一種雙層圓柱陣水下被動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于陣列信號(hào)處理領(lǐng)域，尤其涉及一種雙層圓柱陣水下被動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 利用目標(biāo)輻射的噪聲進(jìn)行探測(cè)的聲納被稱為被動(dòng)聲納，具有隱蔽性高和能進(jìn)行目 標(biāo)識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)各類艦船和潛艇等水面和水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)的主要手段。被動(dòng)聲吶探 測(cè)的首要任務(wù)是通過目標(biāo)輻射的聲信號(hào)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并確定目標(biāo)的距離、方位、速度和類型等 信息，分別對(duì)應(yīng)目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)、參數(shù)估計(jì)和目標(biāo)識(shí)別的技術(shù)。在聲吶探測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)處理流 程中，目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)通常位于系統(tǒng)的前段，是目標(biāo)分類和定位的前提和基礎(chǔ)。
[0003] 目前水下被動(dòng)目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)的技術(shù)主要分為兩種：一種是基于時(shí)域或頻域的檢測(cè) 技術(shù)，主要應(yīng)用于復(fù)雜噪聲環(huán)境下的特定聲信號(hào)的檢測(cè)，常常需要背景噪聲和目標(biāo)特性等 先驗(yàn)知識(shí)的幫助，才能獲得較好的性能；另一種是基于空域的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，主要利用信號(hào) 與噪聲和干擾的空間分布的不同來進(jìn)行目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)。基于空域信息的檢測(cè)技術(shù)常常與 探測(cè)系統(tǒng)的接收前端密切結(jié)合，在實(shí)際工程中得到較為廣泛的應(yīng)用。
[0004] 水下目標(biāo)的輻射噪聲由于海水的吸收衰減，經(jīng)過長距離傳播后，到達(dá)接收系統(tǒng)時(shí) 的信號(hào)強(qiáng)度往往比較微弱。利用基陣增加目標(biāo)輻射噪聲信號(hào)的空間增益，以提高探測(cè)距離， 是水下目標(biāo)探測(cè)普遍采用的方法。傳統(tǒng)的采用線陣或者圓陣等二維陣進(jìn)行水下目標(biāo)探測(cè)比 較常見，但隨著對(duì)水下目標(biāo)探測(cè)技術(shù)指標(biāo)的進(jìn)一步提高，傳統(tǒng)的方法已經(jīng)很難滿足需求，采 用更復(fù)雜的組合體積陣成為一種趨勢(shì)。采用體積陣，可以在基陣上安放更多的陣元，在進(jìn)一 步提高空間增益的同時(shí)，可以采用更加靈活多樣的處理算法，有助于提高綜合探測(cè)性能。
[0005] 現(xiàn)有的基于空域的檢測(cè)技術(shù)，往往需要事先根據(jù)方位歷程圖估計(jì)噪聲門限。然而 一方面：方位歷程圖在系統(tǒng)的處理流程中，往往是在檢測(cè)到目標(biāo)信號(hào)之后才進(jìn)行的操作； 另一方面水下噪聲的時(shí)變和不均勻分布導(dǎo)致信號(hào)檢測(cè)的性能很難獲得較好的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種具有強(qiáng)穩(wěn)健性的，雙層圓柱陣水下被動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法。
[0007] -種雙層圓柱陣水下被動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法，包括以下步驟，
[0008] 步驟一：接收基陣是由雙層圓柱陣組成的體積陣，其柱面的內(nèi)外圈半徑分別為^ 和^，雙層圓柱陣的內(nèi)外圈圓柱分別分布N個(gè)線陣，每個(gè)線陣上等間隔分布著P個(gè)陣元，內(nèi) 外圈圓柱陣的陣元輸出信號(hào)為Xl]1(n)，i = 1，2分別代表內(nèi)外圈，j = 1，2···Ν代表圓柱圓 周上陣元數(shù)目，1 = 1，2…Ρ代表每個(gè)線陣上的陣元數(shù)目；
[0009] 步驟二：將每個(gè)線陣的陣元輸出相加，則圓柱陣等效成圓陣，得到2*Ν路輸出 Υ?,?(η)：
[0011] 步驟三：根據(jù)雙層圓陣輸出的聲信號(hào)yi] (η)，對(duì)內(nèi)外層圓陣分別預(yù)成Μ個(gè)波束，獲 得2Μ個(gè)波束：
[0013] 其中，分別用匕^,)和匕^,)表示內(nèi)外圈的波束指向性函數(shù)，0k代表第k個(gè)預(yù) 成角度，9k=2Ji (k-l)/M，k= 1…M，波束與波束之間的夾角為Λ Θ =2jt/M，N代表圓周 上的陣元個(gè)數(shù)，fs是采樣頻率，
[0015] 其中，c = 1500m/s是水聲聲速，α = 2 π/N代表圓周上陣元之間的夾角；
[0016] 步驟四：將內(nèi)外圈的相同編號(hào)的波束輸出結(jié)果進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算：
[0017] rk (m) = E {Ylk (n) Y2k (n+m)}, Mj < m < M 2
[0018] 其中，參數(shù)吣〈0〈]?2;
[0019] 步驟五：計(jì)算每個(gè)相關(guān)函數(shù)的峰值pk和所有波束相關(guān)函數(shù)的最大值p
[0020] pk= max {r k (m) | m < M 2}
[0021] pmax= max {p k | k = 1. . . M}；
[0022] 步驟六：進(jìn)行目標(biāo)判斷；
[0023] (1)單目標(biāo)情況，用所有峰值的平均值和最大值進(jìn)行比較，根據(jù)閾值判斷目標(biāo)是否 存在，如果存在，目標(biāo)方向與最大相關(guān)峰對(duì)應(yīng)的波束方向最接近，
[0024] H。:目標(biāo)存在，如果
[0025] H1:目標(biāo)不存在，如果
[0026] 其中0〈 η '1是預(yù)設(shè)的閾值；
[0027] (2)多目標(biāo)情況，如果目標(biāo)數(shù)目為Μτ，且目標(biāo)數(shù)目遠(yuǎn)小于波束個(gè)數(shù)，即Μ τ< < Μ，先 計(jì)算最大的Μτ個(gè)相關(guān)峰值，用所有峰值的平均值分別與這M 峰值進(jìn)行比較，根據(jù)閾值判 斷目標(biāo)是否存在，如果存在，目標(biāo)方向與相關(guān)峰值對(duì)應(yīng)的波束方向接近，
[0028] H。:目標(biāo)存在，如果
[0029] H1:目標(biāo)不存在，如果：
[0030] 其中，Ρηι是所有相關(guān)峰值中最大的Μτ值，1彡m彡Μ τ，0〈 nM〈l是預(yù)設(shè)的閾值。
[0031] 有益效果：
[0032] 本發(fā)明的有益效果在于提供一種基于體積陣的水下被動(dòng)目標(biāo)空域檢測(cè)方法，解決 了傳統(tǒng)空域檢測(cè)技術(shù)依賴方位歷程圖估計(jì)噪聲閾值，受噪聲起伏影響較大的缺陷。本方法 采用體積陣，具有比二維陣更高的探測(cè)增益。同時(shí)，利用本方法即可檢測(cè)單目標(biāo)也可檢測(cè)多 目標(biāo)，且檢測(cè)結(jié)果可為后續(xù)的精確方向估計(jì)提供大致方位。
【附圖說明】
[0033] 圖1雙層圓柱陣示意圖；
[0034] 圖2圓陣波束形成示意圖；
[0035] 圖3內(nèi)外圈對(duì)應(yīng)波束零點(diǎn)附近的互相關(guān)函數(shù)示意圖；
[0036] 圖4確定來波方位所在波束示意圖；
[0037] 圖5檢測(cè)算法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0039] 本發(fā)明的目的是提供一種基于雙層圓柱陣的水下被動(dòng)目標(biāo)信號(hào)空域檢測(cè)技術(shù)。與 傳統(tǒng)的空域信號(hào)檢測(cè)技術(shù)相比：一是采用了更復(fù)雜的雙層圓柱陣，具有更高的空間增益，可 探測(cè)更遠(yuǎn)的距離；二是所采用的檢測(cè)算法利用有無信號(hào)時(shí)接收能量的空間分布差別進(jìn)行檢 測(cè)，與噪聲起伏無關(guān)，不需要通過方位歷程圖進(jìn)行預(yù)估噪聲門限，因此具有更好的穩(wěn)健性。
[0040] 本發(fā)明的目是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0041] (1)將雙層圓柱陣的內(nèi)外圈圓柱分別等效成N個(gè)線陣，每個(gè)線陣上等間隔分布著P 個(gè)陣元，假設(shè)雙層圓柱陣每個(gè)陣元的輸出為XiuOi), i = 1，2分別代表內(nèi)外圈，j = 1，2…N 代表圓柱圓周上陣元數(shù)目，1 = 1，2…P代表每個(gè)線陣上陣元數(shù)目。將每個(gè)線陣的陣元輸出 相加，即每P路信號(hào)變成1路信號(hào)，則圓柱陣等效成圓陣，得到M*N路輸出yi] (η):
[0043] (2)根據(jù)雙層圓陣輸出的聲信號(hào)yi] (η)，對(duì)內(nèi)外層圓陣分別預(yù)成Μ個(gè)波束，獲得2Μ 個(gè)波束。分別用131(014)和132(014)表示內(nèi)外圈的波束指向性函數(shù)，0 14代表第1^個(gè)預(yù)成角 度，Θ k= 2 31 (k-l)/M，k = 1···Μ，波束與波束之間的夾角為2 31 /Μ，波束形成的公式如（1) 所示：
[0045] 其中，Ν代表圓周上的陣元個(gè)數(shù)，fs是采樣頻率，i = 1，2分別代表內(nèi)外圈。
[0047] 其中，c是水聲聲速，a = 23T/N代表圓周上陣元之間的夾角。
[0048] (3)將內(nèi)外圈的相同編號(hào)的波束輸出結(jié)果進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，理論上只需計(jì)算零點(diǎn)的 相關(guān)函數(shù)，為了降低干擾的影響，計(jì)算零點(diǎn)附近的一些相關(guān)函數(shù)值，計(jì)算公式如（4)所示：
[0049] rk (m) = E {Ylk (n) Y2k (n+m)}, Mj < m < M 2 (4)
[0050] 其中M'CKMz，即只需計(jì)算零點(diǎn)左右的幾個(gè)相關(guān)值。
[0051] (4)計(jì)算每個(gè)相關(guān)函數(shù)的峰值pk和所有波束相關(guān)函數(shù)的最大值p
[0052] pk= max {r k (m) | m < M 2} (5)
[0053] pmax= max {p k I k = 1. · · M} (6)
[0054] (5)對(duì)于單目標(biāo)情況，用所有峰值的平均值和最大值進(jìn)行比較，超過預(yù)設(shè)的閾值就 可判斷是否有目標(biāo)存在，且目標(biāo)方向與最大相關(guān)峰對(duì)應(yīng)的波束方向最接近，可為后續(xù)的目 標(biāo)精確方位估計(jì)奠定基礎(chǔ)，即：
[0055] H。：目標(biāo)存在，如果
[0056] H1:目標(biāo)不存在，如果
[0057] 其中0〈 η '1是預(yù)設(shè)的閾值。
[0058] 對(duì)于多目標(biāo)情況，如果目標(biāo)數(shù)目為Μτ，且目標(biāo)數(shù)目遠(yuǎn)小于波束個(gè)數(shù)，即Μτ< < Μ， 貝1J，可先計(jì)算最大的仏個(gè)相關(guān)峰值，用所有峰值的平均值分別與這^個(gè)峰值進(jìn)行比較，超過 預(yù)設(shè)的閾值就可判斷是否有目標(biāo)存在，且目標(biāo)方向與相關(guān)峰值對(duì)應(yīng)的波束方向接近。
[0059] Η。：目標(biāo)存在，如果
[0060] Η1:目標(biāo)不存在，如果
[0061]