CN103926581A - 一种声纳目标回波亮点参数的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种声纳目标回波亮点参数的测量方法，其特征在于：步骤1：在声纳探测目标上放置N个应答器，N为亮点的个数；步骤2：测量端向目标发射测量信号x(t)，测量端位于目标的远场位置；步骤3：测量端分别接收到目标和应答器的回波信号；步骤4：重复步骤2、3，对接收到的目标回波信号和应答器的回波信号做希尔伯特变换，得到复数域信号，即第一次的目标回波信号y_t(t)，第一次的应答器回波信号y_ai(t)，第二次的目标回波信号y_t′(t)，第二次的应答器回波信号y′_ai(t)；步骤5：利用VTRM方法，求得亮点的时延因子τ；步骤6：利用复数域解矩阵的方法，解算出亮点的幅度反射因子A和相位跳变量

Description

一种声纳目标回波亮点参数的测量方法

技术领域

本发明涉及一种声纳目标回波亮点参数的测量方法。

背景技术

在使用声纳探测无源体或安静型目标时，主动声纳的目标回波是唯一途径。目标回波是目标对入射声波调制所产生的回波，携带有大量目标信息。在针对目标回波结构的研究过程中，声纳目标的亮点模型被提出，模型中亮点使用三参数（时延因子τ，幅度反射因子A和相位条变量）定义。亮点理论主要用于解释目标的回波结构，声诱饵的设计，目标识别和目标姿态的估计，也可以预测出目标强度值，同时对水下目标主动隐身技术的发展有一定的指导意义。目标亮点各个参数的获取有助于直观地认识目标整体特性。

现有技术中，亮点模型中三参数只能通过建模获取，与实艇测量相比仍有一定差距。由于水声信道的复杂性，不便于对实艇模型中的亮点参数进行准确测量，对三参数模型中的τ和A的测量研究主要处于统计阶段，对参数的测量还未起步。因此，对声纳目标亮点参数的测量是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种声纳目标回波亮点参数的测量方法，能够对声纳目标回波亮点参数实现有效测量。

实现本发明目的技术方案：

一种声纳目标回波亮点参数的测量方法，其特征在于：

步骤1：在声纳探测目标上放置N个应答器，N为亮点的个数；

步骤2：测量端向目标发射测量信号x(t)，测量端位于目标的远场位置；

步骤3：测量端分别接收到目标和应答器的回波信号；

步骤4：重复步骤2、3，对接收到的目标回波信号和应答器的回波信号做希尔伯特变换，得到复数域信号，即第一次的目标回波信号y_t(t)，第一次的应答器回波信号y_ai(t)，第二次的目标回波信号y_t′(t)，第二次的应答器回波信号y′_ai(t)；

步骤5：利用VTRM方法，求得亮点的时延因子τ；

步骤6：利用复数域解矩阵的方法，解算出亮点的幅度反射因子A和相位跳变量。

步骤2中，测量信号采用宽带测量信号。

步骤3中，各个应答器采用时分法间隔应答。

步骤5中，通过如下公式求得亮点的时延因子τ，

${\mathrm{\τ}}_i=\arg \underset{t}{\max }\left(\right|y_t\left(t\right)*y_{\mathrm{ai}}^{\′}(-t)\left|\right)$

式中为求出现信号的峰值时t的取值，τ_i为第i个亮点的时延因子。

步骤6中，通过如下方法解算出亮点的幅度反射因子A和相位跳变量

步骤6.1：形成一个N×1的矩阵P_a′，t取相对时刻，为峰值出现的时刻，公式如下，

P′_ai=y_t(t)*y_ai(-t)|_t=0

步骤6.2：形成N×N的矩阵X，t为相对时刻，相对于时间τ_i，公式如下，

$X_{\mathrm{ji}}=y_{\mathrm{aj}}\left(t\right)*y_{\mathrm{ai}}^{\′}(-t){|}_{t={\mathrm{\τ}}_i-{\mathrm{\τ}}_j}$

步骤6.3：计算亮点的反射系数，结果b_t为N×1的复数矩阵，公式如下，

b_t=X^-1×P_a′

步骤6.4：对b_t取绝对值得到各个亮点的幅度反射因子A，取相位得到各个亮点的相位跳变量

步骤1中，应答器放置在目标的亮点位置附近。

本发明具有的有益效果：

本发明在声纳探测目标上放置N个应答器，对接收到的目标回波信号和应答器的回波信号做希尔伯特变换，得到复数域信号，利用VTRM（时间反转镜）方法，求得亮点的时延因子τ，利用复数域解矩阵的方法，解算出亮点的幅度反射因子A和相位跳变量，本发明能够对声纳目标回波亮点参数实现有效测量。本发明测量信号采用宽带信号，有效降低了水声信道的频率特性对回波信号的影响，若使用单频信号，由于水声信道的梳状频选特性，较小的信道变动容易造成较大回波起伏。本发明使用了VTRM（时间反转镜）技术，具有较高的抗噪声能力，能在负信噪比条件下正常工作。本发明采用多个应答器，能对具有多个亮点的声纳目标进行相对准确的测量。

附图说明

图1为本发明方法流程框图；

图2为本发明水下整体测量示意图；

图3为本发明测量装置布放示意图；

图4为应答器工作流程图；

图5为目标和应答器的回波示意图；

图6为本发明目标与应答器的回波进行VTRM运算后的结果示意图。

具体实施方式

步骤1：在声纳探测目标上放置N个应答器，N为亮点的个数。

在目标上放置多个应答器，应答器放置在目标的亮点位置附近，同时不影响目标的回波，如图3所示。

步骤2：测量端向目标发射测量信号x(t)，测量端位于目标的远场位置，如图2所示。

测量端发射宽带测量信号，如线性调频信号（LFM）；目标上的应答器接收到信号之后进行存储，将存储的信号按照一固定的增益A_a发回测量端。

步骤3：测量端接收并存储目标的回波信号和应答器的回波信号。如图5所示，左边为目标的回波，右边为一个应答器的回波。

步骤4：在短时间（小于信道时间相干半径）内，重复步骤2、3，对接收到的目标回波信号和应答器的回波信号做希尔伯特变换，得到复数域信号，即第一次的目标回波信号y_t(t)，第一次的应答器回波信号y_ai(t)，第二次的目标回波信号y_t′(t)，第二次的应答器回波信号y′_ai(t)。

步骤5：利用VTRM方法，求得亮点的时延因子τ。

利用两次回波信号中随机噪声的不相关性，便于提高VTRM运算时的抗噪声性能。y_t(t)与y′_ai(t)做VTRM运算后的波形如图6所示，运算后得到明显的峰值，提取峰值出现的时刻，得到时延因子τ。具体通过如下公式求得亮点的时延因子τ，

${\mathrm{\τ}}_i=\arg \underset{t}{\max }\left(\right|y_t\left(t\right)*y_{\mathrm{ai}}^{\′}(-t)\left|\right)$

式中为求出现信号的峰值时t的取值，τ_i为第i个亮点的时延因子。

步骤6：利用复数域解矩阵的方法，解算出亮点的幅度反射因子A和相位跳变量

通过如下方法解算出亮点的幅度反射因子A和相位跳变量

步骤6.1：形成一个N×1的矩阵P_a′，t取相对时刻，为峰值出现的时刻，公式如下，

P′_ai=y_t(t)*y_ai(-t)|_t=0

步骤6.2：形成N×N的矩阵X，t为相对时刻，相对于时间τ_i，公式如下，

$X_{\mathrm{ji}}=y_{\mathrm{aj}}\left(t\right)*y_{\mathrm{ai}}^{\′}(-t){|}_{t={\mathrm{\τ}}_i-{\mathrm{\τ}}_j}$

步骤6.3：计算亮点的反射系数，结果b_t为N×1的复数矩阵，公式如下，

b_t=X^-1×P_a′

步骤6.4：对b_t取绝对值得到各个亮点的幅度反射因子A，取相位得到各个亮点的相位跳变量。

结合图2，给出水平布放示意图，海底和海面的垂直距离为H米。实施时，测量使用收发合置换能器，并与目标处于同一水平线上，应答器处于目标上方较近位置。使用多个应答器用于抵消不同亮点回波的不同传播路径所造成的损失，以便取得较好的测量效果。应答器的个数为目标的亮点个数。测量时为避免多个应答器的应答信号彼此干扰，各个应答器采用时分法间隔应答，即在接收到信号之后，采用时分的方法，分别延迟不同的时间进行应答，以使在时间轴上进行区分。应答器的具体工作流程参照图4。首先应答器通过发双α滤波器检测信号的能量，若超过一定的阈值则认为测量信号到来，存储此后时间长度为T的信号，之后延迟时间t_i（i为应答器的编号），最后将所存储的信号发回，完成应答过程。

通过实验发现，任何一个复杂目标都可以等效成若干散射亮点的组合，因此任何复杂目标完全可以使用有限的几个应答器模拟。图3给出了一个应答器布放实例，为某目标所使用的应答器布放示意图，应答器放置在了目标亮点位置的上方附近，能够起到较好的参考作用。由于目标强度为目标的远场特性标量，所以在测量时测量系统应处于目标的远场位置，即L≥D²/λ，式中D位目标的特征线度，λ为波长。

Claims (6)

1.一种声纳目标回波亮点参数的测量方法，其特征在于：

步骤1：在声纳探测目标上放置N个应答器，N为亮点的个数；

步骤2：测量端向目标发射测量信号x(t)，测量端位于目标的远场位置；

步骤3：测量端分别接收到目标和应答器的回波信号；

步骤4：重复步骤2、3，对接收到的目标回波信号和应答器的回波信号做希尔伯特变换，得到复数域信号，即第一次的目标回波信号y_t(t)，第一次的应答器回波信号y_ai(t)，第二次的目标回波信号y_t′(t)，第二次的应答器回波信号y′_ai(t)；

步骤5：利用VTRM方法，求得亮点的时延因子τ；

步骤6：利用复数域解矩阵的方法，解算出亮点的幅度反射因子A和相位跳变量

2.根据权利要求1所述的声纳目标回波亮点参数的测量方法，其特征在于：步骤2中，测量信号采用宽带测量信号。

3.根据权利要求2所述的声纳目标回波亮点参数的测量方法，其特征在于：步骤3中，各个应答器采用时分法间隔应答。

4.根据权利要求3所述的声纳目标回波亮点参数的测量方法，其特征在于：步骤5中，通过如下公式求得亮点的时延因子τ，

${\mathrm{\τ}}_i=\arg \underset{t}{\max }\left(\right|y_t\left(t\right)*y_{\mathrm{ai}}^{\′}(-t)\left|\right)$

式中为求出现信号的峰值时t的取值，τ_i为第i个亮点的时延因子。

5.根据权利要求4所述的声纳目标回波亮点参数的测量方法，其特征在于：步骤6中，通过如下方法解算出亮点的幅度反射因子A和相位跳变量，

步骤6.1：形成一个N×1的矩阵P_a′，t取相对时刻，为峰值出现的时刻，公式如下，

P′_ai=y_t(t)*y_ai(-t)|_t=0

步骤6.2：形成N×N的矩阵X，t为相对时刻，相对于时间τ_i，公式如下，

$X_{\mathrm{ji}}=y_{\mathrm{aj}}\left(t\right)*y_{\mathrm{ai}}^{\′}(-t){|}_{t={\mathrm{\τ}}_i-{\mathrm{\τ}}_j}$

步骤6.3：计算亮点的反射系数，结果b_t为N×1的复数矩阵，公式如下，

b_t=X^-1×P_a′

步骤6.4：对b_t取绝对值得到各个亮点的幅度反射因子A，取相位得到各个亮点的相位跳变量

6.根据权利要求1—5任何一项所述的声纳目标回波亮点参数的测量方法，其特征在于：步骤1中，应答器放置在目标的亮点位置附近。