CN105277934B - 一种基于阵列的弱线谱目标被动检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于阵列的弱线谱目标被动检测方法。步骤一、得到各个阵元接收到的信号的频谱；步骤二、得到频率方位输出矩阵形式：步骤三、得到矩阵P^T；步骤四、形成空间谱输出值；步骤五、判定为探测目标的方位；步骤六、得到线谱目标；步骤七、判断频谱曲线中是否存在线谱等步骤实现的。本发明应用于弱线谱目标被动检测领域，解决了阵列信号处理领域的常规波束形成(CBF)技术不具备针对线谱目标的检测优势、CBF线谱检测器需要四维显示、不直观和不利于观察、多种不需要四维显示的方法又都需要统计的问题。

Description

一种基于阵列的弱线谱目标被动检测方法

技术领域

本发明涉及的是一种弱线谱目标被动检测方法，特别涉及一种基于阵列的弱线谱目标被动检测方法。

背景技术

线谱特征是水下航行器所具有的一类固有特征，而且目标线谱强度往往会高于连续谱强度，线谱检测既有利于发现远距离低信噪比目标又有利于对目标的分辨识别。采用阵列的线谱检测方法可以获得空间处理增益，有利于对弱目标的检测，通常宽带阵列信号处理技术是将各频点的波束形成空间谱输出结果做加法处理得到总的宽带波束形成空间谱输出曲线的，将这种方法简称为一般加法波束形成处理。最常见的是常规波束形成(CBF)线谱检测器利用波束形成得到对线谱目标的空间增益，因此跟单阵元相比提高了对线谱目标的检测能力。但是这种阵列信号处理领域的常规波束形成(CBF)技术对于接收机工作频带内等信噪比强度的连续谱目标和线谱目标具有几乎相同的检测能力，并不具备专门针对线谱信号的检测优势。而且CBF线谱检测器需要四维显示，常规显示器都是三维视窗，因此需要开多个三维视窗以达到四维显示的效果，不利于观察。有文献中曾提出了一些针对弱线谱目标的阵列信号处理检测方法。现总结如下。

《一种基于频率方差加权的线谱目标检测方法》声学学报，2010，35(1):76-80.(以下简称文献1)文献1给出了一种基于频率方差加权的线谱目标检测方法，是一种根据检测到的线谱频率方差调节各方位空间谱输出的加权系数，系数大小与频率方差大小成反比。线谱的频率方差小，权系数大，该方位波束输出值大。方法的优点是有效的避免了传统线谱检测需四维显示这一难题，实现了强连续谱干扰条件下的弱线谱目标检测，可同时检测多个线谱目标。方法的缺点是需要进行时间上的统计才能够确定频率方差值进而确定空间谱输出权值，得到空间谱输出，因而方法给出检测结果需要的积分时间长，无法实现一个时间拍即可给出结果的实时处理，而且方法无法确定线谱目标的精确方位，对目标的方位估计精度低，多目标分辨能力差如图10。

《瞬时频率方差加权导向最小方差波束形成检测器》.哈尔滨工程大学学报，2011，32(6):730-735.(以下简称文献2)文献2将瞬时频率方差加权技术应用于导向最小方差波束形成检测器，可以利用到导向最小方差波束形成检测器分辨率高，旁瓣低的优点，但是同样无法改变其需要进行时间上的统计，且对线谱目标方位估计精度低的问题，因此大部分时候只能用于针对线谱目标的粗略检测方法，无法进行精确的方位估计如图11。

《水下声信号未知频率的目标检测方法研究》。兵工学报.2012，33(4):471-475.(以下简称文献3)文献3提出了一种频率未知情况下基于阵列信号处理的目标检测方法。利用噪声所对应频率单元波束输出的最大值随机，而目标所对应的频率单元波束输出最大值基本一致的特点，统计各频率单元在多个时刻波达方位估计(DOA)结果的稳定性，从而实现对线谱目标的检测。该方法同样需要在时间上进行统计，运算时间长实时性差，且无法进行同频率线谱的多目标分辨，当存在同频率线谱的多目标时方法仅能跟踪获得强目标的方位，对弱目标的检测失效如图12。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对性强、直观性好、简单可行的基于阵列的弱线谱目标被动检测方法。

上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：

步骤一、对M个阵元接收到的信号x₁(t),x₂(t),…,x_M(t)分别做快速傅里叶变换，得到各个阵元接收到的信号的频谱X₁(f),X₂(f)…X_M(f)；

其中，M为阵元个数，f为频率；

步骤二、利用各个阵元接收到的信号的频谱X₁(f),X₂(f)…X_M(f)的各频点频谱值做频域波束形成处理，得到各频点的波束输出方位谱，将子带内的L个波束输出方位谱写成如下矩阵模式即频率方位输出矩阵形式：

其中，f_i表示信号处理频带内的第i个频率点，i的取值范围为1～L，f₁为信号处理频率点下限，f_L为信号处理频率上限，上标T表示转置；L＝B/Δf，B为信号处理带宽，Δf为频率分辨率；θ为波束扫描角，按照角度扫描分辨率将θ划分为[θ₁,θ₂,…,θ_N]共N个角度，N＝180/Δθ，Δθ为角度扫描分辨率；频率方位输出矩阵是关于频率和方位的二维输出矩阵；

步骤三、对频率方位输出矩阵P做转置，得到转置后的频率方位输出矩阵P^T；

步骤四、对转置后的频率方位输出矩阵P^T的每个行向量的波束频率输出谱值进行峰选，将波束频率输出谱值峰选得到的最大峰值作为行向量对应角度的波束形成空间谱输出值；

步骤五、将每个行向量的峰选值按角度从小到大顺序排列输出得到总的波束形成空间谱输出值P_out(θ)，根据P_out(θ)形成波束形成空间谱输出曲线，将波束形成空间谱输出曲线的各个局部峰值位置对应的方位判定为探测目标的方位(θ_T1,θ_T2,…,θ_TQ)，TQ为目标个数；

步骤六、利用步骤五中构成的波束形成空间谱输出曲线与一般加法宽带波束形成输出的空间谱输出曲线做对比；将波束形成空间谱输出曲线的局部峰值明显高于一般加法宽带波束形成空间谱输出值的目标初判为线谱目标；

预先设定门限DT1，如果波束形成空间谱输出曲线的局部峰值与一般加法宽带波束形成空间谱输出的峰值的差值大于预先设定门限DT1，则初判该局部峰值所在方位的目标为线谱目标，该方位为线谱目标方位；

步骤七、取出初判线谱目标方位的波束输出频谱曲线，观察初判线谱目标方位的波束输出频谱曲线中是否存在线谱；

步骤七一、预先设定线谱门限DT2，若初判线谱目标方位的波束输出频谱曲线中的线谱谱级减去初判线谱目标方位对应频率的连续谱背景谱级得到的值大于线谱门限DT2，则认为初判线谱目标的目标频谱中确实存在过门限线谱，初判线谱目标方位的目标为线谱目标；

步骤七二、通过波束频率输出谱值峰选的方法得到线谱目标的线谱频率；通过波束频率输出谱值峰选得到的最大峰值以及取得最大峰值位置所对应的线谱频率f₀。

本发明是为了解决阵列信号处理领域的常规波束形成(CBF)技术不具备针对线谱目标的检测优势，CBF线谱检测器需要四维显示，不直观和不利于观察、背景技术部分引用的文献中提到的多种不需要四维显示的方法又都需要统计的问题而提出的一种基于阵列的弱线谱目标被动检测方法。本发明的效果包括：

1、本发明的基于阵列的宽带波束形成线谱目标被动检测方法，利用频域宽带波束形成得到方位频率输出矩阵，取矩阵各个方位对应的频率谱值输出结果，对每个方位频谱输出结果进行峰选，将峰选输出作为该方位的空间谱输出值，由此构成空间谱输出曲线，根据曲线的峰值获得多个目标的方位，再将由本发明方法给出的空间谱输出曲线与一般加法宽带波束形成输出的空间谱输出曲线做对比，新方法出现峰值明显高于一般加法宽带波束形成输出的空间谱值的目标方位即可初判为线谱目标所在方位。取出初判线谱目标方位的波束输出频谱曲线，观察曲线中是否存在线谱，通过对波束输出频谱曲线峰选得到该方位目标的线谱频率。方法却具有良好的弱线谱目标检测能力，并具有良好的抗强宽带相干干扰的能力，能够同时检测多个弱线谱目标，给出每个目标的方位和频率信息如图3～9。

2、针对传统方法需要进行时间上的统计，且方位分辨率低，无法确定线谱目标的精确方位，测向精度低的问题；本发明给出的方法不需要进行时间上的统计，直接一次波束形成就可以给出检测结果，是一种不同于文献1、2的线谱检测方法，本发明和文献1和2的分辨率对比示意图如图13和图14。

3、文献1、2中的方法虽然可用于对弱线谱目标的检测，但需要对波束输出结果进行时间上的统计，无法实时给出结果。且方位测量精度很低。本发明提出的线谱检测方法，即能够通过一次波束形成输出的结果实时实现对弱线谱目标的检测，同时又具有良好的目标方位测量能力。而且方法除了可以与CBF结合使用外，还可以与具有更高分辨能力的宽带波束形成技术相结合，如最小方差无畸变响应波束形成器(MVDR)等，进而获得更优的方位分辨能力。本发明提出的方法与CBF结合和与MVDR结合的对比图如图15(a)和(b)所示；

图15(a)和图15(b)是基于CBF情况下和基于MVDR波束形成情况下的本专利方法的结果对比。基本条件为：32元阵，声速1500m/s，阵元间距为1.5m，接收机工作频带为100～500Hz，为保证MVDR独立快拍数要求，FFT频率分辨率为8Hz，积分时间15s。图15(a)中，有一个强连续谱干扰源，方位30°，带内信噪比-5dB，两个弱线谱目标，目标1方位88°，频率280Hz，目标2方位110°，频率200Hz。信噪比强度相同，带内信噪比-36dB，谱级信噪比-10dB。可见，采用基于MVDR的方法时，波束输出主瓣更窄，旁瓣略低。图15(b)中为一个强连续谱干扰源，方位30°，带内信噪比-5dB，谱级信噪比-5dB(在8Hz带宽内信噪比为-5dB)，一个弱线谱目标，方位40°，频率200Hz，带内信噪比-20dB，谱级信噪比6dB(在8Hz带宽内信噪比为-3dB)，干扰与目标在通过FFT进行窄带分割的8Hz带宽内信噪比相近，由图可见，基于MVDR波束形成的本发明专利方法的分辨率要优于基于CBF的本发明，这主要是MVDR方法本身的分辨率要优于CBF方法导致的。本发明方法并未改变原波束形成方法的一些基本性能，它适用于大部分非相干的宽带波束形成处理方法，因此具有非常广泛的扩展空间。

4、本发明给出的方法不需要进行时间上的统计，且可以分辩同频率的多目标，是一种不同于文献3的线谱检测方法。文献3中提出的方法同样需要对多个时间块的波束输出结果进行统计，运算时间长，实时性差，且无法分辨同频率的多目标，当存在同频多目标时仅能跟踪强目标，对弱目标的检测失效。本发明中提出的方法仅需要一次波束形成输出结果即可给出线谱检测结果，不需要多次统计运算，实时性好，且可分辨同频多目标，不会造成检测模糊。

附图说明

图1为实施方式一提出的线谱目标被动检测方法实现流程框图；

图2为实施方式五提出的阵列信号处理模型；

图3为实施例提出的强连续谱干扰下单线谱双目标CBF输出矩阵P(SNR：-29.3dB)；

图4为实施例提出的强连续谱干扰下单线谱双目标本发明方法与CBF对比结果(SNR：-29.3dB)；

图5为实施例提出的强连续谱干扰情况下单线谱双目标CBF输出矩阵P(SNR：-36dB)；

图6为实施例提出的强连续谱干扰情况下单线谱双目标本发明方法与CBF对比结果(SNR：-36dB)；

图7为实施例提出的图6中强连续谱干扰下所在方位的谱输出；

图8为实施例提出的图6中线谱目标1所在方位的谱输出；

图9为实施例提出的图6中线谱目标2所在方位的谱输出；

图10为背景技术提出的CBF方差检测示意图；

图11为背景技术提出的针对线谱目标的粗略检测示意图；

图12为背景技术提出的文献3所采用的处理方法框图；

图13为具体实施方式一提出的一种基于阵列的弱线谱目标被动检测的仿真结果示意图；

图14为背景技术文献1和2的CBF频率方差检测示意图；

图15(a)为具体实施方式一提出的与图6相同条件下波束形成结果示意图；

图15(b)为具体实施方式一提出的常规方位单线谱和MVDR单线谱目标示意图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

具体实施方式一：结合图1和图3说明本实施方式的一种基于阵列的弱线谱目标被动检测方法，具体是按照以下步骤制备的：

步骤一、对M个阵元接收到的信号x₁(t),x₂(t),…,x_M(t)分别做快速傅里叶变换(FFT：Fast Fourier transform)，得到各个阵元接收到的信号的频谱X₁(f),X₂(f)…X_M(f)；则各个阵元在频率点f_i的频谱值可表示为X₁(f_i),X₂(f_i)…X_M(f_i)；

其中，M为阵元个数，f为频率，f_i表示信号处理频带内的第i个频率点，i的取值范围为1～L，f₁为信号处理频率点下限，f_L为信号处理频率上限，上标T表示转置；L＝B/Δf，B为信号处理带宽，Δf为频率分辨率；

步骤二、利用各个阵元接收到的信号的频谱X₁(f),X₂(f)…X_M(f)的各频点频谱值做频域波束形成处理，得到各频点的波束输出方位谱，将子带内的L个波束输出方位谱(各频点的波束输出方位谱)写成如下矩阵模式即频率方位输出矩阵形式：

其中，θ为波束扫描角，按照角度扫描分辨率将θ划分为[θ₁,θ₂,…,θ_N]共N个角度，N＝180/Δθ，Δθ为角度扫描分辨率；频率方位输出矩阵是关于频率和方位的二维输出矩阵；根据实际需要设定；

步骤三、对频率方位输出矩阵P做转置，得到转置后的频率方位输出矩阵P^T；

步骤四、对转置后的频率方位输出矩阵P^T的每个行向量(每一行向量对应一个角度，某一角度的多个频点值)的波束频率输出谱值进行峰选，将波束频率输出谱值峰选得到的最大峰值作为行向量对应角度的波束形成空间谱输出值；

步骤五、将每个行向量的峰选值按角度从小到大顺序(按角度0～180顺序排序)排列输出得到总的波束形成空间谱输出值P_out(θ)，根据P_out(θ)形成波束形成空间谱输出曲线，将波束形成空间谱输出曲线的各个局部峰值位置对应的方位判定为探测目标的方位(θ_T1,θ_T2,…,θ_TQ)，定义Ti为探测目标的方位中的目标序号，Ti值取正整数，i＝1：Q，TQ为目标个数；

这样对于每个方位来说给出的都是该方位上最大信噪比频率的空间谱输出值；对于线谱目标来说在目标方位上的线谱具有较高信噪比，因此会得到较高的该线谱的空间谱输出值，同时又利用了波束形成获得了空间上的处理增益；对于连续谱目标来说给出的也是连续谱目标最大信噪比频率的空间谱输出值，但不会得到连续谱在频谱上的累积增益，因此该方法是针对线谱的一种优良检测方法，同时又不会丢失强连续谱方位；事实上方法输出只跟目标频谱的最大谱级信噪比有关；

步骤六、利用步骤五中构成的波束形成空间谱输出曲线与一般加法宽带波束形成输出的空间谱输出曲线做对比；将波束形成空间谱输出曲线的局部峰值明显高于一般加法宽带波束形成空间谱输出值的目标初判为线谱目标；

预先设定门限DT1，如果波束形成空间谱输出曲线的峰值与一般加法宽带波束形成空间谱输出的峰值的差值大于预先设定门限DT1，则初判该局部峰值所在方位的目标为线谱目标，该方位为线谱目标方位；

步骤七、取出初判线谱目标方位的波束输出频谱曲线，观察初判线谱目标方位的波束输出频谱曲线中是否存在线谱；

步骤七一、预先设定线谱门限DT2，若初判线谱目标方位的波束输出频谱曲线中的线谱谱级减去初判线谱目标方位对应频率的连续谱背景谱级得到的值大于线谱门限DT2，则认为初判线谱目标是过门限线谱即过门限线谱判定初判线谱目标方位的目标为线谱目标；若初判线谱目标方位的波束输出频谱曲线中的线谱谱级减去初判线谱目标方位对应频率的连续谱背景谱级得到的值小于等于线谱门限DT2，则认为初判线谱目标的目标频谱中确实存在过门限线谱，初判线谱目标方位的目标为线谱目标

步骤七二、通过波束频率输出谱值峰选的方法得到线谱目标的线谱频率；通过波束频率输出谱值峰选得到的最大峰值以及取得最大峰值位置所对应的线谱频率f₀；

步骤七分别对每个预判为线谱的目标角度循环使用，用于确定每个初判为线谱目标的目标是否真的是线谱目标，如果判断结果是线谱目标，则给出是线谱目标的目标对应的线谱频率f₀。

本实施方式效果：

本实施方式提出的方法基于阵列宽带波束形成技术，对各个方位的波束频谱输出做峰选，使得每个方位的波束形成空间谱输出值都由该方位上频率谱级输出最大值决定，这样就使得弱目标只要在所在方位波束形成空间谱输出信号中的线谱谱级比干扰背景谱级高就能够被检测到。基于以上原理本方法具有以下优点：

1、不需要预知目标的线谱频率，可实现对线谱目标的自动检测，也不需要对波束形成空间谱输出结果再进行时间上的统计，一次空间谱输出结果即可以得到线谱目标方位及频率结果，实时性好；

2、不需要四维显示，同时又能获得阵列对弱线谱目标的空间处理增益，利于强宽带干扰下的弱线谱目标检测，根据方法的检测原理，只要线谱在方位波束形成空间谱输出信号中的谱级高于干扰背景就可以被检测到；

3、方法可与多种宽带波束形成技术相结合，例如CBF或MVDR波束形成等，因此可以充分利用各种宽带波束形成技术的优点，方法的最终分辨率等性能取决于是与哪种宽带波束形成技术结合进行的计算。事实上该方法可与任意一种能够输出方位、频率二维矩阵的宽带波束形成技术相结合，可根据实际需求进行选择，进而获得更理想的检测、分辨效果以及稳定性。

针对需要进行时间上的统计，且方位分辨率低，无法确定线谱目标的精确方位，测向精度低。本实施方式给出的方法不需要进行时间上的统计，直接一次波束形成就可以给出检测结果，是一种不同于文献1、2的线谱检测方法，本实施方式和文献1和2的分辨率对比示意图如图13和图14。

文献1、2中的方法虽然可用于对弱线谱目标的检测，但需要对波束输出结果进行时间上的统计，无法实时给出结果。且方位测量精度很低。本实施方式提出的线谱检测方法，即能够通过一次波束形成输出的结果实时实现对弱线谱目标的检测，同时又具有良好的目标方位测量能力。而且方法除了可以与CBF结合使用外，还可以与具有更高分辨能力的宽带波束形成技术相结合，如最小方差无畸变响应波束形成器(MVDR)等，进而获得更优的方位分辨能力。本实施方式提出的方法与CBF结合和与MVDR结合的对比图如图15(a)和(b)所示；

图15(a)和图15(b)是基于CBF情况下和基于MVDR波束形成情况下的本专利方法的结果对比。基本条件为：32元阵，声速1500m/s，阵元间距为1.5m，接收机工作频带为100～500Hz，为保证MVDR独立快拍数要求，FFT频率分辨率为8Hz，积分时间15s。图15(a)中，有一个强连续谱干扰源，方位30°，带内信噪比-5dB，两个弱线谱目标，目标1方位88°，频率280Hz，目标2方位110°，频率200Hz。信噪比强度相同，带内信噪比-36dB，谱级信噪比-10dB。可见，采用基于MVDR的方法时，波束输出主瓣更窄，旁瓣略低。图15(b)中为一个强连续谱干扰源，方位30°，带内信噪比-5dB，谱级信噪比-5dB(在8Hz带宽内信噪比为-5dB)，一个弱线谱目标，方位40°，频率200Hz，带内信噪比-20dB，谱级信噪比6dB(在8Hz带宽内信噪比为-3dB)，干扰与目标在通过FFT进行窄带分割的8Hz带宽内信噪比相近，由图可见，基于MVDR波束形成的本实施方式专利方法的分辨率要优于基于CBF的本发明，这主要是MVDR方法本身的分辨率要优于CBF方法导致的。本专利方法并未改变原波束形成方法的一些基本性能，它适用于大部分非相干的宽带波束形成处理方法，因此具有非常广泛的扩展空间。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中频域波束形成处理计算公式采用CBF(常规波束形成)或者MVDR(最小方差无畸变响应波束形成)处理，要求波束形成稳健性最好的情况时采用CBF，要求方位分辨率好时采用MVDR波束形成。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤三中转置后的频率方位输出矩阵P^T具体为：

其中，频率f由[f₁,f₂,…f_L]共L个频率点构成。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤五中总的波束形成空间谱输出值P_out(θ)具体为：

其中，max表示求最大值。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤六中一般加法宽带波束形成空间谱输出值的具体过程为：

(1)按照图2的几何关系，按照已知文献惯用的形式，将一个M元阵列在t时刻的阵列接收信号输出向量表示为如下形式：

X(t)＝[x₁(t),x₂(t),…,x_M(t)]^T

其中，M为阵元个数，x_i(t)为第i号阵元接收到的信号，i为阵元序号，i的取值范围为1～M，则波束形成方位θ的波束形成输出信号表示为：

y(t)＝W(θ)^HX(t)

式中W(θ)为波束形成权向量，上标H表示求共轭转置，W(θ)^H＝[W₁(θ),W₂(θ),…,W_M(θ)]^T，θ是方位；波束形成向量的每一个元素都是复数，波束模表示对阵元输出信号的幅度加权，辐角表示对阵元输出信号的相位延迟；

(2)、波束形成输出的平均功率为：

P(θ)＝E[|y(t)|²]＝W(θ)^HE(X(t)X(t)^H)W(θ)＝W(θ)^HRW(θ)

式中，R＝E(X(t)X(t)^H)是声矢量阵列协方差矩阵，E[·]表示求数学平均；H为共轭转置；

(3)、CBF的权向量和方位谱为：

W(θ)＝a(θ)/M

P(θ)＝a(θ)^HRa(θ)

其中，a(θ)＝[1,e^{-j2πfdcosθ/c},…,e^{-j(M-1)2πfdcosθ/c}]^T为导向矢量，d为阵元间距，c为声速，f为频率；

(4)、MVDR波束形成的权向量和方位谱为：

上标“-1”表示对矩阵求逆；被动信号处理中往往不能确知目标的线谱频率，为了不丢失信息接收机要采用宽带信号处理；宽带波束形成需先将信号分为若干窄带信号进行处理，可通过FFT实现，在FFT频带划分时要满足阵列信号处理的窄带条件，即指空间信号带宽的倒数远小于信号的波前跨越阵列最大口径所需要的时间，以保证阵列所有阵元“几乎同时”接收到该信号波前；

(5)、对于宽带CBF来说，第i个子带的波束形成权矢量表示为：

W(f_i,θ)＝a(f_i,θ)/M

第i个子带的波束输出的能量：

P(f_i,θ)＝a(f_i,θ)^HR(f_i)a(f_i,θ)

式中，R(f_i)＝E(X(f_i)X(f_i)^H)，为频率f_i的互谱密度矩阵，E[·]为求N次数学平均，N为观测时间内的独立快拍数，平均相当于是一个时间上的积分，可以提高互谱密度矩阵R的估计精度和稳定度；X(f_i)＝[X₁(f_i),X₂(f_i)…X_M(f_i)]^T，为各阵元接收信号FFT平均周期谱在频率f_i处的频谱值，为频率f_i对应的导向矢量。

(6)、对于宽带MVDR来说，第i个子带的波束形成权矢量表示为：

第i个子带的波束输出的能量：

把每个子带的能量累加就得到了宽带波束形成空间谱输出值：

为了方便对比说明，本发明中把这种能量累加的宽带波束形成方法称为一般加法宽带波束形成。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤六中预先设定门限DT1为3～9dB。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤七中通过波束频率输出谱值峰选得到的最大峰值以及取得最大峰值位置所对应的线谱频率f₀具体为：

f₀＝F(max(p(θ_i,f)))

max表示取p(θ_i,f)中的最大值；F表示找出最大值对应的频率。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例一种基于阵列的弱线谱目标被动检测方法，具体是按照以下步骤制备的：

图3至图6是有强宽带干扰源情况下双线谱目标本发明提出方法应用的结果。条件：32元阵，声速1500m/s，信号处理频段100～500Hz，设阵元间距为1.5m，设有一个强连续谱干扰源，方位30°，带内信噪比-5dB，两个弱线谱目标，目标1方位88°，频率280Hz，目标2方位110°，频率200Hz。信噪比强度相同，图3～4带内信噪比-29.3dB，谱级信噪比-3.3dB，图5～6带内信噪比-36dB，谱级信噪比-10dB。图3和图5为上述条件下，宽带波束形成的频率、方位输出矩阵本发明实施例中角度扫描分辨率Δθ取1°，将宽带波束形成的频率、方位输出矩阵P的行向量求和，即将所有频率的方位输出结果相加，即可得到了常规的宽带波束形成方位谱结果，计算公式为形成方位谱结果如图4和图6中光滑的曲线所示。

图3中可以分辨出连续谱目标和两个弱线谱目标，图5中的两个弱线谱方位和频率聚焦点隐约可见，但是相对较弱。图4和图6是本发明方法与宽带常规CBF方法的波束图曲线对比结果。由4图，对比两条曲线，红色带点曲线为峰选的方法有3个明显的峰值，蓝色光滑曲线为一般加法结果，仅有一个明显的峰值，因线谱目标带内信噪比低没有形成明显的线谱目标峰值，即常规方法已经无法检测到其中的线谱目标，而本发明给出的峰选的方法在带内信噪比相差-29dB甚至-36dB是本发明提出的方法仍然能够从干扰中检测分辨出弱线谱目标，且给出准确方位，假设一级门限设定为DT1为3dB，则可以初判出两个线谱目标并给出方位。图6线谱目标的谱级信噪比更低，因此图4中目标与干扰的峰值相差多于图6中目标与干扰的主峰差，但图6中两线谱目标新方法与一般加法的峰值差也过了一级门限，可以初判为线谱并给出方位。图7、图8、图9分别是图6中强连续谱干扰下所在方位的谱输出和两个目标所在方位对应频谱输出，由图可见，图7中连续谱目标方位无明显线谱，图8和图9中则存在明显线谱，且线谱频率不同，设线谱检测的二级门限DT2为3dB，则两线谱明显过门限，可以确定在这两个方位的目标为线谱目标，通过峰选即可获得两个线谱目标对应的线谱频率分布为280Hz和200Hz。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于阵列的弱线谱目标被动检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、对M个阵元接收到的信号x₁(t),x₂(t),…,x_M(t)分别做快速傅里叶变换，得到各个阵元接收到的信号的频谱X₁(f),X₂(f)…X_M(f)；

其中，M为阵元个数，f为频率；

步骤二、利用各个阵元接收到的信号的频谱X₁(f),X₂(f)…X_M(f)的各频点频谱值做频域波束形成处理，得到各频点的波束输出方位谱，将子带内的L个波束输出方位谱写成如下矩阵模式即频率方位输出矩阵形式：

$P=\left[\begin{array}{c}p(f_1,\mathrm{\θ})\\ p(f_2,\mathrm{\θ})\\ .\\ .\\ .\\ p(f_L,\mathrm{\θ})\end{array}\right]$

其中，f_i表示信号处理频带内的第i个频率点，i的取值范围为1～L，f₁为信号处理频率点下限，f_L为信号处理频率上限，上标T表示转置；L＝B/Δf，B为信号处理带宽，Δf为频率分辨率；θ为波束扫描角，按照角度扫描分辨率将θ划分为[θ₁,θ₂,…,θ_N]共N个角度，N＝180/Δθ，Δθ为角度扫描分辨率；频率方位输出矩阵是关于频率和方位的二维输出矩阵；

步骤三、对频率方位输出矩阵P做转置，得到转置后的频率方位输出矩阵P^T；

步骤四、对转置后的频率方位输出矩阵P^T的每个行向量的波束频率输出谱值进行峰选，将波束频率输出谱值峰选得到的最大峰值作为行向量对应角度的波束形成空间谱输出值；

步骤五、将每个行向量的峰选值按角度从小到大顺序排列输出得到总的波束形成空间谱输出值P_out(θ)，根据P_out(θ)形成的波束形成空间谱输出曲线，将波束形成空间谱输出曲线的各个局部峰值位置对应的方位判定为各个探测目标的方位(θ_T1,θ_T2,…,θ_TQ)，TQ为目标个数；

步骤六、利用步骤五中构成的波束形成空间谱输出曲线与一般加法宽带波束形成输出的空间谱输出曲线做对比；将波束形成空间谱输出曲线的局部峰值高于一般加法宽带波束形成空间谱输出值的目标初判为线谱目标；

预先设定门限DT1，如果波束形成空间谱输出曲线的局部峰值与一般加法宽带波束形成空间谱输出的峰值的差值大于预先设定门限DT1，则初判该局部峰值所在方位的目标为线谱目标，该方位为线谱目标方位；

步骤七、取出初判线谱目标方位的波束输出频谱曲线，观察初判线谱目标方位的波束输出频谱曲线中是否存在线谱；

步骤七一、预先设定线谱门限DT2，若初判线谱目标方位的波束输出频谱曲线中的线谱谱级减去初判线谱目标方位对应频率的连续谱背景谱级得到的值大于线谱门限DT2，则认为初判线谱目标的目标频谱中存在过门限线谱，初判线谱目标方位的目标为线谱目标；

步骤七二、通过波束频率输出谱值峰选的方法得到线谱目标的线谱频率；通过波束频率输出谱值峰选得到的最大峰值以及取得最大峰值位置所对应的线谱频率f₀。

2.根据权利要求1所述一种基于阵列的弱线谱目标被动检测方法，其特征在于：步骤二中频域波束形成处理计算公式采用CBF或者MVDR处理。

3.根据权利要求2所述一种基于阵列的弱线谱目标被动检测方法，其特征在于：步骤三中转置后的频率方位输出矩阵P^T具体为：

$P^T=\left[\begin{array}{c}p({\mathrm{\θ}}_1,f)\\ p({\mathrm{\θ}}_2,f)\\ .\\ .\\ .\\ p({\mathrm{\θ}}_N,f)\end{array}\right]$

其中，频率f由[f₁,f₂,…f_L]共L个频率点构成。

4.根据权利要求3所述一种基于阵列的弱线谱目标被动检测方法，其特征在于：步骤五中总的波束形成空间谱输出值P_out(θ)具体为：

$\begin{array}{c}{P}_{out}\left(\mathrm{\θ}\right)={\left[\begin{array}{c}\max \left(P\right({\mathrm{\θ}}_1,f\left)\right)\\ \max \left(P\right({\mathrm{\θ}}_2,f\left)\right)\\ .\\ .\\ .\\ \max \left(P\right({\mathrm{\θ}}_N,f\left)\right)\end{array}\right]}^T\\ =\[\max \left(P\right({\mathrm{\θ}}_1,f\left)\right),\max \left(P\right({\mathrm{\θ}}_2,f\left)\right),\mathrm{...}\max \left(P\right({\mathrm{\θ}}_i,f\left)\right),\mathrm{...}\max \left(P\right({\mathrm{\θ}}_N,f\left)\right)\]\end{array}$

其中，max表示求最大值。

5.根据权利要求4所述一种基于阵列的弱线谱目标被动检测方法，其特征在于：步骤六中一般加法宽带波束形成空间谱输出值的具体过程为：

(1)将一个M元阵列在t时刻的阵列接收信号输出向量表示为如下形式：

X(t)＝[x₁(t),x₂(t),…,x_M(t)]^T

其中，M为阵元个数，x_i(t)为第i号阵元接收到的信号，i为阵元序号，i的取值范围为1～M，则波束形成方位θ的波束形成输出信号表示为：

y(t)＝W(θ)^HX(t)

式中W(θ)为波束形成权向量，上标H表示求共轭转置，W(θ)^H＝[W₁(θ),W₂(θ),…,W_M(θ)]^T，θ是方位；

(2)、波束形成输出的平均功率为：

P(θ)＝E[|y(t)|²]＝W(θ)^HE(X(t)X(t)^H)W(θ)＝W(θ)^HRW(θ)

式中，R＝E(X(t)X(t)^H)是声矢量阵列协方差矩阵，E[·]表示求数学平均；H为共轭转置；

(3)、CBF的权向量和方位谱为：

W(θ)＝a(θ)/M

P(θ)＝a(θ)^HRa(θ)

其中，a(θ)＝[1,e^{-j2πfdcosθ/c},…,e^-j(M-^{1)2πfdcosθ/c}]^T为导向矢量，d为阵元间距，c为声速，f为频率；

(4)、MVDR波束形成的权向量和方位谱为：

$W\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{R^{-1}a\left(\mathrm{\θ}\right)}{a{\left(\mathrm{\θ}\right)}^H{R}^{-1}a\left(\mathrm{\θ}\right)}$

$P\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{a{\left(\mathrm{\θ}\right)}^H{R}^{-1}a\left(\mathrm{\θ}\right)}$

(5)、对于宽带CBF来说，第i个子带的波束形成权矢量表示为：

W(f_i,θ)＝a(f_i,θ)/M

第i个子带的波束输出的能量：

P(f_i,θ)＝a(f_i,θ)^HR(f_i)a(f_i,θ)

式中，R(f_i)＝E(X(f_i)X(f_i)^H)，为频率f_i的互谱密度矩阵，E[·]为求N次数学平均，N为观测时间内的独立快拍数，X(f_i)＝[X₁(f_i),X₂(f_i)…X_M(f_i)]^T，为各阵元接收信号FFT平均周期谱在频率f_i处的频谱值，为频率f_i对应的导向矢量；

(6)、对于宽带MVDR来说，第i个子带的波束形成权矢量表示为：

$W(f_i,\mathrm{\θ})=\frac{R^{-1}\left(f_i\right)a(f_i,\mathrm{\θ})}{a{(f_i,\mathrm{\θ})}^H{R}^{-1}\left(f_i\right)a(f_i,\mathrm{\θ})}$

第i个子带的波束输出的能量：

$P(f_i,\mathrm{\θ})=\frac{1}{a{(f_i,\mathrm{\θ})}^H{R}^{-1}\left(f_i\right)a(f_i,\mathrm{\θ})}$

把每个子带的能量累加就得到了宽带波束形成空间谱输出值：

$P\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{i=1}{\overset{L}{\Σ}}P(f_i,\mathrm{\θ}).$

6.根据权利要求5所述一种基于阵列的弱线谱目标被动检测方法，其特征在于：步骤七中通过波束频率输出谱值峰选得到的最大峰值以及取得最大峰值位置所对应的线谱频率f₀具体为：

f₀＝F(max(p(θ_i,f)))

max表示取p(θ_i,f)中的最大值；F表示找出最大值对应的频率。