CN103675819A - 一种可用于被动合成孔径阵列偏航的目标检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可用于被动合成孔径阵列偏航的目标检测方法及系统，所述方法包含：步骤101)构造接收模型，拖线阵运动时接收目标信号并采样；步骤102)基于接收模型，在拖线阵相邻的采样时间间隔发生相继两次运动时，计算相邻两次快拍各重叠阵元的相位相关因子，并采用线性拟合进行相位估计修正得到未重叠阵元的相位相关因子；步骤103)以拖线阵声纳采样时第1次快拍为基准，利用拟合得到未重叠阵元的相关因子对第2次测量时各阵元的快拍输出进行相位修正补偿；步骤104)重复上述两个步骤，直至将各次测量的接收信号的所有快拍阵列的输出依次进行补偿，得到扩展的虚拟阵列的输出结果；步骤105)将得到扩展的虚拟阵列的输出进行相干累加，实现对目标信号的检测。

Description

一种可用于被动合成孔径阵列偏航的目标检测方法及系统

技术领域

本发明涉及水声被动声纳信号检测方法和拖线阵被动合成孔径声纳(PassiveSynthetic Aperture Sonar,PSAS)技术用于目标信号检测算法，尤其涉及一种可用于被动合成孔径阵列偏航的目标检测方法及系统。

背景技术

海洋开发和利用实际需求成为推动声纳技术发展的主要动力，近年来，被动声纳系统对低噪声目标的检测变得越来越重要，且越来越困难，其检测能力随着安静型目标的出现和迅猛发展而受到严重挑战。随着现代化高技术下对海战要求的不断提高，基于被动合成孔径技术的拖线阵声纳的研究成为水声信号处理领域的研究热点问题。拖曳线列阵声纳广泛用于水下目标特性的测量，将小孔径阵列合成虚拟大孔径阵列为解决低频信号大孔径声纳系统的实现提供了有效途径。被动合成孔径声纳正是通过拖曳线列阵运动合成得到比实际孔径大得多的合成孔径阵列，依靠短阵的机动突破阵列孔径的限制，获得更高的增益和更高的方位分辨力。依据水下舰船等目标特性分析得知螺旋桨的桨叶切割海水产生单频信号分量等线谱成分为合成一个比物理孔径大得多的有效孔径提供了可能，被动合成孔径声纳技术实现方法为在阵列相继两次运动时，对空间位置上重叠部分的水听器接收信号做互相关平均，作为未重叠水听器接收信号的相位修正因子，将此相位修正因子用于运动阵相继位置上的波束输出的相干组合可得到扩展的拖线阵等效长度。被动合成孔径声纳通常以拖线阵声纳载体匀速直线运动的方式相对与目标运动，由于实际水下复杂环境下介质和路径扰动引起的阵列移动偏差，及海浪、潮汐、风等因素的影响，声纳载体会产生航迹偏差及运动不规则性，即阵列匀速直线运动的假设不成立，从而导致孔径合成处理增益的损失和检测性能的下降。一般需要分析偏离匀速直线航迹的效应，进而采取措施以克服因声纳载体运动的不规则性给孔径合成带来的增益损失，被动合成孔径相位估计修正方法对运动拖线阵阵列偏航误差进行补偿，提高了方位估计精度，进而能够实现对水下目标的有效检测。而现有技术并没有任何有关如何克服由于声纳载体运动的不规则性给孔径合成带来的增益损失的问题进行的处理的技术手段。

拖线阵相对于目标以确定性规律运动是被动合成孔径声纳的基础，现有技术的被动合成孔径声纳算法一般用于理想情况下目标信号的检测和分辨，考虑水声信道等复杂因素影响，实际应用中拖线阵维持恒定速度及航向并保证匀速直线运动等难以满足，不具有可行性、通用性及实用性，因此现有技术的用于被动合成孔径声纳常规信号检测和分辨方法不能在工程合理得到应用。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术的被动合成孔径声纳算法一般用于理想情况下目标信号的检测和分辨带来的问题和缺陷，本发明提供了一种可用于被动合成孔径阵列偏航的目标检测方法及系统。

为实现上述目的本发明提供了一种可用于被动合成孔径阵列偏航的目标检测方法，用于当拖线阵运动规则或不规则导致拖线阵声纳载体偏离航迹时对水下弱目标信号进行有效检测，所述方法包含：

步骤101)构造拖线阵运动时对待检测目标信号进行声场空间采样的接收模型，拖线阵阵列开始运动并同时接收来自于待测水下目标的信号对所接收的信号进行空间采样；

步骤102)基于所述接收模型，在拖线阵相邻的采样时间间隔发生相继两次运动时，计算相邻两次快拍各重叠阵元的相位相关因子，并采用线性拟合进行相位估计修正得到未重叠阵元的相位相关因子；

步骤103)以拖线阵声纳采样时第1次快拍为基准，利用步骤102)拟合得到未重叠阵元的相关因子对第2次测量时各阵元的快拍输出进行相位修正补偿；

步骤104)重复步骤102)和步骤103)，依据所述接收信号模型，直至将声场采样空间上各次测量的接收信号的所有快拍阵列的输出依次进行补偿，得到扩展的虚拟阵列的输出结果；

步骤105)将步骤104)得到扩展的虚拟阵列的输出进行相干累加，得到目标波束对应方位，实现对目标信号的检测;

其中，所述接收模型为：由拖缆连接的若干个等间距的各向同性线列阵，该线列阵作匀速直线运动，以某一时刻第1号阵元接收到的待测目标信号为基准，其它阵元相对于1号阵元接收具有特定的传播时延，运动一定时间间隔(后，再次对待测目标信号进行接收处理，其它阵元相对于1号阵元接收具有特定的传播时延，以此拖线阵运动并按固定的时间间隔对待测信号进行接收，构建接收信号模型。

上述技术方案中，所述步骤102)进一步包含：

步骤102-1)采用ETAM算法利用拖线阵阵列在相邻的采样时间间隔发生相继两次运动时，计算相邻两次快拍各重叠阵元的相位相关因子；

步骤102-2)对相邻两次各重叠阵元的相位相关因子进行相位估计线性拟合，经修正得到其它未重叠阵元的相位相关因子。

上述技术方案中，所述步骤102-2)利用最小二乘法进行相位估计线性拟合。

所述步骤102-2)具体为：

假设拖线阵声纳相邻两次快拍时的阵列运动保持均匀线列阵时，相邻两次快拍重叠阵元个数为“N-q”，当采用孔径合成求相位相关因子时均以前一次快拍阵列所在位置为基准，各重叠阵元的相位相关因子为ψ_p，利用线性拟合方法对各ψ_p作形如ψ=m+n·k拟合，通过将其重叠的N-q个相位相关因子代入ψ=m+n·k得到方程组,求解对应的方程组，根据方程组对其它未重叠q个阵元的相位相关因子分别计算，继而对第2次快拍阵列输出信号作相位补偿，并依次对其它快拍进行相位修正补偿处理；

其中，p=1,2,…,N-q；p＝N-q+1,N-q+2,…,N；所述线性拟合方法包含最小二乘法。

上述技术方案中，所述步骤105)进一步包含：

步骤105-1)依据步骤104)对各次测量的接收信号输出依次进行补偿得到扩展阵元数据进行相干累加，得到整个虚拟阵列的输出；

步骤105-2)将整个虚拟阵列的输出采用波束形成等技术进行处理，结合各时间段的信号进行处理获得时间方位历程图；

步骤105-3)再对时间方位历程图波束输出进行检测，得到目标波束对应方位，具体为：将不同频带内目标波束对应的检测方位进行记录，将各频带内存储的方位进行二次拟合，根据计算结果计算方位估计方差，将计算的方位估计方差与设定的检测方差门限进行比较，若小于门限，则检测到的水声目标信号结果属实，接收到水下目标信号确实含有水声目标信号，否则检测结果为虚警，接收到的信号中不含目标信号，继而完成对目标信号的检测。

其中，上述技术方案中时间方位历程图观测是水声信号检测中常用方法，无需赘述，简要描述如下：时间方位历程图通过对连续的采样数据进行短时傅里叶变换而构成，将原始信号的采样序列进行分帧处理(如分为100帧，每帧2000个点)，帧间相互重叠50%，分别对各帧信号进行波束形成处理，得到各帧对应目标方位，将各帧的时间联合即得到时间方位历程图，即采用一张时间方位历程图可以读出目标所在方位，将其方位记录进行后续拟合处理及门限判别，可以实现对目标信号的有效检测。

基于上述方法，本发明还提供了一种可用于被动合成孔径阵列偏航的目标检测系统，其特征在于，所述系统包含：

接受模型构建模块，用于构造拖线阵运动时对待检测的目标信号进行声场空间采样的接收模型；

相位相关因子获取模块，用于基于所述接收模型，当拖线阵阵列在相邻的采样时间间隔发生相继两次运动时，计算相邻两次快拍各重叠阵元的相位相关因子，并采用线性拟合进行相位估计修正得到未重叠阵元的相位相关因子；

第一相位修正补偿模块，用于以拖线阵声纳采样时第1次阵列输出为基准，利用拟合得到未重叠阵元的相关因子对第2次测量时各阵元的输出进行相位修正补偿；重复上述相位修正补偿方法，依据所述接收信号模型，直至将声场采样空间上各次测量的接收信号输出依次进行补偿；和

目标信号检测结果判决模块，用于将补偿后得到扩展阵元数据组成的虚拟阵列输出进行相干累加，采用波束形成等技术得到目标波束对应方位，实现对目标信号的检测。

上述技术方案中，所述相位相关因子获取模块进一步包含：

重叠阵元相位相关因子确定子模块，用于采用ETAM算法利用拖线阵阵列在相邻的采样时间间隔发生相继两次运动时，计算相邻两次快拍各重叠阵元的相位相关因子；和

未重叠阵元相位相关因子确定子模块，用于对相邻两次各重叠阵元的相位相关因子进行相位估计线性拟合，经修正得到其它未重叠阵元的相位相关因子。

上述技术方案中，所述未重叠阵元相位相关因子确定子模块利用最小二乘法进行相位估计线性拟合。

上述技术方案中，所述目标信号检测结果判决模块进一步包含：

虚拟阵列输出模块，用于依据各次测量的接收信号输出依次进行补偿得到扩展阵元数据进行相干累加，得到整个虚拟阵列的输出；

方位历程图获取模块，用于将整个虚拟阵列的输出采用波束形成等技术进行处理，结合各时间段的信号进行处理获得时间方位历程图；和

目标结果判决模块，用于对时间方位历程图波束输出进行检测，得到目标波束对应方位，具体为：将不同频带内目标波束对应的检测方位进行记录，将各频带内存储的方位进行二次拟合，根据计算结果计算方位估计方差，将计算的方位估计方差与设定的检测方差门限进行比较，若小于门限，则检测到的水声目标信号结果属实，接收到水下目标信号确实含有水声目标信号，否则检测结果为虚警，接收到的信号中不含目标信号，继而完成对目标信号的检测。

总之，本发明的技术方案结合被动声纳拖曳线列阵能够应用较短的基阵获得几倍到几十倍的实际物理孔径阵的增益和分辨力，实现对水下弱目标信号的有效检测，充分考虑海浪、潮汐、风等因素的水声环境对拖线阵声纳载体的影响，并使得被动合成孔径技术有效应用到工程实际中，即本发明提供了一种用于被动合成孔径阵列偏航时的相位修正方法。

综上所述，本发明提出一种基于被动合成孔径运动拖线阵阵列偏航的相位估计修正方法，该方法解决由于拖线阵声纳载体在海浪、潮汐、海流、风等因素的影响下航迹偏差及运动不规则性而对孔径合成带来的处理增益损失和检测性能下降。被动合成孔径相位估计修正方法对运动拖线阵阵列偏航误差进行了补偿，提高了方位估计精度，从而能够实现对水下目标的有效检测。所述的方案包括拖线阵声纳载体对水下目标接收信号模型的构建，所述运动拖线阵阵列偏航的被动合成孔径相位修正方法充分考虑水声环境的影响，阵列对信号接收时不用保持拖曳直线阵，不用考虑相邻两次快拍各阵元相互完全重叠。

与现有技术相比，本发明所提出的一种基于被动合成孔径运动拖线阵阵列偏航的相位估计修正方法具有以下优点：

一方面，该方法不用知道信号源的方位角、确切频率和准确的拖曳阵速度，通过相位估计拟合修正能够得到虚拟阵列接收数据，采用常规波束形成等技术对虚拟阵列的输出进行相关累加可以得到大孔径阵列的波束输出；通过时间延迟及空间位置移动可获得相位修正补偿因子，被动合成孔径算法应用于信号检测不受孔径位置的约束限制，在波束域代替其在阵元域上进行相位修正，直接用于相位修正补偿；

另一方面，充分考虑拖线阵声纳载体在实际存在海浪、潮汐、风等因素的水声环境下航迹偏差，无需确保阵列对信号接收时声纳载体作匀速直线运动，不用保持拖曳直线阵，不用阵元位置完全重合，结合阵列运动的接收信号模型构建对信号形成、阵元移动接收等作清晰认识，更加明确被动合成孔径的合成阵列接收信号形成及相位修正补偿方法；

最后，由于采用线性拟合相位估计修正前后方位谱更逼近与理想无航迹偏差情况下方位谱的输出，修正后被动合成孔径算法在复杂水声环境下对水下弱目标信号检测能力更优异，检测效果更佳，速度较快，即应用较短的基阵获得几倍到几十倍的实际物理孔径阵的增益和分辨力，综合提高对水下远距离、安静型弱目标信号的检测能力，发明针对于本专业领域内的普通技术人员，均可予以实现，具有一定的工程实用性，此外本发明的方法在阵列在未偏航时也适用。

附图说明

图1是本发明利用拖曳线列阵声纳运动下对目标信号的接收模型构建的简图；

图2是本发明的运动拖线阵阵列存在偏航示意图，分别作出相邻两次接收时理想情况及阵列存在偏航情况下虚拟阵列合成示意图；

图3是运动拖线阵阵列偏航下被动合成孔径相位估计修正方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，详细阐述此方法在拖线阵阵列偏航时相位估计修正补偿的工作流程。

本发明提出一种基于被动合成孔径运动拖线阵阵列偏航的相位估计修正方法，解决由于拖线阵声纳载体在海浪、潮汐、海流、风等因素的影响下航迹偏差及运动不规则性而对孔径合成带来的处理增益损失和检测性能下降。被动合成孔径相位估计修正方法对运动拖线阵阵列偏航误差进行了补偿，提高了方位估计精度，从而能够实现对水下目标的有效检测。本发明包括拖线阵声纳载体对水下目标接收信号模型的构建，运动拖线阵阵列偏航的被动合成孔径相位修正方法充分考虑水声环境的影响，阵列对信号接收时不用保持拖曳直线阵，不用考虑相邻两次快拍各阵元相互完全重叠，在复杂水声环境下对水下弱目标信号的检测能力优异，速度较快，具有一定的工程实用性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种被动合成孔径运动拖线阵阵列偏航的相位估计修正方法，其特征在于综合考虑实际水声复杂水声环境中拖线阵运动不规则导致拖线阵声纳载体偏离航迹及运动产生不规则性，能够对水下弱目标信号进行有效检测，所述方法包含如下步骤：

步骤(1)以水下舰船等目标辐射噪声特性分析为基础构造拖线阵运动下对目标信号进行声场空间采样的接收模型；

步骤(2)在构建信号接收模型的基础上，按常规被动合成孔径声纳算法利用拖线阵阵列在相邻的采样时间间隔发生相继两次运动时，计算相邻两次快拍各重叠相关因子，并采用线性拟合进行相位估计修正得到未重叠阵元的相位相关因子；

步骤(3)以拖线阵声纳采样时第1次阵列输出为基准，利用步骤(2)拟合得到未重叠阵元的相关因子对第2次测量时各阵元的输出进行相位修正补偿；

步骤(4)重复步骤步骤(2)和步骤(3)，按拖线阵移动下接收信号模型，直至将声场采样空间上各次测量的接收信号输出依次进行补偿；

步骤(5)将步骤(4)中补偿后得到扩展阵元数据组成的虚拟阵列输出进行相干累加，采用波束形成等技术得到目标波束对应方位，实现对目标信号的有效检测。

上述技术方案中，所述步骤(2)和步骤(3)充分考虑线列阵接收信号由于阵列存在不同的偏航时按照常规被动合成孔径声纳ETAM算法利用拖线阵阵列在相邻的采样时间间隔发生相继两次运动计算相邻两次快拍各重叠相关因子，将各重叠阵元的相位相关因子均值作为阵列的相补偿存有误差，采用步骤(2)中计算得到的各重叠相关因子均值作相位补偿的方法显然不合理，因此利用最小二乘法进行相位估计线性拟合，经修正得到其它未重叠阵元的相位相关因子。由于相邻两次快拍的各重叠阵元的相位相关因子近似服从线性分布，拟合修正后方位谱更逼近与理想情况无航迹偏差情况下的方位谱输出，此修正方法避免由于阵元位置移动偏差引起偏航误差对检测性能的影响。

上述技术方案中，所述步骤(1)进一步包含对水下舰船噪声的分析及拖线阵运动下对目标信号进行声场空间采样的接收模型的构建：其中分析舰船噪声特性不仅为水下螺旋桨切割形成线谱信号的被动合成孔径技术奠定基础，而且为后续信号检测处理中对拖船噪声抵消等技术提供理论参考；阵列移动信号模型构建对信号形成、阵元移动接收等作清晰认识，为被动合成孔径的合成阵列接收信号分析、计算相邻两次快拍各重叠相关因子及相位补偿指明思路。

船体的机械噪声、螺旋桨噪声以及水动力噪声是舰船噪声的三种主要来源，其中机械噪声和螺旋桨噪声是舰船噪声的主要声源。机械噪声是航行或行业舰船上的各种机械振动，通过船体向水中辐射而形成的噪声，由于各种机械运动形式的不同，其产生的水下辐射噪声性质也就不同，此噪声可以看成是强线谱和弱连续谱的迭加；螺旋桨噪声是由旋转着的螺旋桨所辐射的噪声，包括螺旋桨空化噪声和螺旋桨叶片振动所产生的噪声，往往是舰船辐射噪声高频段的主要部分；水动力噪声由不规则的、起伏的海流流过运动船只表面而形成，是水流动力作用于舰船的结果，在强度方面一般被机械噪声和螺旋桨噪声所掩盖。

水下舰辐射噪声谱特性与频率、航速、深度有关，低航速时谱的低频端主要为机械噪声和螺旋桨叶片速率谱线，随着频率增高，该谱线不规则地降低；航速较高时螺旋桨空化噪声的连续谱更为重要，掩盖了很多线谱。舰船辐射噪声信号的总的功率谱可以写成宽带连续谱与线谱的和：

G(t,f)=G_s(f)+G_L(f)+2m(t)m(f)G_s(f)

式中G_s(f)表示平稳连续功率谱，G_L(f)表示线谱部分，2m(t)m(f)G_s(f)表示非平稳时变谱，m(t)和m(f)分别为调制函数和调制深度谱。对于舰船辐射噪声而言，给定的航速和深度下，谱的主要成分与临界频率有关，通常的舰船临界频率约在100~1000Hz之间，低于此频率时，谱的主要成分时船的机械和螺旋桨的线谱，高于此频率时，谱的主要成分则是螺旋桨空化的连续噪声谱。依据研究表明，舰船辐射噪声的频域特性是宽带连续谱与窄带线谱的迭加，窄带谱线主要集中在1kHz以下，而宽带连续谱则覆盖了多个倍频程。

实际测量中被动合成孔径声纳感兴趣信号是目标辐射噪声的稳定线谱成分，考虑接收阵元组成的运动阵列实现对单频(线谱)信号的检测。图1(见附图说明)为利用拖曳线列阵声纳运动下对水下目标的辐射噪声进行检测的简图，舰船或被测目标经过水平线列阵时，对噪声信号进行采样，完成对噪声源的检测。对于N个等间距为d的各向同性线列阵，基阵做匀速直线运动，速度为v。以t＝0时刻第1阵元接收到舰船辐射噪声信号为参考标准，第2个阵元相对于第1阵元传播时延为Δτ，则第n阵元接收到信号为

x_n(t_i)=Aexp[j2πf(t_i-τ_n)]+ξ_n(t_i)

以速度v运动τ秒后，第n阵元接收到信号为

x_n(t_i+τ)=Aexp[j2πf(t_i+τ-τ_n(t_i+τ))]+ξ_n(t_i+τ)

阵列移动前后有阵元相互重叠，通过相位修正，可以得到虚拟阵元的扩展。拖船继续按速度v运动，可连续不断的将空间信息合成为虚拟阵元，当相位修正因子估计精确时，虚拟得到的合成孔径可以等效为实际阵元构成的物理孔径。

考虑相邻两次移动前后阵元重叠，取上述0时刻x_n(t_i)中n=N/2+1,…,N，τ秒后x_n(t_i+τ)中n=1,…,N/2，求接收信号相位补偿因数为

ψ_p=arg{x_n(t_i)·x_n ^*(t_i+τ)}

其中p＝1,…,N/2，空间上重叠阵元的相位补偿因数的均值为

$\widetilde{\mathrm{\ψ}}=\frac{1}{N/2}\underset{p=1}{\overset{N/2}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ψ}}_p$

在阵元域对信号进行相关补偿，合成t＝0时刻的虚拟阵元为

$x_m\left(t_i\right)=\exp \left(j\widetilde{\mathrm{\ψ}}\right)\·x_n(t_i+\mathrm{\τ})$

以此在运动Jτ秒后，N阵元基阵可以扩展为(N+J*N/2)个阵元基阵。

步骤(2)和步骤(3)考虑线列阵接收信号由于阵列存在不同的偏航时按照常规被动合成孔径声纳ETAM算法利用拖线阵阵列在相邻的采样时间间隔发生相继两次运动计算相邻两次快拍各重叠相关因子，将各重叠阵元的相位相关因子均值作为阵列的相位补偿存有误差。由于ETAM算法要求分别求取各相邻两个时间段对应的各个相位相关因子，在计算总的相位相关因子时采用步骤(2)中计算得到的各重叠相关因子均值作相位补偿的方法显然不合理，因为当阵列未能作匀速直线运动时，该算法会引起处理增益的损失和检测性能的下降。

拖线阵阵列存在偏航示意图如图2(见附图说明)，图示(a)、(b)分别为相邻两次接收时理想情况及阵列存在偏航情况下虚拟阵列合成示意图。在第2次测量时，阵列存在不同的偏航，对于接收信号中噪声因素，各重叠阵元的相位相关因子近似服从线性分布。采用对各重叠阵元的相位相关因子求平均，再用均值来对阵列输出作相位补偿的方法显然不合理(ETAM算法就是采用均值作相位补偿)，将相邻两次快拍时在阵列运动时均保持均匀线列阵的前提下，相邻两次快拍重叠阵元个数为N-q，孔径合成求相位相关因子均以前一次快拍阵列所在位置为基准，下一次快拍无论运动阵列是否存在偏航误差，其各重叠阵元ψ_p(p=1,2,…,N-q)均可利用线性拟合方法如最小二乘法法则对各ψ_p作形如ψ=m+n·k拟合，通过将其重叠的N-q个相位相关因子代入ψ=m+n·k得到方程组,求解对应的方程组，根据方程组对其它未重叠q个阵元(p＝N-q+1,N-q+2,…,N)的相位相关因子分别计算，继而对第2次快拍阵列输出信号作相位补偿，依次对其它快拍进行相位修正补偿处理，最后得到扩展后的虚拟阵列的输出。对补偿后扩展阵元数据组成的虚拟阵列输出进行相干累加，采用波束形成等技术对目标信号进行方位估计，其中声纳波束形成的目的是对多个基元构成的线列阵经过适当的处理得到在预定方向上的指向性，目标信号可利用线谱检测技术检测到有用信号，进一步利用频域波束形成予以处理。

实际考虑拖线阵声纳在海浪、潮汐、风等因素的影响，使得基阵在运动时由于受水下复杂环境介质和路径的扰动的影响，不可能使阵列相继两次运动前后仍按照匀速直线运动，且各阵元完全呈直线阵状，提出的一种基于被动合成孔径运动拖线阵阵列偏航的相位误差估计方法，可以有效避免航迹误差及运动不规则性对孔径合成带来的处理增益损失和检测性能下降，其阵元域上进行相位修正补偿，提高了方位估计精度，进而实现了对目标信号的有效检测。

上述技术方案中，用于运动拖线阵阵列偏航下被动合成孔径相位估计修正方法如图3所示(见附图说明)，依次对舰船辐射噪声特性进行分析并构建信号在拖线阵运动下对接收模型，并利用此信号接收模型以运动拖曳线列阵对声场空间进行采样，计算相邻两次快拍各重叠阵元的相关因子，利用最小二乘法线性拟合进行相位估计修正，按信号接收模型构造对声场采样空间上各次测量的接收信号输出依次进行补偿，最后由补偿后得到扩展阵元数据组成的虚拟阵列输出进行相干累加，采用波束形成等技术对目标进行方位估计，按分时间段相干处理获得时间方位历程图得到目标波束对应方位，从而实现对目标信号的有效检测。

上述方案中，包含对水下舰船等目标辐射噪声的分析及拖线阵运动信号接收的构建，其中分析舰船噪声特性为水下螺旋桨切割形成线谱信号的被动合成孔径技术奠定基础，线列阵阵列信号模型构造对信号形成、阵元移动接收、航迹偏差时接收等作以清晰认识，更加明确声纳载体在航迹偏差及运动不规则性情况下虚拟阵列信号的形成及相位修正补偿方法，为被动合成孔径对阵列接收信号分析、计算相邻两次快拍各重叠相关因子及相位补偿指明思路。

一方面，该方法不用知道信号源的方位角、确切频率和准确的拖曳阵速度，通过相位估计拟合修正能够得到虚拟阵列接收数据，继而采用常规波束形成等技术对虚拟阵列的输出进行相关累加得到大孔径阵列的波束输出；

另一方面，充分考虑拖线阵声纳载体在实际存在海浪、潮汐、风等因素的环境下航迹偏差，无需确保阵列对信号接收时声纳载体作匀速直线运动，不用保持拖曳直线阵，不用阵元位置必须完全重合，结合阵列运动的接收信号模型构建对信号形成、阵元移动接收等作清晰认识，更加明确被动合成孔径的合成阵列接收信号形成及相位修正补偿方法；

最后，由于采用线性拟合相位估计修正前后方位谱更逼近与理想无航迹偏差情况下方位谱的输出，修正后被动合成孔径算法在复杂水声环境下对水下弱目标信号检测能力更优异，检测效果更佳，即应用较短的基阵获得几倍到几十倍的实际物理孔径阵的增益和分辨力，综合提高对水下远距离、安静型弱目标信号的检测能力，具有一定的工程实用性。

总之，本发明的核心在于：首先，利用舰船辐射噪声特性分析，完成对拖线阵运动下对信号的接收模型的构建；其次，利用此信号接收模型以运动拖曳先列阵阵列对声场空间进行采样，计算相邻两次快拍各重叠阵元的相关因子，利用最小二乘法线性拟合进行相位估计修正，按信号接收模型构造对声场采样空间上各次测量的接收信号输出依次进行补偿，在此充分考虑拖线阵声纳载体在实际存在海浪、潮汐、风等因素的环境下航迹偏差，无需确保阵列对信号接收时声纳载体作匀速直线运动，不用保持拖曳直线阵，满足水下复杂水声环境情况对拖线阵沿直线运动产生的影响，符合实际使用条件；最后，由于采用线性拟合相位估计修正前后方位谱更逼近与理想无航迹偏差情况下方位谱的输出，修正后被动合成孔径算法在复杂水声环境下对水下弱目标信号检测能力更优异，检测效果更佳，且基于被动合成孔径阵列偏航的相位修正方法综合考虑水下舰船噪声辐射特性，利于运动信号检测及拖船噪声抵消等方法的合理使用，具有一定的工程实用性。

实施例

如图1所示，如图1所示，考虑N个等间距为d的各向同性线列阵，基阵做匀速直线运动，速度为v，以t＝0时刻第1阵元接收到舰船辐射噪声信号为参考标准，第2个阵元相对于第1阵元传播时延为Δτ，则第n阵元接收到信号为

x_n(t_i)=Aexp[j2πf(t_i-τ_n)]+ξ_n(t_i)

式中A-幅度；f-频率；t_i-第i个采样时间，τ_n为第n号水听器阵元相对于第1阵元传播时延(n-1)·Δτ，进一步可写成，R₁、R_n分别为辐射声源与第1号及第n号接收水听器距离

τ_n=(R_n-R₁)/c

ξ_n(t_i)表示独立零均值海洋环境噪声。

以速度v运动τ秒后，第n阵元接收到信号为

x_n(t_i+τ)=Aexp[j2πf(t_i+τ-τ_n(t_i+τ))]+ξ_n(t_i+τ)

阵列移动前后有阵元相互重叠，通过相位修正，可以得到虚拟阵元的扩展。拖船继续按速度v运动，可连续不断的将空间信息合成为虚拟阵元，当相位修正因子估计精确时，虚拟得到的合成孔径可以等效为实际阵元构成的物理孔径。

现有技术的被动合成孔径算法如扩展拖曳阵ETAM算法采用阵列运动时相继两个空间位置上的基阵重叠部分的水听器信号互相关来估计基阵两相邻位置的相位修正因子，把这一相位修正因子运用于运动阵相继位置上的波束输出的相干组合得到扩展的拖线阵等效长度。

ETAM算法最优重叠阵元数为N/2，考虑相邻两次移动前后阵元重叠，取上述0时刻x_n(t_i)中n＝N/2+1,…,N，τ秒后x_n(t_i+τ)中n=1,…,N/2，求接收信号相位补偿因数为：

ψ_p=arg{x_n(t_i)·x_n ^*(t_i+τ)}

其中p＝1,…,N/2，空间上重叠阵元的相位补偿因数的均值为：

$\widetilde{\mathrm{\ψ}}=\frac{1}{N/2}\underset{p=1}{\overset{N/2}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ψ}}_p$

在阵元域对信号进行相关补偿，合成t＝0时刻的虚拟阵元为：

$x_m\left(t_i\right)=\exp \left(j\widetilde{\mathrm{\ψ}}\right)\·x_n(t_i+\mathrm{\τ})$

式中，m=N+1,…,N+N/2。以此在运动Jτ秒后，N阵元基阵可以扩展为(N+J*N/2)个阵元基阵。

实际在第2次快拍时，运动阵列存在不同的偏航，考虑接收信号中噪声因素，各重叠阵元的相位相关因子近似服从线性分布。采用对各重叠阵元的相位相关因子求平均，再用均值来对阵列输出作相位补偿的方法显然不合理。

细化分析相邻两次快拍时，阵列在运动中均保持均匀线列阵，相邻两次快拍基阵重叠阵元个数为N-q，孔径合成求相位相关因子均以前一次快拍阵列所在位置为基准，下一次快拍无论运动阵列是否存在偏航误差，其各重叠阵元ψ_p(p=1,2,…,N-q)的近似符合线性关系。考虑线性拟合等方法，如等分三组平均法、分段最佳斜率平均法和线性最小二乘法等拟合方法，其中最常用最小二乘法对各个ψ_p作形如ψ=m+n·k拟合，即考虑将计算得到的N-q个相位相关因子代入ψ=m+n·k(k=1,2，...,N-q)得到方程组

$A\·\stackrel{\→}{\mathrm{\ξ}}=\stackrel{\→}{l}$

其中 $\stackrel{\→}{\mathrm{\ξ}}={\left[\begin{array}{cc}m& n\end{array}\right]}^T,$ $\stackrel{\→}{l}={\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\ψ}}_1& {\mathrm{\ψ}}_2& \·\·\·& {\mathrm{\ψ}}_{N-q}\end{array}\right]}^T,$ 其正则方程组为

$A^{T}A\·\stackrel{\→}{\mathrm{\ξ}}=A^T\stackrel{\→}{l}$

求解该方程组，根据方程组对其它未重叠q个阵元(p＝N-q+1,N-q+2,…,N)的相位相关因子分别计算，得到新的相位修正因子ψ_p'进而对第2次阵列的输出信号作相位补偿，

x_m′(t_i)=exp(jψ_p′)·x_n(t_i+τ)

最后对整个扩展得到的虚拟阵列进行相干累加，对于每一个水听器时间序列的傅里叶变换为：

$X_n\left(f_0\right)=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n\left(t_i\right)\exp (-j2\mathrm{\π}{f}_0{t}_i)$

对各阵元接收信号进行频域波束形成处理，扩展得到M个阵元的波束输出为：

$B\left({\mathrm{\θ}}_s\right)=\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{X}_n\left(f_0\right)\exp \left[j2\mathrm{\π}{f}_0\frac{d(n-1)\sin {\mathrm{\θ}}_s}{c}\right]$

在拖船继续按速度v运动，阵列运动Jτ秒，N阵元基阵扩展得到(N+J*N/2)个阵元基阵，即将连续不断的将空间信息合成为虚拟阵元，在相位修正因子估计精确时，虚拟得到的合成孔径可以等效为实际阵元构成的物理孔径。由此相干组合的波束输出即为被动合成孔径阵列偏航的相位估计修正方法，充分考虑实际基阵在运动时由于受水下复杂环境介质和路径的扰动的影响，阵列不规则运动而导致航迹偏离匀速直线运动，采用线性拟合在测量阵列阵形保持均匀线列阵的基础上，可直接进行相位修正补偿，从而实现对目标信号的有效检测。

总之，本发明公开了一种基于被动合成孔径运动阵列偏航的相位估计修正方法，利用水下舰船等目标辐射噪声特性分析，完成对拖线阵移动下对信号接收模型的构建，解决由于拖线阵声纳载体在复杂水声环境(海浪、潮汐、海流、风等因素)的影响下航迹偏差及运动不规则性对孔径合成带来的处理增益损失和检测性能下降。被动合成孔径相位修正方法对运动拖线阵阵列偏航误差进行补偿，提高了方位精度，从而能够实现对水下目标的有效检测，满足水下复杂水声环境情况对拖线阵沿直线运动产生的影响，符合实际水下舰船等目标信号的检测条件，利于对水下安静型弱目标信号进行有效检测和分辨。

说明文档中的其他内容针对本专业领域内的普通技术人员，均可进行技术实现，这里不再赘述。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种可用于被动合成孔径阵列偏航的目标检测方法，该方法能够用于当拖线阵运动规则或不规则导致的拖线阵声纳载体偏离航迹时对水下弱目标信号进行有效检测，所述方法包含：

步骤101)构造拖线阵运动时对待检测目标信号进行声场空间采样的接收模型，拖线阵阵列开始运动并同时接收来自于待测水下目标的信号对所接收的信号进行空间采样；

步骤102)基于所述接收模型，在拖线阵相邻的采样时间间隔发生相继两次运动时，计算相邻两次快拍各重叠阵元的相位相关因子，并采用线性拟合进行相位估计修正得到未重叠阵元的相位相关因子；

步骤103)以拖线阵声纳采样时第1次快拍为基准，利用步骤102)拟合得到未重叠阵元的相关因子对第2次测量时各阵元的快拍输出进行相位修正补偿；

步骤104)重复步骤102)和步骤103)，依据所述接收信号模型，直至将声场采样空间上各次测量的接收信号的所有快拍阵列的输出依次进行补偿，得到扩展的虚拟阵列的输出结果；

步骤105)将步骤104)得到扩展的虚拟阵列的输出进行相干累加，得到目标波束对应方位，实现对目标信号的检测;

其中，所述接收模型为：由拖缆连接的若干个等间距的各向同性线列阵，该线列阵作匀速直线运动，以某一时刻第1号阵元接收到的待测目标信号为基准，其它阵元相对于1号阵元接收具有特定的传播时延，运动一定时间间隔后，再次对待测目标信号进行接收处理，其它阵元相对于1号阵元接收具有特定的传播时延，以此拖线阵运动并按固定的时间间隔对待测信号进行接收，构建接收信号模型。

2.根据权利要求1所述的可用于被动合成孔径阵列偏航的目标检测方法，其特征在于，所述步骤102)进一步包含：

步骤102-1)采用ETAM算法利用拖线阵阵列在相邻的采样时间间隔发生相继两次运动时，计算相邻两次快拍各重叠阵元的相位相关因子；

步骤102-2)对相邻两次各重叠阵元的相位相关因子进行相位估计线性拟合，经修正得到其它未重叠阵元的相位相关因子。

3.根据权利要求1所述的可用于被动合成孔径阵列偏航的目标检测方法，其特征在于，所述步骤102-2)利用最小二乘法进行相位估计线性拟合。

4.根据权利要求2或3所述的可用于被动合成孔径阵列偏航的目标检测方法，其特征在于，所述步骤102-2)具体为：

假设拖线阵声纳相邻两次快拍时的阵列运动保持均匀线列阵时，相邻两次快拍重叠阵元个数为“N-q”，当采用孔径合成求相位相关因子时均以前一次快拍阵列所在位置为基准，各重叠阵元的相位相关因子为ψ_p，利用线性拟合方法对各ψ_p作形如ψ=m+n·k拟合，通过将其重叠的N-q个相位相关因子代入ψ=m+n·k得到方程组,求解对应的方程组，根据方程组对其它未重叠q个阵元的相位相关因子分别计算，继而对第2次快拍阵列输出信号作相位补偿，并依次对其它快拍进行相位修正补偿处理；

其中，p=1,2,…,N-q；p＝N-q+1,N-q+2,…,N；所述线性拟合方法包含最小二乘法。

5.根据权利要求1所述的可用于被动合成孔径阵列偏航的目标检测方法，其特征在于，所述步骤105)进一步包含：

步骤105-1)依据步骤104)对各次测量的接收信号输出依次进行补偿得到扩展阵元数据进行相干累加，得到整个虚拟阵列的输出；

步骤105-2)将整个虚拟阵列的输出采用波束形成等技术进行处理，结合各时间段的信号进行处理获得时间方位历程图；

步骤105-3)再对时间方位历程图波束输出进行检测，得到目标波束对应方位，具体为：将不同频带内目标波束对应的检测方位进行记录，将各频带内存储的方位进行二次拟合，根据计算结果计算方位估计方差，将计算的方位估计方差与设定的检测方差门限进行比较，若小于门限，则检测到的水声目标信号结果属实，接收到水下目标信号确实含有水声目标信号，否则检测结果为虚警，接收到的信号中不含目标信号，继而完成对目标信号的检测。

6.一种可用于被动合成孔径阵列偏航的目标检测系统，其特征在于，所述系统包含：

接受模型构建模块，用于构造拖线阵运动时对待检测的目标信号进行声场空间采样的接收模型；

相位相关因子获取模块，用于基于所述接收模型，当拖线阵阵列在相邻的采样时间间隔发生相继两次运动时，计算相邻两次快拍各重叠阵元的相位相关因子，并采用线性拟合进行相位估计修正得到未重叠阵元的相位相关因子；

第一相位修正补偿模块，用于以拖线阵声纳采样时第1次阵列输出为基准，利用拟合得到未重叠阵元的相关因子对第2次测量时各阵元的输出进行相位修正补偿；重复上述相位修正补偿方法，依据所述接收信号模型，直至将声场采样空间上各次测量的接收信号输出依次进行补偿；和

目标信号检测结果判决模块，用于将补偿后得到扩展阵元数据组成的虚拟阵列输出进行相干累加，采用波束形成等技术得到目标波束对应方位，实现对目标信号的检测。

7.根据权利要求6所述的可用于被动合成孔径阵列偏航的目标检测系统，其特征在于，所述相位相关因子获取模块进一步包含：

重叠阵元相位相关因子确定子模块，用于采用ETAM算法利用拖线阵阵列在相邻的采样时间间隔发生相继两次运动时，计算相邻两次快拍各重叠阵元的相位相关因子；和

未重叠阵元相位相关因子确定子模块，用于对相邻两次各重叠阵元的相位相关因子进行相位估计线性拟合，经修正得到其它未重叠阵元的相位相关因子。

8.根据权利要求7所述的可用于被动合成孔径阵列偏航的目标检测系统，其特征在于，所述未重叠阵元相位相关因子确定子模块利用最小二乘法进行相位估计线性拟合。

9.根据权利要求6所述的可用于被动合成孔径阵列偏航的目标检测系统，其特征在于，所述目标信号检测结果判决模块进一步包含：

虚拟阵列输出模块，用于依据各次测量的接收信号输出依次进行补偿得到扩展阵元数据进行相干累加，得到整个虚拟阵列的输出；

方位历程图获取模块，用于将整个虚拟阵列的输出采用波束形成等技术进行处理，结合各时间段的信号进行处理获得时间方位历程图；和

目标结果判决模块，用于对时间方位历程图波束输出进行检测，得到目标波束对应方位，具体为：将不同频带内目标波束对应的检测方位进行记录，将各频带内存储的方位进行二次拟合，根据计算结果计算方位估计方差，将计算的方位估计方差与设定的检测方差门限进行比较，若小于门限，则检测到的水声目标信号结果属实，接收到水下目标信号确实含有水声目标信号，否则检测结果为虚警，接收到的信号中不含目标信号，继而完成对目标信号的检测。

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