本發(fā)明涉及廣義似然比線譜檢測方法。

背景技術(shù)：

水下目標的輻射噪聲中常含有豐富的線譜分量，這些線譜分量對探測低噪聲、安靜型的水下目標具有重要意義。

在離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform,簡記為DFT)的基礎(chǔ)上，利用線譜信號的統(tǒng)計特性構(gòu)建二元假設(shè)檢驗問題，通過統(tǒng)計判決進行線譜信號的檢測，為一類常見的檢測方法。該類方法可以全面地描述系統(tǒng)的檢測特性，適于自主平臺的線譜檢測。而利用線譜信號的統(tǒng)計信息進行線譜檢測，國內(nèi)外已有很多研究。但通常僅利用DFT在單一頻點處的復序列構(gòu)造檢驗統(tǒng)計量進行統(tǒng)計判決。水下目標輻射的線譜信號頻率通常未知或不穩(wěn)定,而上述基于DFT的線譜檢測方法在采樣頻點取不到線譜信號頻率點時,會受到“柵欄效應(yīng)”的影響而產(chǎn)生增益損失,使其檢測性能下降。因此，補償柵欄損失對提高檢測器的性能,尤其對于提高聲吶系統(tǒng)線譜的探測距離具有重要意義.

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決水下目標輻射的線譜信號頻率通常未知或不穩(wěn)定時，現(xiàn)有技術(shù)受到“柵欄效應(yīng)”的影響而產(chǎn)生增益損失,使其檢測性能下降的問題，而提出的一種基于離散傅里葉變換的廣義似然比線譜檢測方法。

一種基于離散傅里葉變換的廣義似然比線譜檢測方法按以下步驟實現(xiàn)：

步驟一：設(shè)定基本參數(shù)，所述基本參數(shù)包括：采樣數(shù)據(jù)劃分的段數(shù)、每一段的數(shù)據(jù)點數(shù)、虛警概率、采樣率；

步驟二：對步驟一分段后的每一段數(shù)據(jù)分別進行FFT變換，取各段中相同頻率點的數(shù)據(jù)組成新的復數(shù)序列，對每一個復數(shù)序列計算其周期圖；

步驟三：匯集相鄰頻率點上的能量，即對每相鄰兩頻率點上的周期圖結(jié)果求和，并在求和后的周期圖的頻率域Δ上求取最大值；

步驟四：對每相鄰頻率點上匯集的能量分別進行能量歸一化；

步驟五：根據(jù)步驟四進行廣義似然比檢測判決。

發(fā)明效果：

本發(fā)明提供一種針對頻率未知或不穩(wěn)定的線譜檢測方法。本發(fā)明方法對“柵欄效應(yīng)”引起的線譜頻譜泄露等問題，具有穩(wěn)健的檢測性能。本發(fā)明方法具有虛警概率一定時，檢測門限恒定的特性。對于提高聲吶系統(tǒng)的線譜探測距離具有重要意義。

附圖說明

圖1為不存在“柵欄效應(yīng)”時，傳統(tǒng)平均周期圖法(AVGPR)功率譜圖；

圖2為不存在“柵欄效應(yīng)”時，本發(fā)明方法(FJ_CGLRT)與相干檢測方法(CGLRT)譜圖；

圖3為存在“柵欄效應(yīng)”時，傳統(tǒng)平均周期圖法(AVGPR)功率譜圖；

圖4為存在“柵欄效應(yīng)”時，本發(fā)明方法(FJ_CGLRT)與相干檢測方法(CGLRT)譜圖；

圖5為不存在“柵欄效應(yīng)”時，本發(fā)明方法(FJ_CGLRT)與AVGPR及CGLRT方法的檢測性能曲線圖，其中CGLRT Simu表示仿真CGLRT方法數(shù)值仿真的檢測性能曲線，F(xiàn)J_CGLRT Simu表示FJ_CGLRT方法數(shù)值仿真的檢測性能曲線，AVGPR Simu表示AVGPR方法數(shù)值仿真的檢測性能曲線，CGLRT Theo表示CGLRT方法檢測性能的理論曲線，F(xiàn)J_CGLRT Theo表示FJ_CGLRT方法檢測性能的理論曲線，AVGPR Theo表示AVGPR方法檢測性能的理論曲線；

圖6為存在“柵欄效應(yīng)”時，本發(fā)明方法(FJ_CGLRT)與AVGPR及CGLRT方法的檢測性能曲線圖；

圖7為本發(fā)明方法(FJ_CGLRT)與AVGPR及CGLRT方法所需的最小輸入檢測信噪比隨“柵欄效應(yīng)”變化曲線圖；

圖8為相干檢測方法(CGLRT)實際試驗數(shù)據(jù)的檢測結(jié)果圖；

圖9為本發(fā)明方法(FJ_CGLRT)實際試驗數(shù)據(jù)的檢測結(jié)果圖；

具體實施方式

具體實施方式一：一種基于離散傅里葉變換的廣義似然比線譜檢測方法包括以下步驟：

步驟一：設(shè)定基本參數(shù)，所述基本參數(shù)包括：采樣數(shù)據(jù)劃分的段數(shù)、每一段的數(shù)據(jù)點數(shù)、虛警概率、采樣率；

步驟二：對步驟一分段后的每一段數(shù)據(jù)分別進行FFT變換，取各段中相同頻率點的數(shù)據(jù)組成新的復數(shù)序列，對每一個復數(shù)序列計算其周期圖；

步驟三：匯集相鄰頻率點上的能量，即對每相鄰兩頻率點上的周期圖結(jié)果求和，并在求和后的周期圖的頻率域Δ上求取最大值；

步驟四：對每相鄰頻率點上匯集的能量分別進行能量歸一化；

步驟五：根據(jù)步驟四進行廣義似然比檢測判決。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：所述步驟二中對步驟一分段后的每一段數(shù)據(jù)分別進行FFT變換的具體過程為：

步驟二一：設(shè)數(shù)據(jù)形式為單頻復信號加高斯白噪聲，分段后如式(1)所示

其中所述l為分段序號,n為每段內(nèi)數(shù)據(jù)點時間序號,A為單頻復信號幅度,θ₀為信號初相位,w₀＝2πf₀/f_s,f₀為信號頻率,f_s為采樣率,M為每一段平移的點數(shù),g_l(n)為隨機噪聲,服從零均值方差為的高斯分布，s_l(n)為單頻復信號，N為每一段的數(shù)據(jù)點數(shù)，L為采樣數(shù)據(jù)劃分的段數(shù)；

步驟二二：對每一段數(shù)據(jù)做DFT運算，其中單頻信號所在頻點為(2)式：

其中k^*∈R為f₀對應(yīng)的數(shù)字頻率值，R為實數(shù)域，由于DFT中數(shù)字頻率點k只能取整數(shù)，存在取不到信號頻點k*的情況，設(shè)數(shù)字頻率點k為最接近k^*的整數(shù)點，則有Δ＝k^*-k，Δ∈[-0.5,0.5)，若各段之間沒有數(shù)據(jù)重疊，即M＝N，則exp(j2πk^*Ml/N)＝exp(j2πΔl)，公式(2)可重新寫為：

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是：所述步驟二中對每一個復數(shù)序列計算其周期圖具體為：

取出各個分段中數(shù)字頻率點k所對應(yīng)的數(shù)據(jù)，計算L個點的周期圖，對每個數(shù)字頻率點k計算相應(yīng)的L個點周期圖，如式(4)所示：

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一或二相同。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是：所述步驟三中求和后的周期圖的頻率域Δ上求取最大值具體為：

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至三之一相同。

具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一不同的是：所述步驟四中對每相鄰頻率點上匯集的能量分別進行能量歸一化的具體過程為：

將步驟三中的每相鄰頻率點上匯集的能量值除以相鄰頻率點上的總能量，如式(6)所示：

式中T(X)表示檢測統(tǒng)計量用于最終檢測判決。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至四之一相同。

具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式一至五之一不同的是：所述步驟五中根據(jù)步驟四進行廣義似然比檢測判決的具體過程為：

當Δ確定時，式(11)中的檢測統(tǒng)計量T_GLRT(X)實際上為廣義似然比假設(shè)檢驗的統(tǒng)計量，其服從F分布，其分布函數(shù)用Q函數(shù)表示。則利用檢測統(tǒng)計量T_GLRT(X)與檢測統(tǒng)計量T(X)之間的關(guān)系式(11)，推得檢測統(tǒng)計量T(X)的概率分布特性，進而得到檢測統(tǒng)計量T(X)的檢測門限與虛警概率的關(guān)系如式(7)所示：

其中γ為判決門限，P_FA(T(X))為虛警概率，表示服從F_4,4L-4分布的隨機變量(指的是任何一個服從F_4,4L-4分布的變量)超過γ′的概率，根據(jù)步驟一設(shè)定的虛警概率計算相應(yīng)的判決門限，判決過程為：

若統(tǒng)計量T(X)大于門限γ，則判定該頻率點有線譜信號成立，若統(tǒng)計量T(X)小于門限γ，則判定該頻率點無線譜信號，檢測概率與門限之間的公式，如式(8)所示

其中所述為非中心參數(shù)F′_4,4L-4(λ)分布，P_D(T(X))為檢測概率；

其中θ₀為信號的初相位，則聯(lián)合式(7)及式(8)則得到檢測性能的理論曲線。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至五之一相同。

實施例一：

步驟一：設(shè)定基本參數(shù)，所述基本參數(shù)包括：采樣數(shù)據(jù)劃分的段數(shù)、每一段的數(shù)據(jù)點數(shù)、虛警概率、采樣率；

采樣率：Fs＝10kHz；采樣數(shù)據(jù)劃分的段數(shù)：L＝50；每段的數(shù)據(jù)點數(shù)：N＝1000。

步驟二：對步驟一分段后的每一段數(shù)據(jù)分別進行FFT變換，取各段中相同頻率點的數(shù)據(jù)組成新的復數(shù)序列，對每一個復數(shù)序列計算其周期圖；

步驟三：匯集相鄰頻率點上的能量，即對每相鄰兩頻率點上的周期圖結(jié)果求和，并在求和后的周期圖的頻率域Δ上求取最大值；

步驟四：對每相鄰頻率點上匯集的能量分別進行能量歸一化；

步驟五：根據(jù)步驟四進行廣義似然比檢測判決。

圖1～圖4為本發(fā)明方法與相干檢測方法(CGLRT)的檢測統(tǒng)計量譜圖及傳統(tǒng)平均周期圖法(AVGPR)功率譜圖對比，分別繪出了在存在與不存在“柵欄效應(yīng)”兩種情況時三種方法的性能對比。

圖5～圖6給出不存在或存在“柵欄效應(yīng)”時，F(xiàn)J_CGLRT與AVGPR及CGLRT方法檢測性能的理論曲線及仿真實驗性能結(jié)果；圖7則給出檢測概率及虛警概率一定時，各方法所需最小輸入檢測信噪比隨“柵欄效應(yīng)”程度變化曲線圖，用以說明本發(fā)明方法對“柵欄效應(yīng)”的穩(wěn)健性。圖8～圖9為本發(fā)明方法(FJ_CGLRT)與相干檢測方法(CGLRT)的實際試驗數(shù)據(jù)下檢測結(jié)果對比圖，其中白色點表示檢測到線譜信號。