水下運(yùn)動(dòng)陣列多目標(biāo)檢測(cè)和方位估計(jì)一體化方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及水下運(yùn)動(dòng)陣列多目標(biāo)檢測(cè)和方位估計(jì)一體化方法，根據(jù)運(yùn)動(dòng)陣列信號(hào)模型，得出兩次連續(xù)測(cè)量的接收數(shù)據(jù)公式，求得相位校正因子；將運(yùn)動(dòng)陣列信號(hào)模型的矩陣形式分塊；采用合成孔徑技術(shù)，利用相位校正因子將物理陣列擴(kuò)展為虛擬陣列，將分塊矩陣重構(gòu)為數(shù)據(jù)矩陣形成MVDR空間譜，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)噪聲學(xué)習(xí)獲得檢測(cè)門(mén)限值；檢測(cè)門(mén)限值之上的譜峰數(shù)為目標(biāo)個(gè)數(shù)，譜峰所對(duì)應(yīng)的角度為入射目標(biāo)的方位角；本發(fā)明充分利用水下運(yùn)動(dòng)陣列合成孔徑技術(shù)來(lái)提高陣增益和角度分辨率，并利用體現(xiàn)信號(hào)能量的MVDR空間譜函數(shù)來(lái)確定目標(biāo)的個(gè)數(shù)及方位；對(duì)于相干信號(hào)來(lái)說(shuō)，在低信噪比下的檢測(cè)性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方法，降低了檢測(cè)門(mén)限，有更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，且能給出方位估計(jì)值。
【專(zhuān)利說(shuō)明】水下運(yùn)動(dòng)陣列多目標(biāo)檢測(cè)和方位估計(jì)一體化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水下陣列信號(hào)處理【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種水下運(yùn)動(dòng)陣列多目標(biāo)檢測(cè)和方 位估計(jì)一體化方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 水下多目標(biāo)的遠(yuǎn)程檢測(cè)和方位估計(jì)是是水下陣列信號(hào)處理的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。傳統(tǒng) 的方法是將這兩個(gè)方面分開(kāi)處理，先通過(guò)某種檢測(cè)方法來(lái)檢測(cè)目標(biāo)個(gè)數(shù)，然后再利用某種 方位估計(jì)方法來(lái)確定各個(gè)目標(biāo)的方位。這樣前面目標(biāo)檢測(cè)的結(jié)果的好壞就直接影響到后面 目標(biāo)方位估計(jì)的性能。
[0003] 在陣列信號(hào)處理領(lǐng)域，由有限的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定信號(hào)源的個(gè)數(shù)是使用許多高 分辨方位估計(jì)方法的前提條件。信源數(shù)確定的經(jīng)典方法是基于Akaike信息論準(zhǔn)則 (Akaikeinformationcriterion，簡(jiǎn)稱(chēng)AIC)的方法和基于最小描述長(zhǎng)度準(zhǔn)則（minimum descriptivelength,簡(jiǎn)稱(chēng)MDL)的方法。性能分析表明AIC在低信噪比下性能很好，但在 高信噪比下傾向于高估信號(hào)源個(gè)數(shù)。而MDL方法在高信噪比下表現(xiàn)可靠但在低信噪比下傾 向于低估信號(hào)源個(gè)數(shù)。研究人員后來(lái)提出了一些改進(jìn)的方法來(lái)提高AIC和MDL準(zhǔn)則的統(tǒng)計(jì) 性能，這些方法的性能大多介于AIC和MDL之間，即在低信噪比下的錯(cuò)誤概率比MDL方法低 或者在高信噪比下的錯(cuò)誤概率比AIC方法低。如利用噪聲特征值的線性趨勢(shì)設(shè)定檢測(cè)門(mén)限 的EIT方法，基于特征向量的利用了信號(hào)頻域峰值-均值比的EPAR方法，用于檢測(cè)信號(hào) 緊密分布的一個(gè)空間信號(hào)群內(nèi)的信號(hào)源數(shù)的EDT方法等。但上述方法都只能給出信號(hào)源的 個(gè)數(shù)的估計(jì)，并不能同時(shí)給出信號(hào)的方位估計(jì)值。
[0004] 現(xiàn)有的基于合成孔徑技術(shù)的方位估計(jì)方法，一般要先假設(shè)知道目標(biāo)的個(gè)數(shù)，沒(méi)有 對(duì)信號(hào)源數(shù)檢測(cè)的過(guò)程。強(qiáng)干擾環(huán)境下水下運(yùn)動(dòng)陣列方位估計(jì)新方法（侯云山等發(fā)表于 《系統(tǒng)工程與電子技術(shù)》，2010, 32(9) : 1803-1806)對(duì)水下存在強(qiáng)干擾的特殊情況使用了自 適應(yīng)波束形成技術(shù)來(lái)保證使用合成孔徑技術(shù)進(jìn)行方位估計(jì)的有效性。傳統(tǒng)合成孔徑技術(shù)在 孔徑合成后使用常規(guī)波束形成（CBF)來(lái)形成波束，方位分辨能力較低，且形成波束后只能 看出波束形狀，但并不能準(zhǔn)確判斷目標(biāo)的個(gè)數(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種水下運(yùn)動(dòng)陣列多目標(biāo)檢測(cè)和方位估計(jì)一體化方法，以解 決低信噪比下傳統(tǒng)檢測(cè)方法的性能差且不能同時(shí)給出方位估計(jì)的問(wèn)題。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的水下運(yùn)動(dòng)陣列多目標(biāo)檢測(cè)和方位估計(jì)一體化方法步驟 如下：
[0007] (1)根據(jù)運(yùn)動(dòng)陣列信號(hào)模型，得出兩次連續(xù)測(cè)量的接收數(shù)據(jù)公式，并根據(jù)兩公式求 得相位校正因子；
[0008] (2)將運(yùn)動(dòng)陣列信號(hào)模型表示成矩陣形式，并采用矩陣形式的塊處理方式分割為 J個(gè)矩陣塊，構(gòu)成分塊矩陣；
[0009] (3)采用水下運(yùn)動(dòng)陣列的合成孔徑技術(shù)，利用相位校正因子將物理陣列擴(kuò)展為虛 擬陣列，將分塊矩陣重構(gòu)為數(shù)據(jù)矩陣；
[0010] (4)將數(shù)據(jù)矩陣形成協(xié)方差矩陣，采用最小方差無(wú)畸變MVDR形成MVDR空間譜；
[0011] (5)根據(jù)MVDR空間譜，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)噪聲學(xué)習(xí)獲得檢測(cè)門(mén)限值；
[0012] (6)根據(jù)檢測(cè)門(mén)限值，獲得MVDR空間譜中檢測(cè)門(mén)限值之上的譜峰數(shù)為目標(biāo)個(gè)數(shù)， 譜峰所對(duì)應(yīng)的角度為入射目標(biāo)的方位角。
[0013] 所述步驟（1)中兩次連續(xù)測(cè)量的條件為：兩次連續(xù)測(cè)量時(shí)物理陣列的部分陣元在 空間上重合。
[0014] 所述步驟⑴中運(yùn)動(dòng)陣列信號(hào)模型為X=A( 0 )S+W，式中X=A( 0 )S+W，式中X=
[XiX2…XN]，Xi= [Xl(ti)x2(ti)…xjti)]1是陣列輸出的第i次快拍數(shù)據(jù)，XeCMXN， △ a(02)…3(0〇]，&(0山（1 = 1，2，*"，1()是第;[個(gè)信號(hào)的方向向 量，且表達(dá)式為a(0i) =[lexp^janf^dsinQi/c)…expdSnfjM-DdsinQi/c)]1，SeCKXN是包含了多普勒頻率的目標(biāo)信號(hào)，WeCMXN是加性高斯白噪聲，C表示復(fù)數(shù)域。
[0015] 所述步驟⑴中第ti時(shí)刻第n個(gè)陣元的接收數(shù)據(jù)為

【權(quán)利要求】
1. 水下運(yùn)動(dòng)陣列多目標(biāo)檢測(cè)和方位估計(jì)一體化方法，其特征在于，該方法步驟如下： (1) 根據(jù)運(yùn)動(dòng)陣列信號(hào)模型，得出兩次連續(xù)測(cè)量的接收數(shù)據(jù)公式，并根據(jù)兩公式求得相 位校正因子； (2) 將運(yùn)動(dòng)陣列信號(hào)模型表示成矩陣形式，并采用矩陣形式的塊處理方式分割為J個(gè) 矩陣塊，構(gòu)成分塊矩陣； (3) 采用水下運(yùn)動(dòng)陣列的合成孔徑技術(shù)，利用相位校正因子將物理陣列擴(kuò)展為虛擬陣 列，將分塊矩陣重構(gòu)為數(shù)據(jù)矩陣； (4) 將數(shù)據(jù)矩陣形成協(xié)方差矩陣，采用最小方差無(wú)畸變（MVDR)波束形成器形成MVDR空 間譜； (5) 根據(jù)MVDR空間譜，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)噪聲學(xué)習(xí)獲得檢測(cè)門(mén)限值； (6) 根據(jù)檢測(cè)門(mén)限值，獲得MVDR空間譜中檢測(cè)門(mén)限值之上的譜峰數(shù)為目標(biāo)個(gè)數(shù)，譜峰 所對(duì)應(yīng)的角度為入射目標(biāo)的方位角。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下運(yùn)動(dòng)陣列多目標(biāo)檢測(cè)和方位估計(jì)一體化方法，其特征在 于：所述步驟（1)中兩次連續(xù)測(cè)量的條件為：兩次連續(xù)測(cè)量時(shí)物理陣列的部分陣元在空間 上重合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下運(yùn)動(dòng)陣列多目標(biāo)檢測(cè)和方位估計(jì)一體化方法，其特征 在于：所述步驟⑴中運(yùn)動(dòng)陣列信號(hào)模型為X = A( 0 )S+W，式中X = [X1 X2…XN]，Xi = [X1Ui) X2Ui) --?%匕)]1是陣列輸出的第1次快拍數(shù)據(jù)，父￡(：_，八（0) = [&(01) a( 0 2)…a( 0 K)]，a( 0山（i = 1，2,…，K)是第i個(gè)信號(hào)的方向向量，且表達(dá)式為a( 0汐 =[I exp (_j2 f^dsinQi/c) ... exp (_j2 J^(M-I)(IsinQiZc) ]T，S G Ckxn 是包含了多普 勒頻率的目標(biāo)信號(hào)，W e Cmxn是加性高斯白噪聲，C表示復(fù)數(shù)域。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的水下運(yùn)動(dòng)陣列多目標(biāo)檢測(cè)和方位估計(jì)一體 化方法，其特征在于：所述步驟⑴中第\時(shí)刻第n個(gè)陣元的接收數(shù)據(jù)為
I式中A k為信 號(hào)源sk(t)的復(fù)幅度，Wn(h)為加性噪聲；T秒后第n個(gè)陣元的接收數(shù)據(jù)為
通過(guò)適當(dāng)選擇V和T使得vT =qd,其中q代表在時(shí)間T內(nèi)陣列移動(dòng)的陣元位置數(shù)， 則式（6)可寫(xiě)為
對(duì)于兩次連續(xù)的測(cè)量，XlrtjUi)和xn(ti+ T )，n = 1，2, "'IVhq表示空間位置上重疊但 時(shí)間上相差T的陣元的輸出；由式（7)和式（8)可得相位校正因子為V = -(2；^r+<p)，（？ 為一個(gè)相位。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下運(yùn)動(dòng)陣列多目標(biāo)檢測(cè)和方位估計(jì)一體化方法，其特征
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的水下運(yùn)動(dòng)陣列多目標(biāo)檢測(cè)和方位估計(jì)一體化方法，其特征 在于：所述步驟（4)中數(shù)據(jù)矩陣龍形成協(xié)方差矩陣為I=M11 =^^"+￥/1，MVDR空間譜
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的水下運(yùn)動(dòng)陣列多目標(biāo)檢測(cè)和方位估計(jì)一體化方 法，其特征在于：所述步驟（5)先根據(jù)給定的虛警概率和噪聲數(shù)據(jù)段的數(shù)目求得h值，則第 h段噪聲的MVDR空間譜對(duì)應(yīng)的值作為檢測(cè)門(mén)限值。
【文檔編號(hào)】G01S7/539GK104330787SQ201410315486
【公開(kāi)日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】侯云山, 翟紅村, 陳建華, 徐向藝, 李佩佩, 湯艷紅, 翟普杰 申請(qǐng)人:河南科技大學(xué)