CN104678380A - 一种高速小目标检测中基于lms算法的直达波抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速小目标检测中基于LMS算法的直达波抑制方法，该方法先利用LMS算法获取主动声呐发射端与接收端之间的单位脉冲响应，再利用该单位脉冲响应得到直达波信号，最后由接收端接收到的信号减去直达波信号估计出目标回波信号，解决了主动声呐系统在进行高速小目标检测过程中因目标回波被直达波信号覆盖所带来的回波信号提取难度增大的问题，在不改变目标回波的基础上，减小了直达波对目标回波的影响，提升了高速小目标检测的准确性。

Description

一种高速小目标检测中基于LMS算法的直达波抑制方法
技术领域
本发明属于水声目标信号检测技术领域，尤其涉及一种高速小目标检测中基于LMS算法的直达波抑制方法。
背景技术
随着小尺寸、低噪声、高航速的新型水下航行器的出现，用被动声纳对水下目标进行检测已不能满足要求。为了提高以新型水下航行器为代表的高速小目标的探测精度，采用主动声纳成为新的选择。
在主动声纳系统中，发射端发射周期性的脉冲信号，该脉冲信号经水下目标反射后，其回波信号被接收端接收。对接收到的回波信号进行分析，能够获取目标的有无和状态信息，达到水下目标检测的目的。在此过程中，接收端不仅接收发射信号经目标反射后的回波信号，还会接收发射端直接传播至接收端的直达波信号。对于一般的主动声纳系统而言，由于发射信号长度有限且目标与声纳平台的距离较远，目标回波与直达波之间有较大的时间间隔而基本不会产生相互影响，因此无需进行直达波抑制或直达波抑制可通过对直达波所在时间段内的接收信号进行限幅来实现。而在高速小目标检测过程中，对多普勒频移有很高的频率分辨率要求，这就需要使用长脉冲信号作为主动声纳的发射信号。加之高速小目标一般距声纳平台较近，因此目标回波将被强度很大的直达波信号所覆盖，增加了提取回波信号并进行目标检测的难度。
发明内容
发明目的：为了解决主动声呐系统在进行高速小目标检测过程中所存在的因目标回波被直达波信号覆盖所带来的回波信号提取难度增大这一技术问题，本发明提供了一种高速小目标检测中基于LMS算法的直达波抑制方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供的高速小目标检测中基于LMS算法的直达波抑制方法，包括以下步骤：
(1)主动声呐的发射端发射白噪声信号，接收端进行信号接收得到第一接收信号，将所述白噪声信号和所述第一接收信号进行离散采样得到离散的白噪声信号x(n)和第一接收信号y(n)，将所述白噪声信号x(n)作为输入信号，将所述第一接收信号y(n)作为输出信号，利用LMS算法获取所述发射端与所述接收端之间的单位脉冲响应W，其中，n为离散时间采样点，W＝[W0 W1 ... Wk-1]，k表示FIR(Finite Impulse Response，有限脉冲响应)滤波器的长度；
(2)主动声呐的发射端发射主动声呐信号，用于高速小目标的检测，接收端进行信号接收得到第二接收信号，将所述主动声呐信号和所述第二接收信号进行离散采样得到离散的主动声呐信号s(n)和第二接收信号r(n)，将所述主动声呐信号s(n)与所述单位脉冲响应W进行卷积得到直达波信号d(n)，其中，n为离散时间采样点；
(3)将所述接收端的第二接收信号r(n)减去所述直达波信号d(n)得到直达波抑制后的接收信号R(n)。
其中，在高速小目标检测过程中，对多普勒频移有很高的频率分辨率要求，所述主动声呐信号s(n)为长脉冲信号。
为了使得LMS算法所获取到的单位脉冲响应W更加贴近实际响应，所述滤波器的长度k所对应的时间大于直达波的传播时间。
有益效果：本发明的长脉冲高速小目标检测中基于LMS算法的直达波抑制方法，是在不改变目标回波的基础上，减小了直达波对目标回波的影响，提升了高速小目标检测的准确性。
附图说明
图1为高速小目标检测示意图；
图2为长脉冲高速小目标检测中的直达波和目标回波；
图3为长脉冲高速小目标检测中的接收信号；
图4为LMS算法原理图；
图5为采用本发明方法获得的单位脉冲响应；
图6为采用本发明方法进行直达波抑制后的接收信号；
图7为直达波抑制前后接收信号的频谱。
具体实施方式
下面结合具体实例，进一步阐明本发明的原理和实施过程。应理解此实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
图1中发射端与接收端位于主动声纳平台上，两者距离为d；发射端和接收端与高速小目标的距离分别为D1和D2，一般D1>>d，D2>>d，所以D1≈D2。由发射端发射经路径d传播被接收端直接接收的信号为直达波；由发射端发射经高速小目标反射被接收端接收的信号称为目标回波信号。
为准确测得高速小目标的多普勒频移，采用长脉冲作为主动声纳的发射信号。图2为高速小目标检测中的直达波和目标回波，仿真条件如下：目标回波信号与海洋本底噪声的信噪比为8dB，水中声速c≈1500m/s；采样频率fs＝40kHz，主动声纳发射信号的脉冲部分频率为f0＝4kHz，时长2s，整个信号周期为4s；主动声纳平台的发射端与接收端相距d＝15m，目标初始位置与主动声纳平台相距D1≈D2＝300m，目标远离主动声纳平台以速度v＝20m/s匀速运动。由图3可见，接收信号为直达波信号与目标回波信号的叠加，目标信息淹没于强度很大的直达波信号中，不便于进行回波信号的提取和高速小目标检测。
图4是使用LMS算法测量发射端至接收端的单位脉冲响应的原理图，其中W是逼近待测单位脉冲响应P的FIR滤波器W＝[W0W1...Wk-1]，其长度k应覆盖直达波的传播时间，即k＞fsd/c＝400，本例中选取k＝600。LMS算法的迭代公式如下：
e(n)＝y(n)-W(n)x(n)T  (1a)
W(n+1)＝W(n)+αe(n)x(n)  (1b)
W(n)的初始值W(0)＝[0 0 ... 0]是长度为k的零向量。首先，获取主动声呐发射端与接收端的单位脉冲响应，在时刻点n，主动声呐的发射端发射白噪声信号x(n)，则信号序列x(n)是大小为1×k的白噪声向量[x(n)x(n-1)...x(n-k+1)]，由当前时刻和之前时刻的白噪声信号组成；y(n)是主动声呐接收端获得的接收信号；选取收敛系数α＝0.001，经公式(1)的迭代使误差信号e的幅度衰减25dB以上。e不再继续衰减时即获得了e的最小值，此时对应的W即是逼近待测单位脉冲响应P的FIR滤波器，即主动声呐发射端至接收端的单位脉冲响应，如图5所示。
然后，主动声呐发射端发射主动声呐信号s(n)，此时主动声呐接收端的接收信号为r(n)。将主动声呐发射信号与上述测量的单位脉冲响应W进行卷积得到d(n)，即在时刻点n，计算d(n)＝Ws(n)T，其中T代表转置，而s(n)＝[s(n) s(n-1) ... s(n-k+1)]，由当前时刻和之前时刻的主动声呐信号组成。
将接收信号r(n)减去d(n)，即R(n)＝r(n)-d(n)，便获得直达波抑制后的接收信号，如图6所示。而抑制前后目标回波时间段的频谱分析如图7所示，其中长方形所注为直达波的频谱，椭圆形所注为目标回波信号的频谱，可见很好的获得了直达波抑制的效果。
在主动声纳工作过程中，当主动声呐平台上的温度、深度等测量仪测得的声纳平台所处位置的温度、水深等发生变化时，即预计到主动声呐发射端至接收端的单位脉冲响应发生变化时，重复以上步骤，完成直达波的抑制。

Claims (3)

1.一种高速小目标检测中基于LMS算法的直达波抑制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)主动声呐的发射端发射白噪声信号，接收端进行信号接收得到第一接收信号，将所述白噪声信号和所述第一接收信号进行离散采样得到离散的白噪声信号x(n)和第一接收信号y(n)，将所述白噪声信号x(n)作为输入信号，将所述第一接收信号y(n)作为输出信号，利用LMS算法获取所述发射端与所述接收端之间的单位脉冲响应W，其中，n为离散时间采样点，表示第n个采样时刻，W＝[W0 W1 ... Wk-1]，k表示FIR滤波器的长度；
(2)主动声呐的发射端发射主动声呐信号，用于高速小目标的检测，接收端进行信号接收得到第二接收信号，将所述主动声呐信号和所述第二接收信号进行离散采样得到离散的主动声呐信号s(n)和第二接收信号r(n)，将所述主动声呐信号s(n)与所述单位脉冲响应W进行卷积得到直达波信号d(n)，其中，n为离散时间采样点，表示第n个采样时刻；
(3)将所述接收端的第二接收信号r(n)减去所述直达波信号d(n)得到直达波抑制后的接收信号R(n)。
2.根据权利要求1所述的高速小目标检测中基于LMS算法的直达波抑制方法，其特征在于，所述主动声呐信号s(n)为长脉冲信号。
3.根据权利要求1所述的高速小目标检测中基于LMS算法的直达波抑制方法，其特征在于，所述滤波器的长度k所对应的时间大于直达波的传播时间。
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