的處理增益損失及檢測(cè)性能的降低且進(jìn) 一步窄帶干擾抑制等問(wèn)題進(jìn)行處理的技術(shù)手段。
[0006] 拖線陣相對(duì)于目標(biāo)以確定性規(guī)律運(yùn)動(dòng)是被動(dòng)合成孔徑聲納的基礎(chǔ)，現(xiàn)有技術(shù)的被 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，基于被動(dòng)合成孔徑技術(shù) 的拖線陣聲納、無(wú)人水下航行器等研究成為水聲信號(hào)處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問(wèn)題，考慮實(shí)際 應(yīng)用時(shí)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)及水聲信道等復(fù)雜因素影響，被動(dòng)合成孔徑相應(yīng)算法在處理有關(guān)問(wèn)題時(shí) 忽略多普勒頻偏的補(bǔ)償，不具有可行性、通用性及實(shí)用性，而目前對(duì)于窄帶干擾抑制技術(shù)主 要局限于時(shí)域的自適應(yīng)濾波技術(shù)，當(dāng)干擾信號(hào)頻繁出現(xiàn)時(shí)，通過(guò)調(diào)整濾波器系數(shù)很難有效 去除干擾，且由于濾波器系數(shù)發(fā)生微小改變時(shí)輸出會(huì)產(chǎn)生很大的變化，導(dǎo)致在信號(hào)處理中 實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性等無(wú)法實(shí)現(xiàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的窄帶干擾抑制技術(shù)對(duì)于干擾信號(hào)頻繁出現(xiàn) 的情況，很難有效去除干擾，信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性無(wú)法實(shí)現(xiàn)等缺陷，從而提供一種抑 制窄帶干擾方法。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用于被動(dòng)合成孔徑的抑制窄帶干擾方法， 包括：
[0009] 步驟1)、以水下目標(biāo)的輻射噪聲特性分析為基礎(chǔ)，構(gòu)造拖線陣運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)被測(cè)靜止 或運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行聲場(chǎng)空間采樣的接收模型；以及細(xì)化分析各陣元所接收信號(hào)，構(gòu)建直 角坐標(biāo)系；
[0010] 步驟2)、基于步驟1)所建立的接收模型，對(duì)某一時(shí)刻拖線陣聲納采樣時(shí)陣元接收 到的信號(hào)作FFT變換，將信號(hào)由陣元域處理轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄊ蛱幚?，然后估?jì)出窄帶干擾的中 心頻率和干擾頻帶；
[0011] 步驟3)、在步驟2)中確定窄帶干擾的中心頻率和干擾頻帶后，對(duì)步驟2)中經(jīng)過(guò) FFT變換的信號(hào)在由所述中心頻率與干擾頻帶所確定的頻域內(nèi)進(jìn)行濾波；然后將濾波后的 信號(hào)重構(gòu)回時(shí)域；
[0012] 步驟4)、預(yù)設(shè)頻點(diǎn)補(bǔ)償總數(shù)；
[0013] 步驟5)、將步驟3)中濾波后重構(gòu)回時(shí)域的信號(hào)做FFT變換以及頻域波束形成，接 著在當(dāng)前頻點(diǎn)上對(duì)各個(gè)陣元的頻域波束形成的輸出結(jié)果進(jìn)行累加；
[0014] 步驟6)、拖曳線列陣聲納在運(yùn)動(dòng)一定時(shí)間后，拖曳線列陣聲納進(jìn)行采樣操作，然后 對(duì)采樣時(shí)各個(gè)陣元所接收到的信號(hào)做FFT變換以及頻域波束形成，接著在當(dāng)前頻點(diǎn)上對(duì)各 個(gè)陣元的頻域波束形成的輸出結(jié)果進(jìn)行累加；
[0015] 其中，所述FFT變換時(shí)所涉及的FFT點(diǎn)數(shù)與步驟5)中的FFT點(diǎn)數(shù)相同；
[0016] 步驟7)、根據(jù)步驟6)所得到的結(jié)果計(jì)算空間移動(dòng)補(bǔ)償與時(shí)間延遲補(bǔ)償，將空間移 動(dòng)補(bǔ)償與時(shí)間延遲補(bǔ)償相加，得到陣列移動(dòng)前后總的相位修正補(bǔ)償，根據(jù)前一次補(bǔ)償?shù)慕Y(jié) 果與所述總的相位修正補(bǔ)償?shù)玫綌U(kuò)展虛擬陣列的輸出結(jié)果；
[0017] 步驟8)、將步驟7)得到的補(bǔ)償后的擴(kuò)展虛擬陣列的輸出結(jié)果進(jìn)行相干累加，獲得 時(shí)間方位歷程圖，利用該時(shí)間方位歷程圖對(duì)被測(cè)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，然后考察當(dāng)前的頻點(diǎn) 補(bǔ)償次數(shù)是否已經(jīng)達(dá)到了步驟4)中預(yù)設(shè)的頻點(diǎn)補(bǔ)償總數(shù)，如果未達(dá)到，改變當(dāng)前頻點(diǎn)值的 大小，然后重新執(zhí)行步驟5) -步驟7)，直至當(dāng)前的頻點(diǎn)補(bǔ)償次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)的頻點(diǎn)補(bǔ)償總 數(shù)。
[0018] 上述技術(shù)方案中，在所述的步驟1)中，所述構(gòu)建直角坐標(biāo)系包括：將拖曳線列陣 中第一個(gè)陣元的初始位置作為直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)，將輻射目標(biāo)作為點(diǎn)聲源。
[0019] 上述技術(shù)方案中，在所述的步驟1)中，所述接收模型包括：由拖纜連接的若干個(gè) 等間距的各向同性水聽(tīng)器形成一線列陣，該線列陣作勻速直線運(yùn)動(dòng)，以某一時(shí)刻第1號(hào)水 聽(tīng)器接收到的被測(cè)目標(biāo)信號(hào)為參考，其它水聽(tīng)器相對(duì)于被測(cè)目標(biāo)均有不同的距離，即其它 水聽(tīng)器接收到的被測(cè)目標(biāo)信號(hào)相對(duì)于1號(hào)水聽(tīng)器接收到的被測(cè)目標(biāo)信號(hào)有相應(yīng)的傳播時(shí) 延，運(yùn)動(dòng)一定時(shí)間間隔后，各個(gè)水聽(tīng)器再次對(duì)被測(cè)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行接收處理，根據(jù)各水聽(tīng)器與 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離得到各水聽(tīng)器接收的信號(hào)。
[0020] 上述技術(shù)方案中，在所述的步驟3)中，所述濾波采用中值濾波的方式。
[0021] 上述技術(shù)方案中，在所述的步驟8)中，對(duì)被測(cè)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)包括：
[0022] 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)方差門限 進(jìn)行比較，若小于門限，則檢測(cè)到的水聲目標(biāo)信號(hào)結(jié)果屬實(shí)，接收到的水下目標(biāo)信號(hào)中確實(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)，繼而完成對(duì)目標(biāo) 信號(hào)的檢測(cè)。
[0023] 上述技術(shù)方案中，在所述的步驟7)中，所述空間移動(dòng)補(bǔ)償根據(jù)移動(dòng)的距離得到。
[0024] 上述技術(shù)方案中，在所述的步驟7)中，所述時(shí)間延遲補(bǔ)償根據(jù)移動(dòng)相應(yīng)距離的時(shí) 間得到。
[0025] 上述技術(shù)方案中，在所述的步驟2)、步驟5)和步驟6)中，做FFT變換時(shí)的FFT點(diǎn) 數(shù)根據(jù)補(bǔ)償精度要求而定。
[0026] 本發(fā)明還提供了一種用于被動(dòng)合成孔徑的抑制窄帶干擾系統(tǒng)，用于包括多個(gè)陣元 的拖曳線列陣，該系統(tǒng)包括預(yù)處理模塊、窄帶干擾估計(jì)模塊、濾波模塊、頻點(diǎn)補(bǔ)償總數(shù)預(yù)設(shè) 模塊、信號(hào)處理模塊、延遲補(bǔ)償模塊、檢測(cè)模塊；其中，
[0027] 所述的預(yù)處理模塊以水下目標(biāo)的輻射噪聲特性分析為基礎(chǔ)，構(gòu)造拖線陣運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì) 被測(cè)靜止或運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行聲場(chǎng)空間采樣的接收模型；以及細(xì)化分析各陣元所接收信 號(hào)，構(gòu)建直角坐標(biāo)系；
[0028] 所述的窄帶干擾估計(jì)模塊基于所述預(yù)處理模塊所建立的接收模型，對(duì)某一時(shí)刻拖 線陣聲納采樣時(shí)陣元接收到的信號(hào)作FFT變換，將信號(hào)由陣元域處理轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄊ蛱幚恚?然后估計(jì)出窄帶干擾的中心頻率和干擾頻帶；
[0029] 所述濾波模塊對(duì)所述窄帶干擾估計(jì)模塊中經(jīng)過(guò)FFT變換的信號(hào)在由所述中心頻 率與干擾頻帶所確定的頻域內(nèi)進(jìn)行濾波；然后將濾波后的信號(hào)重構(gòu)回時(shí)域；
[0030] 頻點(diǎn)補(bǔ)償總數(shù)預(yù)設(shè)模塊用于預(yù)設(shè)頻點(diǎn)補(bǔ)償總數(shù)；
[0031] 信號(hào)處理模塊將所述濾波模塊中濾波后重構(gòu)回時(shí)域的信號(hào)做FFT變換以及頻域 波束形成，接著在當(dāng)前頻點(diǎn)上對(duì)各個(gè)陣元的頻域波束形成的輸出結(jié)果進(jìn)行累加；以及當(dāng)拖 曳線列陣聲納在運(yùn)動(dòng)一定時(shí)間后，拖曳線列陣聲納進(jìn)行采樣操作，然后由所述信號(hào)處理模 塊對(duì)采樣時(shí)各個(gè)陣元所接收到的信號(hào)做FFT變換以及頻域波束形成，接著在當(dāng)前頻點(diǎn)上對(duì) 各個(gè)陣元的頻域波束形成的輸出結(jié)果進(jìn)行累加；
[0032] 所述延遲補(bǔ)償模塊根據(jù)所述信號(hào)處理模塊所得到的結(jié)果計(jì)算空間移動(dòng)補(bǔ)償與時(shí) 間延遲補(bǔ)償，將空間移動(dòng)補(bǔ)償與時(shí)間延遲補(bǔ)償相加，得到陣列移動(dòng)前后總的相位修正補(bǔ)償， 根據(jù)前一次補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果與所述總的相位修正補(bǔ)償?shù)玫綌U(kuò)展虛擬陣列的輸出結(jié)果；
[0033] 所述檢測(cè)模塊將所述延遲補(bǔ)償模塊得到的補(bǔ)償后的擴(kuò)展虛擬陣列的輸出結(jié)果進(jìn) 行相干累加，獲得時(shí)間方位歷程圖，利用該時(shí)間方位歷程圖對(duì)被測(cè)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，然后 考察當(dāng)前的頻點(diǎn)補(bǔ)償次數(shù)是否已經(jīng)達(dá)到了所述頻點(diǎn)補(bǔ)償總數(shù)預(yù)設(shè)模塊預(yù)設(shè)的頻點(diǎn)補(bǔ)償總 數(shù)，如果未達(dá)到，改變當(dāng)前頻點(diǎn)值的大小，然后重新啟動(dòng)信號(hào)處理模塊，直至當(dāng)前的頻點(diǎn)補(bǔ) 償次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)的頻點(diǎn)補(bǔ)償總數(shù)。
[0034] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0035] 本發(fā)明方法對(duì)運(yùn)動(dòng)拖線陣陣列檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行有效補(bǔ)償，并抑制了窄帶干擾信 號(hào)，減少了目標(biāo)檢測(cè)時(shí)誤判概率，采用陣列處理將時(shí)間處理增益換取空間處理增益，能夠有 效提高對(duì)遠(yuǎn)距離、安靜型弱目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)能力，且經(jīng)過(guò)搜索頻率補(bǔ)償修正后的被動(dòng)合成 孔徑算法在復(fù)雜水聲環(huán)境下對(duì)水下弱目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)能力更優(yōu)異，檢測(cè)效果更佳，利于運(yùn)動(dòng) 信號(hào)檢測(cè)及拖船噪聲抵消等方法的合理使用，具有一定的工程實(shí)用性。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0036] 圖1是利用拖曳線列陣聲納運(yùn)動(dòng)下對(duì)水下目標(biāo)的輻射噪聲進(jìn)行檢測(cè)的簡(jiǎn)圖；
[0037] 圖2是研究窄帶干擾信號(hào)頻域分析歸一化頻率為非整數(shù)示意圖；
[0038] 圖3是本發(fā)明的用于被動(dòng)合成孔徑的抑制窄帶干擾方法的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0039] 現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0040] 在對(duì)本發(fā)明的方法做詳細(xì)說(shuō)明之前，為了便于理解，首先對(duì)本發(fā)明中所涉及的一 些概念做統(tǒng)一的說(shuō)明。
[0041] 時(shí)間方位歷程圖：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)的采樣序列進(jìn)行分幀處理(如分為100幀，每幀2000個(gè)點(diǎn)），幀間相互重 疊50%，然后分別對(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。采用一張時(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)擬合處理及門限判別，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的有效檢測(cè)。
[0042] 拖曳線列陣聲納：也稱"拖曳陣聲納"，它是將水聽(tīng)器鑲嵌在電纜上形成線列陣，由 拖曳電纜拖在艦艇尾后水中探測(cè)目標(biāo)的聲納。
[0043] 時(shí)間延遲補(bǔ)償：反映了拖曳線列陣聲納運(yùn)動(dòng)某一時(shí)間后，時(shí)間變化對(duì)不同時(shí)間的 兩次接收時(shí)頻域波束形成的影響。
[0044] 空間移動(dòng)補(bǔ)償：反映了拖曳線列陣聲納運(yùn)動(dòng)某一時(shí)間后，空間位置變化對(duì)不同時(shí) 間的兩次接收時(shí)頻域波束形成的影響。
[0045] 以上是對(duì)本發(fā)明中所涉及的相關(guān)概念的描述。
[0046] 圖1為利用拖曳線列陣聲納運(yùn)動(dòng)下對(duì)水下目標(biāo)的輻射噪聲進(jìn)行檢測(cè)的簡(jiǎn)圖，從該 圖中可以看出，拖曳線列陣擁有N個(gè)等間距為d的同向水聽(tīng)器(這些水聽(tīng)器也被稱為陣元)， 這些水聽(tīng)器在同一水平線上。當(dāng)艦船或被測(cè)目標(biāo)經(jīng)過(guò)拖曳線列陣時(shí)，拖曳線列陣對(duì)目標(biāo)輻 射噪聲信號(hào)進(jìn)行采樣，從而完成對(duì)噪聲源的檢測(cè)。具體的說(shuō)，拖曳線列陣做勻速直線運(yùn)動(dòng)， 速度為V，然后以t=0時(shí)刻第1號(hào)水聽(tīng)器陣元接收到的被測(cè)目標(biāo)信號(hào)為參考，其它陣元相 對(duì)于目標(biāo)均有不同的距離，即與1號(hào)陣元接收具有相應(yīng)的傳播時(shí)延，運(yùn)動(dòng)一定時(shí)間間隔后， 再次對(duì)被測(cè)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行接收處理，根據(jù)各陣元與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離來(lái)得到各陣元接收的信 號(hào)。
[0047] 對(duì)于N個(gè)陣元組成的線列陣，由于拖曳速度的存在，上述檢測(cè)過(guò)程中存在陣列接 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。陣列移動(dòng)前后有陣元相互重疊，通過(guò)相位修正，可以得到虛擬陣元的擴(kuò) 展。拖船繼續(xù)按速度v運(yùn)動(dòng)，可連續(xù)不斷地將空間信息合成為虛擬陣元，當(dāng)相位修正因子估 計(jì)精確時(shí)，虛擬得到的合成孔徑可以等效為實(shí)際陣元構(gòu)成的物理孔徑，所述合成孔徑能夠 實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)。但在檢測(cè)過(guò)程中，由于窄帶干擾的存在，且窄帶干擾平均幅值遠(yuǎn)大 于需要傳輸信號(hào)的平均幅值，因此窄帶干擾會(huì)對(duì)目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性造成很大的影響， 本發(fā)明的方法需要克服窄帶干擾，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)。
[0048] 如圖3所示，本發(fā)明的方法包括以下步驟：
[0049] 步驟1)、以水下目標(biāo)的輻射噪聲特性分析為基礎(chǔ)，構(gòu)造拖線陣運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)被測(cè)靜止 或運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行聲場(chǎng)空間采樣的接收模型；以及細(xì)化分析各陣元所接收信號(hào)，構(gòu)建直 角坐標(biāo)系。
[0050] 其中，在構(gòu)建直角坐標(biāo)系時(shí)，將拖曳線列陣中第一個(gè)陣元的初始位置作為直角坐 標(biāo)系的原點(diǎn)，將福射目標(biāo)作為點(diǎn)聲源。
[0051] 步驟2)、基于步驟1)所建立的接收模型，對(duì)某一時(shí)刻拖線陣聲納采樣時(shí)陣元接收 到的信號(hào)作FFT變換，將信號(hào)由陣元域處理轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄊ蛱幚恚缓笠罁?jù)干擾頻點(diǎn)在某一 頻帶范圍內(nèi)有較大幅值這一特性，估計(jì)出窄帶干擾的中心頻率和干擾頻帶。其中，做FFT變 換時(shí)的FFT點(diǎn)數(shù)根據(jù)補(bǔ)償精度要求而定。
[0052] 步驟3)、在步驟2)中確定窄帶干擾的中心頻率和干擾頻帶后，對(duì)步驟2)中經(jīng)過(guò) FFT變換的信號(hào)在由所述中心頻率與干擾頻帶所確定的頻域內(nèi)進(jìn)行濾波；然后將濾波后的 信號(hào)重構(gòu)回時(shí)域。
[0053] 在本實(shí)施例中，在頻域內(nèi)的濾波可采用中值濾波的方式，這樣做可有效保證時(shí)域 畸變很小。
[0054] 步驟4)、預(yù)設(shè)頻點(diǎn)補(bǔ)償總數(shù)。
[0055] 步驟5)、將步驟3)中濾波后重構(gòu)回時(shí)域的信號(hào)做FFT變換以及頻域波束形成，接 著在當(dāng)前頻點(diǎn)上對(duì)各個(gè)陣元的頻域波束形成的輸出結(jié)果進(jìn)行累加；
[0056] 其中，所述當(dāng)前頻點(diǎn)為所要補(bǔ)償?shù)念l率范圍內(nèi)的一個(gè)值，在第一次做頻點(diǎn)補(bǔ)償時(shí)， 當(dāng)前頻點(diǎn)為所要補(bǔ)償?shù)念l率范圍的一個(gè)端值，例如，補(bǔ)償在-〇. 5Hz?0. 5Hz上進(jìn)行，則當(dāng)前 頻點(diǎn)為-〇. 5Hz，在后續(xù)的頻點(diǎn)補(bǔ)償操作中，當(dāng)前頻點(diǎn)發(fā)生變化，如由-0. 5Hz變?yōu)?0. 4Hz。
[0057] 步驟6)、拖曳線列陣聲納在運(yùn)動(dòng)一定時(shí)間后，拖曳線列陣聲納進(jìn)行采樣操作，然后 對(duì)采樣時(shí)各個(gè)陣元所接收到的信號(hào)做FFT變換以及頻域波束形成，接著在當(dāng)前頻點(diǎn)上對(duì)各 個(gè)陣元的頻域波束形成的輸出結(jié)果進(jìn)行累加；
[0058] 其中，所述FFT變換時(shí)所涉及的FFT點(diǎn)數(shù)與步驟5)中的FFT點(diǎn)數(shù)相同。
[0059] 步驟7)、根據(jù)步驟6)所得到的結(jié)果計(jì)算空間移動(dòng)補(bǔ)償與時(shí)間延遲補(bǔ)償，將空間移 動(dòng)補(bǔ)償與時(shí)間延遲補(bǔ)償相加，得到陣列移動(dòng)前后總的相位修正補(bǔ)償，根據(jù)前一次補(bǔ)償?shù)慕Y(jié) 果與所述總的相位修正補(bǔ)償?shù)玫綌U(kuò)展虛擬陣列的輸出結(jié)果；
[0060] 其中，所述空間移動(dòng)補(bǔ)償根據(jù)移動(dòng)的距離得到，一般預(yù)設(shè)為陣元重疊數(shù)的一半，或 者根據(jù)實(shí)際移動(dòng)距離作空間移動(dòng)補(bǔ)償；所述的時(shí)間延遲補(bǔ)償根據(jù)移動(dòng)相應(yīng)距離的時(shí)間得 到。
[0061] 步驟8)、將步驟7)得到的補(bǔ)償后的擴(kuò)展虛擬陣列的輸出結(jié)果進(jìn)行相干累加，獲得 時(shí)間方位歷程圖，利用該時(shí)間方位歷程圖對(duì)被測(cè)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，然后考察當(dāng)前的頻點(diǎn) 補(bǔ)償次數(shù)是否已經(jīng)達(dá)到了步驟4)中預(yù)設(shè)的頻點(diǎn)補(bǔ)償總數(shù)，如果未達(dá)到，改變當(dāng)前頻點(diǎn)值的 大小，然后重新執(zhí)行步驟5) -步驟7)，直至當(dāng)前的頻點(diǎn)補(bǔ)償次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)的頻點(diǎn)補(bǔ)償總 數(shù)。
[0062] 下面對(duì)上述步驟做進(jìn)一步的描述。
[0063] 在所述的步驟1)中，以水下目標(biāo)的輻射噪聲特性分析為基礎(chǔ)，所述輻射噪聲特性 分析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)處理中對(duì)拖船噪聲抵消等技術(shù)提供了理論參考。
[0064] 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：船體的機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲以及水動(dòng)力噪聲是艦船噪聲的三種主 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 噪聲所掩蓋。
[0065] 水下艦船的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 包括機(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：
[0066] G (t, f) = Gs (f) +Gl (f) +2m (t) m (f) Gs (f)
[0067] 式中，Gs(f)表示平穩(wěn)連續(xù)功率譜，Gjf)表示線譜部分，2m(t)m(f)G s(f)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，在給定航 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?1000Hz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1kHz以下，而寬帶連續(xù)譜則覆蓋了多個(gè)倍頻程。在實(shí) 際檢測(cè)時(shí)，被動(dòng)合成孔徑聲納感興趣的信號(hào)是目標(biāo)輻射噪聲的線譜成分。因此在后續(xù)的步 驟中，拖曳線列陣主要對(duì)窄帶線譜信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。
[0068] 在所述步驟1)中所構(gòu)建的接收模型包括：由拖纜連接的若干個(gè)等間距的各向同 性水聽(tīng)器形成一線列陣(在線列陣中的水聽(tīng)器也被稱為陣元)，該線列陣作勻速直線運(yùn)動(dòng)， 以某一時(shí)刻第1號(hào)水聽(tīng)器接收到的被測(cè)目標(biāo)信號(hào)為參考，其它水聽(tīng)器相對(duì)于被測(cè)目標(biāo)均有 不同的距離，即其它水聽(tīng)器接收到的被測(cè)目標(biāo)信號(hào)相對(duì)于1號(hào)水聽(tīng)器接收到的被測(cè)目標(biāo)信 號(hào)有相應(yīng)的傳播時(shí)延，運(yùn)動(dòng)一定時(shí)間間隔后，各個(gè)水聽(tīng)器再次對(duì)被測(cè)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行接收處 理，根據(jù)各水聽(tīng)器與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離得到各水聽(tīng)器接收的信號(hào)。
[0069] 在步驟2)、步驟5)與步驟6)中，需要對(duì)各個(gè)水聽(tīng)器所接收到的信號(hào)做FFT變換， 在FFT變換時(shí)所需的點(diǎn)數(shù)與補(bǔ)償精度有關(guān)。如補(bǔ)償精度為0. 1Hz時(shí)，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為實(shí)際采樣 率fs的10倍。當(dāng)補(bǔ)償精度發(fā)生變化，則相應(yīng)的FFT變換也會(huì)對(duì)應(yīng)改變。
[0070] 在步驟2)中，窄帶干擾的中心頻率可按照如下方式獲得：
[0071] 根據(jù)窄帶干擾信號(hào)模型，以頻率f采樣，共記錄η點(diǎn)樣值，可得：
[0072]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于被動(dòng)合成孔徑的抑制窄帶干擾方法，包括： 步驟1)、以水下目標(biāo)的輻射噪聲特性分析為基礎(chǔ)，構(gòu)造拖線陣運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)被測(cè)靜止或運(yùn) 動(dòng)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行聲場(chǎng)空間采樣的接收模型；以及細(xì)化分析各陣元所接收信號(hào)，構(gòu)建直角坐 標(biāo)系； 步驟2)、基于步驟1)所建立的接收模型，對(duì)某一時(shí)刻拖線陣聲納采樣時(shí)陣元接收到的 信號(hào)作FFT變換，將信號(hào)由陣元域處理轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄊ蛱幚恚缓蠊烙?jì)出窄帶干擾的中心頻 率和干擾頻帶； 步驟3)、在步驟2)中確定窄帶干擾的中心頻率和干擾頻帶后，對(duì)步驟2)中經(jīng)過(guò)FFT變 換的信號(hào)在由所述中心頻率與干擾頻帶所確定的頻域內(nèi)進(jìn)行濾波；然后將濾波后的信號(hào)重 構(gòu)回時(shí)域； 步驟4)、預(yù)設(shè)頻點(diǎn)補(bǔ)償總數(shù)； 步驟5)、將步驟3)中濾波后重構(gòu)回時(shí)域的信號(hào)做FFT變換以及頻域波束形成，接著在 當(dāng)前頻點(diǎn)上對(duì)各個(gè)陣元的頻域波束形成的輸出結(jié)果進(jìn)行累加； 步驟6)、拖曳線列陣聲納在運(yùn)動(dòng)一定時(shí)間后，拖曳線列陣聲納進(jìn)行采樣操作，然后對(duì)采 樣時(shí)各個(gè)陣元所接收到的信號(hào)做FFT變換以及頻域波束形成，接著在當(dāng)前頻點(diǎn)上對(duì)各個(gè)陣 元的頻域波束形成的輸出結(jié)果進(jìn)行累加； 其中，所述FFT變換時(shí)所涉及的FFT點(diǎn)數(shù)與步驟5)中的FFT點(diǎn)數(shù)相同； 步驟7)、根據(jù)步驟6)所得到的結(jié)果計(jì)算空間移動(dòng)補(bǔ)償與時(shí)間延遲補(bǔ)償，將空間移動(dòng)補(bǔ) 償與時(shí)間延遲補(bǔ)償相加，得到陣列移動(dòng)前后總的相位修正補(bǔ)償，根據(jù)前一次補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果與 所述總的相位修正補(bǔ)償?shù)玫綌U(kuò)展虛擬陣列的輸出結(jié)果； 步驟8)、將步驟7)得到的補(bǔ)償后的擴(kuò)展虛擬陣列的輸出結(jié)果進(jìn)行相干累加，獲得時(shí)間 方位歷程圖，利用該時(shí)間方位歷程圖對(duì)被測(cè)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，然后考察當(dāng)前的頻點(diǎn)補(bǔ)償 次數(shù)是否已經(jīng)達(dá)到了步驟4)中預(yù)設(shè)的頻點(diǎn)補(bǔ)償總數(shù)，如果未達(dá)到，改變當(dāng)前頻點(diǎn)值的大小， 然后重新執(zhí)行步驟5) -步驟7)，直至當(dāng)前的頻點(diǎn)補(bǔ)償次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)的頻點(diǎn)補(bǔ)償總數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于被動(dòng)合成孔徑的抑制窄帶干擾方法，其特征在于，在所 述的步驟1)中，所述構(gòu)建直角坐標(biāo)系包括：將拖曳線列陣中第一個(gè)陣元的初始位置作為直 角坐標(biāo)系的原點(diǎn)，將福射目標(biāo)作為點(diǎn)聲源。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于被動(dòng)合成孔徑的抑制窄帶干擾方法，其特征在于，在所 述的步驟1)中，所述接收模型包括：由拖纜連接的若干個(gè)等間距的各向同性水聽(tīng)器形成一 線列陣，該線列陣作勻速直線運(yùn)動(dòng)，以某一時(shí)刻第1號(hào)水聽(tīng)器接收到的被測(cè)目標(biāo)信號(hào)為參 考，其它水聽(tīng)器相對(duì)于被測(cè)目標(biāo)均有不同的距離，即其它水聽(tīng)器接收到的被測(cè)目標(biāo)信號(hào)相 對(duì)于1號(hào)水聽(tīng)器接收到的被測(cè)目標(biāo)信號(hào)有相應(yīng)的傳播時(shí)延，運(yùn)動(dòng)一定時(shí)間間隔后，各個(gè)水 聽(tīng)器再次對(duì)被測(cè)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行接收處理，根據(jù)各水聽(tīng)器與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離得到各水聽(tīng)器接 收的信號(hào)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于被動(dòng)合成孔徑的抑制窄帶干擾方法，其特征在于，在所 述的步驟3)中，所述濾波采用中值濾波的方式。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于被動(dòng)合成孔徑的抑制窄帶干擾方法，其特征在于，在所 述的步驟8)中，對(duì)被測(cè)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)包括： 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)方差門限進(jìn)行 比較，若小于門限，則檢測(cè)到的水聲目標(biāo)信號(hào)結(jié)果屬實(shí)，接收到的水下目標(biāo)信號(hào)中確實(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)，繼而完成對(duì)目標(biāo)信號(hào) 的檢測(cè)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于被動(dòng)合成孔徑的抑制窄帶干擾方法，其特征在于，在所 述的步驟7)中，所述空間移動(dòng)補(bǔ)償根據(jù)移動(dòng)的距離得到。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于被動(dòng)合成孔徑的抑制窄帶干擾方法，其特征在于，在所 述的步驟7)中，所述時(shí)間延遲補(bǔ)償根據(jù)移動(dòng)相應(yīng)距離的時(shí)間得到。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于被動(dòng)合成孔徑的抑制窄帶干擾方法，其特征在于，在所 述的步驟2)、步驟5)和步驟6)中，做FFT變換時(shí)的FFT點(diǎn)數(shù)根據(jù)補(bǔ)償精度要求而定。
9. 一種用于被動(dòng)合成孔徑的抑制窄帶干擾系統(tǒng)，其特征在于，用于包括多個(gè)陣元的拖 曳線列陣，該系統(tǒng)包括預(yù)處理模塊、窄帶干擾估計(jì)模塊、濾波模塊、頻點(diǎn)補(bǔ)償總數(shù)預(yù)設(shè)模塊、 信號(hào)處理模塊、延遲補(bǔ)償模塊、檢測(cè)模塊；其中， 所述的預(yù)處理模塊以水下目標(biāo)的輻射噪聲特性分析為基礎(chǔ)，構(gòu)造拖線陣運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)被測(cè) 靜止或運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行聲場(chǎng)空間采樣的接收模型；以及細(xì)化分析各陣元所接收信號(hào)，構(gòu) 建直角坐標(biāo)系； 所述的窄帶干擾估計(jì)模塊基于所述預(yù)處理模塊所建立的接收模型，對(duì)某一時(shí)刻拖線陣 聲納采樣時(shí)陣元接收到的信號(hào)作FFT變換，將信號(hào)由陣元域處理轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄊ蛱幚?，然?估計(jì)出窄帶干擾的中心頻率和干擾頻帶； 所述濾波模塊對(duì)所述窄帶干擾估計(jì)模塊中經(jīng)過(guò)FFT變換的信號(hào)在由所述中心頻率與 干擾頻帶所確定的頻域內(nèi)進(jìn)行濾波；然后將濾波后的信號(hào)重構(gòu)回時(shí)域； 頻點(diǎn)補(bǔ)償總數(shù)預(yù)設(shè)模塊用于預(yù)設(shè)頻點(diǎn)補(bǔ)償總數(shù)； 信號(hào)處理模塊將所述濾波模塊中濾波后重構(gòu)回時(shí)域的信號(hào)做FFT變換以及頻域波束 形成，接著在當(dāng)前頻點(diǎn)上對(duì)各個(gè)陣元的頻域波束形成的輸出結(jié)果進(jìn)行累加；以及當(dāng)拖曳線 列陣聲納在運(yùn)動(dòng)一定時(shí)間后，拖曳線列陣聲納進(jìn)行采樣操作，然后由所述信號(hào)處理模塊對(duì) 采樣時(shí)各個(gè)陣元所接收到的信號(hào)做FFT變換以及頻域波束形成，接著在當(dāng)前頻點(diǎn)上對(duì)各個(gè) 陣元的頻域波束形成的輸出結(jié)果進(jìn)行累加； 所述延遲補(bǔ)償模塊根據(jù)所述信號(hào)處理模塊所得到的結(jié)果計(jì)算空間移動(dòng)補(bǔ)償與時(shí)間延 遲補(bǔ)償，將空間移動(dòng)補(bǔ)償與時(shí)間延遲補(bǔ)償相加，得到陣列移動(dòng)前后總的相位修正補(bǔ)償，根據(jù) 前一次補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果與所述總的相位修正補(bǔ)償?shù)玫綌U(kuò)展虛擬陣列的輸出結(jié)果； 所述檢測(cè)模塊將所述延遲補(bǔ)償模塊得到的補(bǔ)償后的擴(kuò)展虛擬陣列的輸出結(jié)果進(jìn)行相 干累加，獲得時(shí)間方位歷程圖，利用該時(shí)間方位歷程圖對(duì)被測(cè)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，然后考察 當(dāng)前的頻點(diǎn)補(bǔ)償次數(shù)是否已經(jīng)達(dá)到了所述頻點(diǎn)補(bǔ)償總數(shù)預(yù)設(shè)模塊預(yù)設(shè)的頻點(diǎn)補(bǔ)償總數(shù)，如 果未達(dá)到，改變當(dāng)前頻點(diǎn)值的大小，然后重新啟動(dòng)信號(hào)處理模塊，直至當(dāng)前的頻點(diǎn)補(bǔ)償次數(shù) 達(dá)到預(yù)設(shè)的頻點(diǎn)補(bǔ)償總數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01S7/537GK104101871SQ201310129021
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2013年4月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月15日
【發(fā)明者】趙閃, 陳新華, 孫長(zhǎng)瑜 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所