一種基于空域相位方差加權(quán)的目標(biāo)檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及聲納信號(hào)處理領(lǐng)域，特別涉及一種基于空域相位方差加權(quán)的目標(biāo)檢測(cè) 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在陣列信號(hào)處理中，由于被動(dòng)聲納不主動(dòng)對(duì)外輻射信號(hào)，隱蔽性較強(qiáng)，一直是對(duì)水 下目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、定位、跟蹤、識(shí)別的重要手段之一。但隨著降噪技術(shù)的不斷提高，被動(dòng)聲納 接收數(shù)據(jù)的信噪比隨之在不斷降低，對(duì)被動(dòng)聲納的性能需求也越來越嚴(yán)格。被動(dòng)聲納常用 的檢測(cè)技術(shù)一一能量累積檢測(cè)方法，現(xiàn)已不能滿足遠(yuǎn)程目標(biāo)檢測(cè)需求。學(xué)者通過理論和實(shí) 驗(yàn)證明了：水下目標(biāo)輻射噪聲中含有豐富的單頻分量，特別是在低頻段，螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)切割 水體產(chǎn)生低頻信號(hào)，一部分低頻分量直接以加性形式出現(xiàn)在目標(biāo)輻射信號(hào)中，另有部分被 船體自身振動(dòng)調(diào)制到較高頻帶，線譜譜級(jí)通常比連續(xù)譜平均譜級(jí)高出10~25dB。這為被動(dòng) 聲納實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)遠(yuǎn)程探測(cè)提供一種可能，也促使了線譜檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
[0003] 在線譜檢測(cè)檢測(cè)方面，國內(nèi)外學(xué)者做了不少研究，并取得了一定的研究成果，尤其 是在相位差分補(bǔ)償、對(duì)齊方面。有的學(xué)者利用線譜信號(hào)與背景噪聲間的時(shí)間相關(guān)半徑與相 位起伏均勻性差異，提出了一種基于信號(hào)起伏相位差分對(duì)齊的相干檢測(cè)方法，抑制了背景 噪聲能量干擾。有的學(xué)者利用相位起伏特性，改善了對(duì)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)性能和線譜信號(hào)與背景 噪聲的時(shí)間相關(guān)半徑。有的學(xué)者提出了一種差分二次平均修正的頻域相位補(bǔ)償線譜檢測(cè)方 法。同樣，有的學(xué)者給出了正弦信號(hào)的直接FFT參數(shù)估計(jì)與相位差分法對(duì)比研究結(jié)果。這 些方法基于相位差分一階矩信息進(jìn)行相位對(duì)齊或補(bǔ)償來提高FFT參數(shù)估計(jì)效果。同時(shí)，有 的學(xué)者依據(jù)單頻信號(hào)與背景噪聲的相位差分前后的相位方差二階矩信息，進(jìn)一步增強(qiáng)單頻 信號(hào)能量、抑制噪聲、提高信噪比。
[0004] 另外，依據(jù)水下目標(biāo)輻射噪聲含有穩(wěn)定線譜這一特征，國內(nèi)外學(xué)者在不同方面進(jìn) 行了有效、有針對(duì)性應(yīng)用研究，提高了被動(dòng)聲納性能。在陣列信號(hào)處理方法，有的學(xué)者提出 了一種基于瞬時(shí)頻率方差加權(quán)的陣列信號(hào)處理方法，有的學(xué)者提出了一種基于瞬時(shí)方位方 差加權(quán)的陣列信號(hào)處理方法，有的學(xué)者提出了一種基于幅值加權(quán)的陣列信號(hào)處理方法，它 們均克服了傳統(tǒng)線譜檢測(cè)四維顯示難點(diǎn)，改善了能量累積檢測(cè)法在遠(yuǎn)程目標(biāo)檢測(cè)方面的性 能。有的學(xué)者提出了一種基于瞬時(shí)頻率方差加權(quán)的時(shí)延估計(jì)方法，有的學(xué)者提出了一種基 于瞬時(shí)時(shí)延差方差加權(quán)的時(shí)延估計(jì)方法，它們均提高了互相關(guān)法在遠(yuǎn)程目標(biāo)定位方面的性 能。
[0005] 根據(jù)上述文獻(xiàn)所提出的思想，在某一頻率單元的窄帶波束形成中，當(dāng)目標(biāo)方位只 占據(jù)某一個(gè)或某幾個(gè)方位角時(shí)，經(jīng)多次窄帶波束形成累加取最終空間譜，常規(guī)波束形成則 會(huì)將所有方位角對(duì)應(yīng)空間譜等價(jià)地加權(quán)到最終空間譜中。在低信噪比情況下，受背景噪聲 影響，空間譜中各方位處譜值起伏較大，不便于最后目標(biāo)檢測(cè)和方位估計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的目標(biāo)檢測(cè)方法在低噪聲情況下受背景噪聲 影響，空間譜中各方位處譜值起伏較大，不便于最后目標(biāo)檢測(cè)和方位估計(jì)的缺陷，從而提供 一種能夠抑制非目標(biāo)方位處噪聲干擾、增強(qiáng)目標(biāo)檢測(cè)信噪比增益的目標(biāo)檢測(cè)方法。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于空域相位方差加權(quán)的目標(biāo)檢測(cè)方法， 包括：
[0008] 步驟1)、對(duì)拖線陣聲納中各陣元所拾取的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波放大，然后對(duì)所拾取的數(shù) 據(jù)進(jìn)行采樣，得到離散數(shù)據(jù)；
[0009] 步驟2)、對(duì)步驟1)所得到的離散數(shù)據(jù)做FFT分析，得到頻譜數(shù)據(jù)；將所述頻譜數(shù) 據(jù)中各頻率單元相關(guān)的各陣元數(shù)據(jù)做相位補(bǔ)償、累加與求和，完成頻域窄帶波束形成；在各 頻率單元的窄帶波束形成中，求取各方位空域相位值；
[0010] 步驟3)、更新接收信號(hào)，重復(fù)進(jìn)行步驟1)、步驟2)，直到重復(fù)次數(shù)達(dá)到預(yù)先設(shè)定值 M，則各頻率單元均得到M個(gè)空域相位值；
[0011] 步驟4)、對(duì)步驟3)所得到的所有方位角的空域相位值進(jìn)行方差計(jì)算；
[0012] 步驟5)、由步驟4)所得到的方差生成加權(quán)因子，利用所述加權(quán)因子對(duì)所有方位進(jìn) 行空域相位方差加權(quán)統(tǒng)計(jì)，得到最終空間譜和方位估計(jì)值。
[0013] 上述技術(shù)方案中，在所述的步驟2)中，頻域窄帶波束形成以及求取各方位空域相 位值的計(jì)算公式如下：
[0014]
?：
[0015] 其中，BF(m，Θ )為頻域窄帶波束形成的結(jié)果，X1 (m，Iws)為目標(biāo)線譜所對(duì)應(yīng)頻率單 元Iws的頻譜數(shù)據(jù)，w s= 2 π /KT 3是FFT分析中的頻率采樣間隔，為目標(biāo)線譜所對(duì)應(yīng) 頻率單元的空域相位值；i = 1，2,…，I，m = 1，2,…，Μ ; Θ = 〇, 1，…，179 ;1為陣元數(shù)，M 為統(tǒng)計(jì)次數(shù)，K為FFT分析所得頻率單元數(shù)；d為陣間距，c為有效聲速；
[0016] Xi (m, Iws)的計(jì)算公式如下：
[0017]
[0018] Θ。為目標(biāo)方位角，τ。為第i陣元相對(duì)參考陣元接收信號(hào)時(shí)延差，爲(wèi)為目標(biāo)輻射信 號(hào)初始相位，^ 為第i陣元第m次接收背景噪聲產(chǎn)生的相位誤差，A1為個(gè)陣元信號(hào)幅度。
[0019] 上述技術(shù)方案中，在步驟4)中，所述方差的計(jì)算公式為：
[0020]
[0021 ] 其中~⑷為所得到的方差。
[0022] 上述技術(shù)方案中，在步驟5)中，所述加權(quán)因子1=1/?，空域相位方差的計(jì)算公式 為：
[0023]
[0024] 其中，1^0就是所要求取的最終空間譜；
[0025] 由中最大值對(duì)應(yīng)方位得到方位估計(jì)值。
[0026] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0027] 本發(fā)明的方法利用目標(biāo)方位與非目標(biāo)方位對(duì)應(yīng)的空域相位在二階矩上的差別，對(duì) 各方位角進(jìn)行加權(quán)求和，削弱噪聲對(duì)最終空間譜的影響，增強(qiáng)目標(biāo)檢測(cè)信噪比增益，抑制非 目標(biāo)方位噪聲干擾、提高信噪比。
【附圖說明】
[0028] 圖1是一拖線陣聲納的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖2是拖線陣聲納中的接收陣的接收信號(hào)示意圖；
[0030] 圖3是本發(fā)明的基于空域相位方差加權(quán)的目標(biāo)檢測(cè)方法的流程圖；
[0031 ] 圖4是輸入平均譜級(jí)比SLR從-30dB到20dB，每個(gè)平均譜級(jí)比下做200次獨(dú)立統(tǒng) 計(jì)所得目標(biāo)1方位處與非目標(biāo)方位處空域相位標(biāo)準(zhǔn)差的示意圖；
[0032] 圖5是輸入平均譜級(jí)比SLR從-30dB到20dB，每個(gè)平均譜級(jí)比下做200次獨(dú)立統(tǒng) 計(jì)所得目標(biāo)2方位處與非目標(biāo)方位處空域相位標(biāo)準(zhǔn)差的示意圖；
[0033] 圖6是采用常規(guī)波束形成方法所得最終空間譜，所得目標(biāo)檢測(cè)正確概率的示意 圖；
[0034] 圖7是依據(jù)本發(fā)明方法所得最終空間譜，所得目標(biāo)檢測(cè)正確概率的示意圖；
[0035] 圖8是輸入平均譜級(jí)比為-IOdB時(shí)，常規(guī)波束形成所得方位歷程圖；
[0036] 圖9是輸入平均譜級(jí)比為-IOdB時(shí)，本發(fā)明方法所得方位歷程圖；
[0037] 圖10是輸入平均譜級(jí)比為-IOdB時(shí)，兩種方法所得某一時(shí)刻空間譜的對(duì)比圖；
[0038] 圖11是輸入平均譜級(jí)比為_15dB時(shí)，常規(guī)波束形成方法所得方位歷程圖；
[0039] 圖12是輸入平均譜級(jí)比為_15dB時(shí)，本發(fā)明方法所得方位歷程圖；
[0040] 圖13是輸入平均譜級(jí)比為-15dB時(shí)，兩種方法所得某一時(shí)刻空間譜的對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0042] 在對(duì)本發(fā)明的方法做詳細(xì)說明前，首先對(duì)本發(fā)明的方法所適用的接收陣加以描 述。圖1為一拖線陣聲納的結(jié)構(gòu)示意圖，該拖線陣聲納