專利名稱：一種水聲目標信號檢測和識別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水聲信號處理領(lǐng)域，具體涉及一種水聲目標信號檢測和識別方法。
背景技術(shù)：
在水聲信號處理應(yīng)用領(lǐng)域中，海上不確知干擾是影響目標聲源檢測和識別的重要 因素，特別對信號處理涉及頻帶寬的情況下影響尤其明顯，因為對大于有用信號帶寬的頻 帶進行處理，相當于大大地減小了輸入信噪比，而對小于有用信號帶寬的頻帶進行處理，相 當于減小了信號處理增益，從而降低了對信號的檢測性能。 目前主要水聲信號處理技術(shù)針對特定的頻帶進行，采用能量相干積累和非相干積 累的方法，首先對接收信號能量進行累積，然后根據(jù)檢測概率和虛警概率的指標要求，參照 背景干擾的統(tǒng)計大小，設(shè)置相應(yīng)的檢測門限，如能量輸出大于檢測門限，則有信號，反之，則
無信號。 上述方法對需檢測信號形式確知的情況下，對信號的檢測而言通常是有效的，若 對檢測信號形式無任何先驗知識的情況下，主要由于信號的頻帶未知，此時對固定頻帶的 檢測方法性能大大減低，需要進行分頻帶處理，信號處理方法如上所述，只是分別在不同的 頻帶進行，當多個頻帶檢測到信號時，在平穩(wěn)干擾背景下，可對檢測結(jié)果作出正確的判決， 而干擾背景非平穩(wěn)時，對檢測結(jié)果無法判決，甚至會作出錯誤的判決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，為克服干擾背景非平穩(wěn)時，對檢測結(jié)果無法判決，甚至會作出 錯誤的判決的情況，從而提出一種水聲目標信號檢測和識別方法。 為達到此目的，本發(fā)明提出一種水聲目標信號檢測和識別方法，基于陣列信號處 理的非平穩(wěn)干擾背景下未知頻帶目標的檢測、識別方法。它利用目標在信號處理時間內(nèi)相
對于測量陣的方位具有的相對穩(wěn)定性，而強干擾背景相對于測量陣的方位在信號處理時間
內(nèi)是隨機的，通過兩者方位估計結(jié)果的差別，經(jīng)過一定時間的信號處理后，通過計算測量方
位的方差實現(xiàn)對目標信號的檢測、識別，同時該方法的實現(xiàn)大大降低了虛警概率。 —種水聲目標信號檢測和識別方法，該方法用于對在非平穩(wěn)干擾背景下未知目標
頻帶的信號進行檢測、識別，利用目標信號在處理時間內(nèi)相對于測量陣的方位具有的相對
穩(wěn)定性，而強干擾背景相對于測量陣的方位在處理時間內(nèi)是隨機的，通過計算測量方位的
方差實現(xiàn)對目標信號的檢測、識別，所述的方法具體包含如下步驟 (1)對基陣接收信號進行頻域波束形成； (2)對步驟(1)頻域波束形成后的輸出分頻帶進行能量積分得到不同頻帶的波束 輸出； 其中，步驟(2)是對步驟(1)的波束形成后的頻域輸出進行分頻帶積分，設(shè)積分頻 帶個數(shù)為L，則步驟(2)輸出由步驟1)MXN維復矩陣輸出轉(zhuǎn)變?yōu)镸XL維實矩陣，即L個波 束輸出；
(3)分別對步驟(2)得到的不同頻帶波束輸出進行檢測，若檢測到信號，計算出現(xiàn) 目標波束對應(yīng)方位并記錄，需說明的是不同頻帶對應(yīng)的檢測方位分別進行記錄；
(4)預設(shè)一信號處理時間段，如已處理時間大于預設(shè)時間，則執(zhí)行第(5)步驟，否 則重復步驟(1) (2) (3); (5)對各頻帶存儲的方位進行二次擬合，并根據(jù)擬合結(jié)果計算方位估計方差；
(6)將各頻帶計算的方位估計方差與設(shè)定的檢測方差門限進行比較，若小于門限， 則步驟3)檢測到目標信號結(jié)果屬實，否則檢測到目標信號的結(jié)果為虛警。
所述的步驟1)，具體包含如下步驟 1-1)對基元接收信號進行濾波，保留先好處理感興趣的頻帶；
1-2)對各基元接收信號進行頻域波束形成，提高處理增益。 步驟1-1)所述的濾波，只對有效頻帶進行濾波，用于消除無效頻帶對有效頻帶譜 泄露對頻域波束造成影響。
步驟1-2)所述的步驟具體包含如下步驟 將各基元時域信號X(t) = [Xl(t)x2a) Ax"t)]T進行FFT變換，得到各基元的 頻域信號X(f) = [Xl(f)x2(f) Ax皿(f)]T，然后根據(jù)預成方位對各基元頻域信號進行相位補 償，補償向量為"(6>,/) = [1e"2*' A e-"如"'-']，其中T ; = id cos ( e ) /c， d為基元間距， 9為預成方位，c為聲速。 步驟2)所述的分頻帶能量累積，具體包含如下步驟 分頻帶積分與FFT點數(shù)有關(guān)，設(shè)積分頻帶的上限頻率和下限頻率分別為&、 fh，則 對Bj、，k》第二維積分的起始點和終止點為[&N/fJ 、 [fhN/fs]，[]表示取整，能量積分的 概念是對BJ、， k2)相應(yīng)的值進行取模平方求和；
其中不同預成方位頻域信號定義為B丄(k" k2) ， 、 = 1 AM， M :預成波束號數(shù)，k2 = 1 AN， N :FFT點數(shù)。
步驟3)所述的進行檢測，針對一次檢測過程具體包含如下步驟 首先從覆蓋檢測方位所形成波束的個數(shù)M中找出其中的最大值，然后將其與設(shè)定
檢測門限比較，如大于設(shè)定門限，則認為檢測到信號，計算最大值點對應(yīng)的波束號，即在M
個輸出點中對應(yīng)第幾個點，再將該點映射成方位。 步驟5)所述的計算方位估計方差，是將各頻帶檢測的方位求方差，具體包含如下 步驟 首先對輸出方位進行擬合，擬合采用二次擬合，二次擬合的系數(shù)滿足
min E | 9 i-at^-bVc |2 這里9 i表示檢測到的方位序列，ti表示時間序列；
利用上式求得系數(shù)a、 b、 c后，利用下式得到方差為
21 " 2 2 & =—2J(9,—《—化.-c 。 步驟6)所述的方位估計方差的計算過程如下 設(shè)第k頻帶共記錄有效方位個數(shù)為K，方位擬合結(jié)果為9 k'，則方位估計方差為
2 1《 ，
& = 7 Z [《'(附)—《(w)]2 °
本發(fā)明綜合采用頻域波束形成、分頻帶能量積累、二次擬合方法，該方法的步驟 為 所述的對基陣接收信號進行頻域波束形成有以下幾個目的，第一通過陣列波束形 成可以有效提高信號處理的空間增益，提高檢測能力；第二對波束形成后的波束輸出結(jié)果 進行處理即可以實現(xiàn)被檢測目標的方位估計；第三，直接采用頻域波束形成有利于進一步 分頻帶能量積累，若采用時域波束形成，則還需經(jīng)過不同濾波器濾波后再進行能量積累。設(shè) 定我們需檢測的方位范圍為0-180° ，覆蓋檢測方位所形成波束的個數(shù)為M，頻域波束形成 的頻率分析點數(shù)為N，則第一步驟執(zhí)行后輸出MXN維復矩陣，采樣頻率為fs，則輸出結(jié)果的 頻率分辨率為fs/N，后續(xù)處理分頻帶積分是根據(jù)頻率分辨率分別計算積分頻率上限和下限 所對應(yīng)的波束輸出的某個點，即N維向量的第幾個點，因此所謂的頻帶積分對應(yīng)著第(1)步 驟的一段點的積分。 所述的步驟(2)是對步驟(1)的波束形成后的頻域輸出進行分頻帶積分，設(shè)積分 頻帶個數(shù)為L，則步驟(2)輸出由步驟(l)MXN維復矩陣輸出轉(zhuǎn)變?yōu)镸XL維實矩陣，即L個 波束輸出。 所述的步驟(3)是對步驟(2)的MXL維實矩陣分別進行檢測，共需進行獨立檢測 L次，這里對一次檢測過程進行說明， 一次檢測針對M個點進行，首先找出其中的最大值，然 后將其與設(shè)定檢測門限比較，如大于設(shè)定門限，則認為檢測到信號，計算最大值點對應(yīng)的波 束號，即在M個輸出點中對應(yīng)第幾個點，再將第幾個點映射成方位，映射方法如下，我們采 取的波束形成是以等間隔的方位進行形成波束，如上所述，方位間隔為180/M，因此第個波 束號對應(yīng)方位為180Xi/M。上述過程進行L次，若第k次檢測到信號，則將方位估計結(jié)果存 儲在9k對應(yīng)的數(shù)組內(nèi)，同時對應(yīng)數(shù)組有效個數(shù)加一。步驟(4)設(shè)定信號處理時間的目的
是能夠?qū)z測結(jié)果進行多次統(tǒng)計，在設(shè)定統(tǒng)計時間內(nèi)，ek各自的數(shù)組有效個數(shù)出現(xiàn)很大的
差異，與干擾背景特征和信號特征有關(guān)。 所述的步驟(5)對步驟(4)得到的e k首先進行擬合，目的是剔除由于干擾影響 出現(xiàn)的個別野點和估計結(jié)果均值，用于計算方位估計方差。 所述步驟(6)將各頻帶的方位估計方差與預設(shè)方差門限進行比較，確定該頻帶是
否檢測到信號，從而實現(xiàn)目標信號的識別。方位估計方差的計算過程如下 設(shè)第k頻帶共記錄有效方位個數(shù)為K，方位擬合結(jié)果為9 k'，則方位估計方差為 &2=+1>*(附)-《(附)]2 本發(fā)明優(yōu)點在于，通過上述處理，極大地抑制了強干擾的影響，減小了虛警，提高 了強干擾背景下信號的檢測、識別能力，實際使用中對于目標信號的正確識別率達到95% 以上。


圖1陣列方位角示意圖； 圖2_a目標信號處理結(jié)果示例，具體為目標信號的方位估計結(jié)果和擬合結(jié)果示意 圖； 圖2_b目標信號處理結(jié)果示例，具體為目標信號的方位測量值與擬合值差的示意圖；目標信號方差比較小，經(jīng)過計算為0. 94° ; 圖2-c干擾背景處理結(jié)果示例，具體為目標信號的方位估計結(jié)果和擬合結(jié)果示意 圖； 圖2-d干擾背景處理結(jié)果示例，具體為目標信號的方位測量值與擬合值差的示意 圖，干擾方差較大，經(jīng)過計算為19. 13° ; 圖3本發(fā)明的一種水聲目標信號檢測和識別實施過程框圖； 圖4本發(fā)明的一種水聲目標信號檢測和識別實施過程輸出量變換過程。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對最佳實施方式進行說明。 圖1為線列陣與目標相對于線列陣的方位示意圖，線列陣基元個數(shù)為匪，基元間 隔為d，目標相對于線列陣的方位為e 。 圖2-a，圖2-b，圖2_c和圖2_d為目標信號與干擾背景處理結(jié)果示例，目標信號方 差比較小，經(jīng)過計算為0.94。，而干擾方差較大，經(jīng)過計算為19. 13° ，目標信號在處理時 間內(nèi)相對于測量陣的方位具有的相對穩(wěn)定性，而強干擾背景相對于測量陣的方位在處理時 間內(nèi)是隨機的，反應(yīng)在圖像上即目標信號的方位估計結(jié)果和擬合結(jié)果比較接近，而干擾信 號的方位估計結(jié)果相對于方位擬合結(jié)果偏差較大，方位測量值和擬合差值呈現(xiàn)相同的規(guī)律 性。 本發(fā)明方法在具有拖線陣的系統(tǒng)上實現(xiàn)。圖3給出了本發(fā)明的實施過程流程，參 照圖3針對本發(fā)明的流程部分步驟詳細描述如下 步驟102對拖線陣接收的基元信號進行濾波，只對有效頻帶進行濾波，其意義是 消除無效頻帶對有效頻帶譜泄漏對頻域波束形成的影響。 步驟103如圖4所示，給出了本發(fā)明的實施過程中針對每步驟輸出量的不同變換 過程。首先利用變換FFT將各基元時域信號<formula>formula see original document page 7</formula>轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信 號<formula>formula see original document page 7</formula>，然后根據(jù)預成方位對各基元頻域信號進行相位補償，補
償向量為<formula>formula see original document page 7</formula>其中<formula>formula see original document page 7</formula>，d為基元間距，9為 預成方位，c為聲速。相位補償后再將各基元信號求和，利用公式a(e ，f) ，X(f)，即可得某 預成方位的頻域輸出。 上述得到的是某一預成方位的頻域信號，是一復向量，需要在頻域進行積分以獲
得波束輸出，本發(fā)明方法采用分頻帶積分的方法，不同預成方位頻域信號定義為B丄(k" k2) ， 、 = 1 AM， M :預成波束號數(shù)，k2 = 1 AN， N :FFT點數(shù) B2(k" k2) ， 、 = 1 AM， M :預成波束號數(shù)，k2 = 1 AL， L :分頻帶數(shù) 需要對其進行分別檢測初步確定該頻帶是否有信號，若檢測到信號，步驟106同
時將得到對應(yīng)Bjkpk》第一維的第幾個點，將其換算成實際方位，方位間隔為180/M，因此
第i個波束號對應(yīng)方位為180Xi/M，并對其進行分頻帶存儲。 步驟108對各頻帶檢測到的方位進行擬合，擬合采用二次擬合，二次擬合的系數(shù) f兩足<formula>formula see original document page 7</formula>
這里e i表示檢測到的方位序列，ti表示時間序列。
利用上式求得系數(shù)a、 b、 c后，步驟109利用下式得到方差為
5/ =—力《_ _ _ C 將得到的方差S 02與預設(shè)方差門限比較，若小于門限，作出判決結(jié)果，否則為虛
氛 最后所應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參 照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，對本發(fā)明的技術(shù)方 案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明 的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
一種水聲目標信號檢測和識別方法，該方法用于對在非平穩(wěn)干擾背景下未知目標頻帶的信號進行檢測、識別，利用強干擾背景相對于測量陣的方位在處理時間內(nèi)是隨機的，而目標信號在處理時間內(nèi)相對于測量陣的方位具有的相對穩(wěn)定性，通過計算測量方位的方差實現(xiàn)對目標信號的檢測、識別，所述的方法具體包含如下步驟(1)對基陣接收水聲信號進行頻域波束形成；(2)對步驟(1)頻域波束形成后的輸出分頻帶進行分頻帶能量積分得到不同頻帶的波束輸出；其中，步驟(2)是對步驟(1)的波束形成后的頻域輸出進行分頻帶積分，設(shè)積分頻帶個數(shù)為L，則步驟(2)輸出由步驟1)M×N維復矩陣輸出轉(zhuǎn)變?yōu)镸×L維實矩陣，即L個波束輸出；(3)分別對步驟(2)得到的不同頻帶波束輸出進行檢測，若檢測到信號，計算出現(xiàn)目標波束對應(yīng)方位并記錄，不同頻帶對應(yīng)的檢測方位分別進行記錄；(4)預設(shè)一信號處理時間段，如已處理時間大于預設(shè)時間，則執(zhí)行第(5)步驟，否則重復步驟(1)(2)(3)；(5)對各頻帶存儲的方位進行二次擬合，并根據(jù)擬合結(jié)果計算方位估計方差；(6)將各頻帶計算的方位估計方差與設(shè)定的檢測方差門限進行比較，若小于門限，則步驟3)檢測到水聲目標信號結(jié)果屬實，接收水聲信號中確實含有水聲目標信號，否則檢測結(jié)果為虛警，接收水聲信號中不含有水聲目標信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水聲目標信號檢測和識別方法，其特征在于，所述的步驟1)， 具體包含如下步驟1-1)對基元接收信號進行濾波，保留信號處理需檢測的頻帶； 1-2)對各基元接收信號進行頻域波束形成，提高處理增益。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的水聲目標信號檢測和識別方法，其特征在于，步驟1-1)所述 的濾波，只對有效頻帶進行濾波，用于消除無效頻帶對有效頻帶譜泄露對頻域波束造成影 響。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的水聲目標信號檢測和識別方法，其特征在于，步驟l-2)所述 的步驟具體包含如下步驟將各基元時域信號X(t) = [Xl(t) x2(t) Ax皿(t)]T進行FFT變換，得到各基元的頻域 信號X(f) = [Xl(f)x2(f) Ax皿(f)]T，然后根據(jù)預成方位對各基元頻域信號進行相位補償， 補償向量為"(《/) = [1e"w'A e力2^^]，其中T i = id cos( e )/c， d為基元間距，e 為預成方位，c為聲速。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水聲目標信號檢測和識別方法，其特征在于，步驟2)所述的 分頻帶能量積分，具體包含如下步驟分頻帶能量積分與FFT點數(shù)有關(guān)，設(shè)積分頻帶的上限頻率和下限頻率分別為&、 fh，則 對Bj、，k》第二維積分的起始點和終止點為[&N/fJ 、 [fhN/fs]，[]表示取整，能量積分的 概念是對BJ、， k2)相應(yīng)的值進行取模平方求和；其中，不同預成方位頻域信號定義為B^，k2)，k丄=1 AM，M :預成波束號數(shù)，k2 = 1AN，N:FFT點數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水聲目標信號檢測和識別方法，其特征在于，步驟3)所述的進行檢測，針對一次檢測過程具體包含如下步驟首先從覆蓋檢測方位所形成波束的個數(shù)M中找出其中的最大值，然后將其與設(shè)定檢測 門限比較，如大于設(shè)定門限，則認為檢測到信號，計算最大值點對應(yīng)的波束號，即在M個輸 出點中對應(yīng)第幾個點，再將該點映射成方位。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水聲目標信號檢測和識別方法，其特征在于，步驟5)所述的計算方位估計方差，是將各頻帶檢測的方位求方差，具體包含如下步驟 首先對輸出方位進行擬合，擬合采用二次擬合，二次擬合的系數(shù)滿足<formula>formula see original document page 3</formula>這里e i表示檢測到的方位序列，ti表示時間序列； 利用上式求得系數(shù)a、b、 c后，利用下式得到方差為<formula>formula see original document page 3</formula>
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水聲目標信號檢測和識別方法，其特征在于，步驟6)所述的方位估計方差的計算過程如下設(shè)第k頻帶共記錄有效方位個數(shù)為K，方位擬合結(jié)果為ek'，則方位估計方差為<formula>formula see original document page 3</formula>
全文摘要
本發(fā)明提出一種水聲目標信號檢測和識別方法，該方法用于對在非平穩(wěn)干擾背景下未知目標頻帶的信號進行檢測、識別，所述的方法具體包含如下步驟(1)對基陣接收信號進行頻域波束形成；(2)對步驟(1)頻域波束形成后的輸出分頻帶進行能量積分得到不同頻帶的波束輸出；(3)分別對步驟(2)得到的不同頻帶波束輸出進行檢測，若檢測到信號，計算出現(xiàn)目標波束對應(yīng)方位并記錄，不同頻帶的檢測方位分別記錄；(4)如已處理時間大于預設(shè)時間，則執(zhí)行第(5)步驟，否則重復步驟(1)(2)(3)；(5)對各頻帶存儲的方位進行二次擬合，并根據(jù)擬合結(jié)果計算方位估計方差；(6)將各頻帶計算的方位估計方差與設(shè)定的檢測方差門限進行比較，進一步進行檢測結(jié)果判定。
文檔編號G01S7/539GK101738611SQ20091024272
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月15日
發(fā)明者余華兵, 孫長瑜, 陳新華 申請人:中國科學院聲學研究所