CN105092022A - 基于抹香鲸叫声的水下目标测距单脉冲筛选方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下声探测领域。为利用抹香鲸叫声对水下目标测距设备进行伪装，提高隐蔽性；提供实现水下目标距离参数精确测量的良好信号载体。为此，本发明采取的技术方案是，基于抹香鲸叫声的水下目标测距单脉冲筛选装置，由抹香鲸声数据库存储器、脉冲摘取器、抹香鲸叫声脉冲数据库存储器、模糊函数运算器、模糊函数筛选器、脉冲映射器、单脉冲集合存储器、互相关运算器和测距单脉冲存储器组成；抹香鲸声数据库存储器用于存储海量的原始声数据；脉冲摘取器用于从原始声数据中摘取出叫声脉冲。本发明主要应用于水下声探测。

Description

基于抹香鲸叫声的水下目标测距单脉冲筛选方法及装置

技术领域

本发明属于水下声探测领域，特别是基于抹香鲸叫声的水下目标测距单脉冲筛选方法及装置。

背景技术

抹香鲸群在海洋中活动时，会不停地向水中发射出不同的单脉冲信号，人们常将这些单脉冲信号统称为抹香鲸的叫声。如果使用抹香鲸叫声作为实现水下目标距离测量的载体，敌方会误以为接收到的脉冲信号来自抹香鲸群而非主动测距装置，因此，能起到伪装主动测距装置，提高隐蔽性的能力。

但是，在抹香鲸群所发出的大量单脉冲信号中，并不是所有的单脉冲都具有优良性能，能实现水下目标距离的精确测量；为此，本发明提出了一种水下目标测距单脉冲筛选方法，通过该方法，能从抹香鲸群所发出的大量单脉冲中筛选出一些测距单脉冲，这些测距单脉冲具有距离分辨率高、多普勒容限大的特点，是一种实现水下目标距离参数精确测量的良好信号载体。

发明内容

为克服技术的不足，本发明旨在：

(1)利用抹香鲸叫声对水下目标测距设备进行伪装，提高其隐蔽性；

(2)提出了一种水下目标测距单脉冲筛选方法，通过该方法，能从抹香鲸群所发出的大量单脉冲中筛选出一些测距单脉冲，这些测距单脉冲具有距离分辨率高、多普勒容限大的特点，是一种实现水下目标距离参数精确测量的良好信号载体。

为此，本发明采取的技术方案是，基于抹香鲸叫声的水下目标测距单脉冲筛选装置，由抹香鲸声数据库存储器、脉冲摘取器、抹香鲸叫声脉冲数据库存储器、模糊函数运算器、模糊函数筛选器、脉冲映射器、单脉冲集合存储器、互相关运算器和测距单脉冲存储器组成；

抹香鲸声数据库存储器用于存储海量的原始声数据；

脉冲摘取器用于从原始声数据中摘取出叫声脉冲；

抹香鲸叫声脉冲数据库存储器用于存储被摘取出的叫声脉冲；

模糊函数运算器用于对摘取出的叫声脉冲求取距离速度模糊函数；

模糊函数筛选器用于从求取的距离速度模糊函数中筛选出距离分辨力高且多普勒容限大的模糊函数；

脉冲映射器用于找出与距离分辨力高且多普勒容限大的模糊函数相对应的单脉冲，并将这些单脉冲存储在单脉冲集合存储器中；

互相关运算器对单脉冲集合存储器中的任意两个单脉冲进行互相关运算，并将互相关运算结果都小于阈值W的单脉冲存储在测距单脉冲存储器中。

模糊函数筛选器根据距离速度模糊函数式通过单脉冲遍历的方式，对抹香鲸叫声脉冲数据库中的每个脉冲求取距离速度模糊函数，得到m个距离速度模糊函数计算结果χ₁(τ_d,ξ_d),χ₂(τ_d,ξ_d),…,χ_m(τ_d,ξ_d)，其中，m表示抹香鲸叫声脉冲数据库中单脉冲的个数，τ_d代表相对时延，ξ_d代表相对多普勒频率，s(t)代表抹香鲸叫声脉冲的信号波形。

基于抹香鲸叫声的水下目标测距单脉冲筛选方法，包括下列步骤：

首先，从海量的抹香鲸声数据库存储器中读取数据；并对每段读取的数据进行峰值检测，当被检测数据的峰值大于设定的阈值F时，以峰值所在时刻为参考，对数据进行加窗筛选处理，且加窗宽度为T，T的大小可根据抹香鲸叫声脉冲的宽度进行调节，以使所筛选出来的叫声脉冲是一个完整的抹香鲸发声脉冲信号；对抹香鲸声数据库进行加窗筛选处理后，得到抹香鲸叫声脉冲数据库，并将该抹香鲸叫声脉冲数据库放置于抹香鲸叫声脉冲数据库存储器中；

然后，根据距离速度模糊函数式通过单脉冲遍历的方式，对抹香鲸叫声脉冲数据库中的每个脉冲求取距离速度模糊函数，得到m个距离速度模糊函数计算结果χ₁(τ_d,ξ_d),χ₂(τ_d,ξ_d),…,χ_m(τ_d,ξ_d)，其中，m表示抹香鲸叫声脉冲数据库中单脉冲的个数，τ_d代表相对时延，ξ_d代表相对多普勒频率，s(t)代表抹香鲸叫声脉冲的信号波形；

然后，根据水下目标测距分辨力要求，设定一个叫声脉冲筛选阈值Q；同时，根据测距系统所能容忍的目标最大运动速度要求，也就是叫声脉冲的多普勒容限要求，设定一个叫声脉冲筛选阈值D；

然后，根据距离分辨力和速度容忍要求，从m个距离速度模糊函数计算结果χ₁(τ_d,ξ_d),χ₂(τ_d,ξ_d),…,χ_m(τ_d,ξ_d)中，筛选出距离分辨率小于Q且多普勒容限大于D的叫声脉冲；经筛选后，得到e个模糊函数结果显然有e≤m成立；Q和D的大小可根据应用需要进行调节，以满足水下运动目标测速要求；

然后，通过映射方式，将与e个满足要求的模糊函数所对应的叫声单脉冲组成单脉冲集合A；

最后利用计算机数值分析方法，对集合A中的任意两个叫声单脉冲进行遍历求取互相关，设定互相关阈值W，优选出互相关结果都小于阈值W的单脉冲，组成测距单脉冲集合B；注意所得到集合B中任意两个单脉冲之间的互相关结果都小于阈值W。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

(1)利用抹香鲸叫声对水下目标测距设备进行伪装，提高其隐蔽性；

(2)提出了一种水下目标测距单脉冲筛选方法，通过该方法，能从抹香鲸群所发出的大量单脉冲中筛选出一些测距单脉冲，这些测距单脉冲具有距离分辨率高、多普勒容限大的特点，是一种实现水下目标距离参数精确测量的良好信号载体。

附图说明

图1示出本发明中所述的单脉冲筛选器。

图2示出本发明中所述的用于测距的抹香鲸叫声单脉冲优选过程。

图3示出本发明中阈值F设定示意图。

图4示出本发明中一个完整的抹香鲸发声脉冲信号的加窗筛选图。

图1中：1为抹香鲸声数据库存储器；2为脉冲摘取器；3为抹香鲸叫声脉冲数据库存储器；4为模糊函数运算器；5为模糊函数筛选器；6为脉冲映射器；7为单脉冲集合存储器；8为互相关运算器；9为测距单脉冲存储器。

具体实施方式

为克服现有技术的不足，本发明提供一种基于抹香鲸叫声的水下目标测距单脉冲筛选方法及装置。

本发明具有如下优点：(1)利用抹香鲸叫声对水下目标测距设备进行伪装，提高其隐蔽性；(2)提出了一种水下目标测距单脉冲筛选方法，通过该方法，能从抹香鲸群所发出的大量单脉冲中筛选出一些测距单脉冲，这些测距单脉冲具有距离分辨率高、多普勒容限大的特点，是一种实现水下目标距离参数精确测量的良好信号载体。

本发明采取的技术方案是，基于抹香鲸叫声的水下目标测距单脉冲筛选方法及装置，包括：

第一步：利用抹香鲸群叫声的水下目标测距单脉冲筛选方法的实现装置。

利用抹香鲸群叫声的水下目标测距单脉冲筛选方法在图1所示的单脉冲筛选器中完成，本发明所述单脉冲筛选器由抹香鲸声数据库存储器1、脉冲摘取器2、抹香鲸叫声脉冲数据库存储器3、模糊函数运算器4、模糊函数筛选器5、脉冲映射器6、单脉冲集合存储器7、互相关运算器8和测距单脉冲存储器9组成。

进一步地，抹香鲸声数据库存储器1用于存储海量的原始声数据；进一步地，脉冲摘取器2由峰值检测器10和加窗筛选器11组成，如图2所示；

进一步地，峰值检测器10用于对抹香鲸叫声进行峰值检测；

进一步地，加窗筛选器11用于对抹香鲸叫声从时域上进行截取；

进一步地，抹香鲸叫声脉冲数据库存储器3用于存储被摘取出的叫声脉冲；

进一步地，模糊函数运算器4用于对摘取出的叫声脉冲求取距离速度模糊函数；

进一步地，模糊函数筛选器5用于从求取的距离速度模糊函数中筛选出距离分辨力高且多普勒容限大的模糊函数；

进一步地，脉冲映射器6用于找出与距离分辨力高且多普勒容限大的模糊函数相对应的单脉冲，并将这些单脉冲存储在单脉冲集合存储器7中；

进一步地，互相关运算器8对单脉冲集合存储器7中的任意两个单脉冲进行互相关运算，并将互相关运算结果都小于阈值W的单脉冲存储在测距单脉冲存储器9中。

第二步：用于测距的抹香鲸叫声单脉冲优选过程如图3所示；

首先，从海量的抹香鲸声数据库存储器1中读取数据；并对每段读取的数据进行峰值检测，当被检测数据的峰值大于设定的阈值F时(如图4)，以峰值所在时刻为参考，对数据进行加窗筛选处理，且加窗宽度为T，T的大小可根据抹香鲸叫声脉冲的宽度进行调节，以使所筛选出来的叫声脉冲是一个完整的抹香鲸发声脉冲信号；对抹香鲸声数据库进行加窗筛选处理后，得到抹香鲸叫声脉冲数据库，并将该抹香鲸叫声脉冲数据库放置于抹香鲸叫声脉冲数据库存储器3中；

然后，根据距离速度模糊函数式通过单脉冲遍历的方式，对抹香鲸叫声脉冲数据库中的每个脉冲求取距离速度模糊函数，得到m个距离速度模糊函数计算结果χ₁(τ_d,ξ_d),χ₂(τ_d,ξ_d),…,χ_m(τ_d,ξ_d)，其中，m表示抹香鲸叫声脉冲数据库中单脉冲的个数，τ_d代表相对时延，ξ_d代表相对多普勒频率，s(t)代表抹香鲸叫声脉冲的信号波形；

然后，根据水下目标测距分辨力要求，设定一个叫声脉冲筛选阈值Q；同时，根据测距系统所能容忍的目标最大运动速度要求，也就是叫声脉冲的多普勒容限要求，设定一个叫声脉冲筛选阈值D；

然后，根据距离分辨力和速度容忍要求，从m个距离速度模糊函数计算结果χ₁(τ_d,ξ_d),χ₂(τ_d,ξ_d),…,χ_m(τ_d,ξ_d)中，筛选出距离分辨率小于Q且多普勒容限大于D的叫声脉冲；经筛选后，得到e个模糊函数结果显然有e≤m成立；注意：Q和D的大小可根据应用需要进行调节，以满足水下运动目标测速要求；

然后，通过映射方式，将与e个满足要求的模糊函数所对应的叫声单脉冲组成单脉冲集合A；

进一步地，利用计算机数值分析方法，对集合A中的任意两个叫声单脉冲进行遍历求取互相关，设定互相关阈值W，优选出互相关结果都小于阈值W的单脉冲，组成测距单脉冲集合B；注意所得到集合B中任意两个单脉冲之间的互相关结果都小于阈值W；

本发明所述基于抹香鲸叫声的水下目标测距单脉冲筛选方法及装置的优点是：(1)利用抹香鲸叫声对水下目标测距设备进行伪装，提高其隐蔽性；(2)提出了一种水下目标测距单脉冲筛选方法，通过该方法，能从抹香鲸群所发出的大量单脉冲中筛选出一些测距单脉冲，这些测距单脉冲具有距离分辨率高、多普勒容限大的特点，是一种实现水下目标距离参数精确测量的良好信号载体。

下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明本发明。

本发明具有如下优点：(1)利用抹香鲸叫声对水下目标测距设备进行伪装，提高其隐蔽性；(2)提出了一种水下目标测距单脉冲筛选方法，通过该方法，能从抹香鲸群所发出的大量单脉冲中筛选出一些测距单脉冲，这些测距单脉冲具有距离分辨率高、多普勒容限大的特点，是一种实现水下目标距离参数精确测量的良好信号载体。

本发明采取的技术方案是，基于抹香鲸叫声的水下目标测距单脉冲筛选方法及装置，包括：

第一步：利用抹香鲸群叫声的水下目标测距单脉冲筛选方法的实现装置。

利用抹香鲸群叫声的水下目标测距单脉冲筛选方法在图1所示的单脉冲筛选器中完成，本发明所述单脉冲筛选器由抹香鲸声数据库存储器1、脉冲摘取器2、抹香鲸叫声脉冲数据库存储器3、模糊函数运算器4、模糊函数筛选器5、脉冲映射器6、单脉冲集合存储器7、互相关运算器8和测距单脉冲存储器9组成。

进一步地，抹香鲸声数据库存储器1用于存储海量的原始声数据；

进一步地，脉冲摘取器2用于从原始声数据中摘取出叫声脉冲；进一步地，脉冲摘取器2由峰值检测器10和加窗筛选器11组成，如图2所示；

进一步地，峰值检测器10用于对抹香鲸叫声进行峰值检测；

进一步地，加窗筛选器11用于对抹香鲸叫声从时域上进行截取；

进一步地，抹香鲸叫声脉冲数据库存储器3用于存储被摘取出的叫声脉冲；

进一步地，模糊函数运算器4用于对摘取出的叫声脉冲求取距离速度模糊函数；

进一步地，模糊函数筛选器5用于从求取的距离速度模糊函数中筛选出距离分辨力高且多普勒容限大的模糊函数；

进一步地，脉冲映射器6用于找出与距离分辨力高且多普勒容限大的模糊函数相对应的单脉冲，并将这些单脉冲存储在单脉冲集合存储器7中；

进一步地，互相关运算器8对单脉冲集合存储器7中的任意两个单脉冲进行互相关运算，并将互相关运算结果都小于阈值W的单脉冲存储在测距单脉冲存储器9中。

第二步：用于测距的抹香鲸叫声单脉冲优选过程如图2所示；

首先，从海量的抹香鲸声数据库存储器1中读取数据；并对每段读取的数据进行峰值检测，当被检测数据的峰值大于设定的阈值F时(如图3)，以峰值所在时刻为参考，对数据进行加窗筛选处理，且加窗宽度为T，T的大小可根据抹香鲸叫声脉冲的宽度进行调节，以使所筛选出来的叫声脉冲是一个完整的抹香鲸发声脉冲信号(如图4)；对抹香鲸声数据库进行加窗筛选处理后，得到抹香鲸叫声脉冲数据库，并将该抹香鲸叫声脉冲数据库放置于抹香鲸叫声脉冲数据库存储器3中；

然后，根据距离速度模糊函数式通过单脉冲遍历的方式，对抹香鲸叫声脉冲数据库中的每个脉冲求取距离速度模糊函数，得到m个距离速度模糊函数计算结果χ₁(τ_d,ξ_d),χ₂(τ_d,ξ_d),…,χ_m(τ_d,ξ_d)，其中，m表示抹香鲸叫声脉冲数据库中单脉冲的个数，τ_d代表相对时延，ξ_d代表相对多普勒频率，s(t)代表抹香鲸叫声脉冲的信号波形；

然后，根据水下目标测距分辨力要求，设定一个叫声脉冲筛选阈值Q；同时，根据测距系统所能容忍的目标最大运动速度要求，也就是叫声脉冲的多普勒容限要求，设定一个叫声脉冲筛选阈值D；

然后，根据距离分辨力和速度容忍要求，从m个距离速度模糊函数计算结果χ₁(τ_d,ξ_d),χ₂(τ_d,ξ_d),…,χ_m(τ_d,ξ_d)中，筛选出距离分辨率小于Q且多普勒容限大于D的叫声脉冲；经筛选后，得到e个模糊函数结果显然有e≤m成立；注意：Q和D的大小可根据应用需要进行调节，以满足水下运动目标测速要求；

然后，通过映射方式，将与e个满足要求的模糊函数所对应的叫声单脉冲组成单脉冲集合A；

进一步地，利用计算机数值分析方法，对集合A中的任意两个叫声单脉冲进行遍历求取互相关，设定互相关阈值W，优选出互相关结果都小于阈值W的单脉冲，组成测距单脉冲集合B；注意所得到集合B中任意两个单脉冲之间的互相关结果都小于阈值W。

Claims (3)

1.一种基于抹香鲸叫声的水下目标测距单脉冲筛选装置，其特征是，由抹香鲸声数据库存储器、脉冲摘取器、抹香鲸叫声脉冲数据库存储器、模糊函数运算器、模糊函数筛选器、脉冲映射器、单脉冲集合存储器、互相关运算器和测距单脉冲存储器组成；

抹香鲸声数据库存储器用于存储海量的原始声数据；

脉冲摘取器用于从原始声数据中摘取出叫声脉冲；

抹香鲸叫声脉冲数据库存储器用于存储被摘取出的叫声脉冲；

模糊函数运算器用于对摘取出的叫声脉冲求取距离速度模糊函数；

模糊函数筛选器用于从求取的距离速度模糊函数中筛选出距离分辨力高且多普勒容限大的模糊函数；

脉冲映射器用于找出与距离分辨力高且多普勒容限大的模糊函数相对应的单脉冲，并将这些单脉冲存储在单脉冲集合存储器中；

互相关运算器对单脉冲集合存储器中的任意两个单脉冲进行互相关运算，并将互相关运算结果都小于阈值W的单脉冲存储在测距单脉冲存储器中。

2.如权利要求1所述的基于抹香鲸叫声的水下目标测距单脉冲筛选装置，其特征是，模糊函数筛选器根据距离速度模糊函数式通过单脉冲遍历的方式，对抹香鲸叫声脉冲数据库中的每个脉冲求取距离速度模糊函数，得到m个距离速度模糊函数计算结果χ₁(τ_d,ξ_d),χ₂(τ_d,ξ_d),…,χ_m(τ_d,ξ_d)，其中，m表示抹香鲸叫声脉冲数据库中单脉冲的个数，τ_d代表相对时延，ξ_d代表相对多普勒频率，s(t)代表抹香鲸叫声脉冲的信号波形。

3.一种基于抹香鲸叫声的水下目标测距单脉冲筛选方法，其特征是，包括下列步骤：

首先，从海量的抹香鲸声数据库存储器中读取数据；并对每段读取的数据进行峰值检测，当被检测数据的峰值大于设定的阈值F时，以峰值所在时刻为参考，对数据进行加窗筛选处理，且加窗宽度为T，T的大小可根据抹香鲸叫声脉冲的宽度进行调节，以使所筛选出来的叫声脉冲是一个完整的抹香鲸发声脉冲信号；对抹香鲸声数据库进行加窗筛选处理后，得到抹香鲸叫声脉冲数据库，并将该抹香鲸叫声脉冲数据库放置于抹香鲸叫声脉冲数据库存储器中；

然后，根据距离速度模糊函数式通过单脉冲遍历的方式，对抹香鲸叫声脉冲数据库中的每个脉冲求取距离速度模糊函数，得到m个距离速度模糊函数计算结果χ₁(τ_d,ξ_d),χ₂(τ_d,ξ_d),…,χ_m(τ_d,ξ_d)，其中，m表示抹香鲸叫声脉冲数据库中单脉冲的个数，τ_d代表相对时延，ξ_d代表相对多普勒频率，s(t)代表抹香鲸叫声脉冲的信号波形；

然后，根据水下目标测距分辨力要求，设定一个叫声脉冲筛选阈值Q；同时，根据测距系统所能容忍的目标最大运动速度要求，也就是叫声脉冲的多普勒容限要求，设定一个叫声脉冲筛选阈值D；

然后，根据距离分辨力和速度容忍要求，从m个距离速度模糊函数计算结果χ₁(τ_d,ξ_d),χ₂(τ_d,ξ_d),…,χ_m(τ_d,ξ_d)中，筛选出距离分辨率小于Q且多普勒容限大于D的叫声脉冲；经筛选后，得到e个模糊函数结果显然有e≤m成立；Q和D的大小可根据应用需要进行调节，以满足水下运动目标测速要求；

然后，通过映射方式，将与e个满足要求的模糊函数所对应的叫声单脉冲组成单脉冲集合A；

最后利用计算机数值分析方法，对集合A中的任意两个叫声单脉冲进行遍历求取互相关，设定互相关阈值W，优选出互相关结果都小于阈值W的单脉冲，组成测距单脉冲集合B；注意所得到集合B中任意两个单脉冲之间的互相关结果都小于阈值W。