CN105353340A - 一种双层圆柱阵水下被动目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双层圆柱阵水下被动目标检测方法。将每个线阵的阵元输出相加，将圆柱阵等效成圆阵；根据双层圆阵输出的声信号，对内外层圆阵分别预成M个波束，获得2M个波束；将内外圈的相同编号的波束输出结果进行相关运算；计算每个相关函数的峰值和所有波束相关函数的最大值；将所有互相关峰值平均值和最大相关峰值进行比较，如果比值小于预设的阈值，则存在目标信号，否则不存在目标信号。与传统空域检测方法相比，受噪声起伏的影响较小。由于采用更复杂的体积阵，具有更高的空间增益，可探测更远的距离，检测结果还可为后续的目标方位精确估计提供大致的方位。

Description

一种双层圆柱阵水下被动目标检测方法

技术领域

本发明属于阵列信号处理领域，尤其涉及一种双层圆柱阵水下被动目标检测方法。

背景技术

利用目标辐射的噪声进行探测的声纳被称为被动声纳，具有隐蔽性高和能进行目标识别等优点，是对各类舰船和潜艇等水面和水下目标进行探测的主要手段。被动声呐探测的首要任务是通过目标辐射的声信号发现目标，并确定目标的距离、方位、速度和类型等信息，分别对应目标信号检测、参数估计和目标识别的技术。在声呐探测系统的信号处理流程中，目标信号检测通常位于系统的前段，是目标分类和定位的前提和基础。

目前水下被动目标信号检测的技术主要分为两种：一种是基于时域或频域的检测技术，主要应用于复杂噪声环境下的特定声信号的检测，常常需要背景噪声和目标特性等先验知识的帮助，才能获得较好的性能；另一种是基于空域的信号检测技术，主要利用信号与噪声和干扰的空间分布的不同来进行目标信号的检测。基于空域信息的检测技术常常与探测系统的接收前端密切结合，在实际工程中得到较为广泛的应用。

水下目标的辐射噪声由于海水的吸收衰减，经过长距离传播后，到达接收系统时的信号强度往往比较微弱。利用基阵增加目标辐射噪声信号的空间增益，以提高探测距离，是水下目标探测普遍采用的方法。传统的采用线阵或者圆阵等二维阵进行水下目标探测比较常见，但随着对水下目标探测技术指标的进一步提高，传统的方法已经很难满足需求，采用更复杂的组合体积阵成为一种趋势。采用体积阵，可以在基阵上安放更多的阵元，在进一步提高空间增益的同时，可以采用更加灵活多样的处理算法，有助于提高综合探测性能。

现有的基于空域的检测技术，往往需要事先根据方位历程图估计噪声门限。然而一方面：方位历程图在系统的处理流程中，往往是在检测到目标信号之后才进行的操作；另一方面水下噪声的时变和不均匀分布导致信号检测的性能很难获得较好的效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有强稳健性的，双层圆柱阵水下被动目标检测方法。

一种双层圆柱阵水下被动目标检测方法，包括以下步骤，

步骤一：接收基阵是由双层圆柱阵组成的体积阵，其柱面的内外圈半径分别为r₁和r₂，双层圆柱阵的内外圈圆柱分别分布N个线阵，每个线阵上等间隔分布着P个阵元，内外圈圆柱阵的阵元输出信号为x_ijl(n)，i＝1,2分别代表内外圈，j＝1,2…N代表圆柱圆周上阵元数目，l＝1,2…P代表每个线阵上的阵元数目；

步骤二：将每个线阵的阵元输出相加，则圆柱阵等效成圆阵，得到2*N路输出y_ij(n)：

$y_{ij}\left(n\right)=\underset{l=1}{\overset{P}{\Σ}}{x}_{ijl}\left(n\right);$

步骤三：根据双层圆阵输出的声信号y_ij(n)，对内外层圆阵分别预成M个波束，获得2M个波束：

其中，分别用b₁(θ_k)和b₂(θ_k)表示内外圈的波束指向性函数，θ_k代表第k个预成角度，θ_k＝2π(k-1)/M,k＝1…M，波束与波束之间的夹角为△θ＝2π/M，N代表圆周上的阵元个数，f_s是采样频率，

${\mathrm{\τ}}_{ij}\left({\mathrm{\θ}}_k\right)=\frac{r_{i}cos\[{\mathrm{\θ}}_k-(j-1)\mathrm{\α}\]}{c}$

其中，c＝1500m/s是水声声速，α＝2π/N代表圆周上阵元之间的夹角；

步骤四：将内外圈的相同编号的波束输出结果进行相关运算：

r_k(m)＝E{Y_1k(n)Y_2k(n+m)},M₁＜m＜M₂

其中，参数M₁<0<M₂；

步骤五：计算每个相关函数的峰值p_k和所有波束相关函数的最大值p_max：

p_k＝max{r_k(m)|M₁＜m＜M₂}

p_max＝max{p_k|k＝1...M}；

步骤六：进行目标判断；

(1)单目标情况，用所有峰值的平均值和最大值进行比较，根据阈值判断目标是否存在，如果存在，目标方向与最大相关峰对应的波束方向最接近，

H₀：目标存在，如果

H₁：目标不存在，如果

其中0<η₁<1是预设的阈值；

(2)多目标情况，如果目标数目为M_T，且目标数目远小于波束个数，即M_T＜＜M，先计算最大的M_T个相关峰值，用所有峰值的平均值分别与这M_T个峰值进行比较，根据阈值判断目标是否存在，如果存在，目标方向与相关峰值对应的波束方向接近，

H₀：目标存在，如果

H₁：目标不存在，如果

其中，p_m是所有相关峰值中最大的M_T值，1≤m≤M_T，0<η_M<1是预设的阈值。

有益效果：

本发明的有益效果在于提供一种基于体积阵的水下被动目标空域检测方法，解决了传统空域检测技术依赖方位历程图估计噪声阈值，受噪声起伏影响较大的缺陷。本方法采用体积阵，具有比二维阵更高的探测增益。同时，利用本方法即可检测单目标也可检测多目标，且检测结果可为后续的精确方向估计提供大致方位。

附图说明

图1双层圆柱阵示意图；

图2圆阵波束形成示意图；

图3内外圈对应波束零点附近的互相关函数示意图；

图4确定来波方位所在波束示意图；

图5检测算法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明的目的是提供一种基于双层圆柱阵的水下被动目标信号空域检测技术。与传统的空域信号检测技术相比：一是采用了更复杂的双层圆柱阵，具有更高的空间增益，可探测更远的距离；二是所采用的检测算法利用有无信号时接收能量的空间分布差别进行检测，与噪声起伏无关，不需要通过方位历程图进行预估噪声门限，因此具有更好的稳健性。

本发明的目是这样实现的：

(1)将双层圆柱阵的内外圈圆柱分别等效成N个线阵，每个线阵上等间隔分布着P个阵元，假设双层圆柱阵每个阵元的输出为x_ijl(n),i＝1,2分别代表内外圈，j＝1,2…N代表圆柱圆周上阵元数目，l＝1,2…P代表每个线阵上阵元数目。将每个线阵的阵元输出相加，即每P路信号变成1路信号，则圆柱阵等效成圆阵，得到M*N路输出y_ij(n):

$y_{ij}\left(n\right)=\underset{l=1}{\overset{P}{\&Sigma;}}{x}_{ijl}\left(n\right)---\left(1\right)$

(2)根据双层圆阵输出的声信号y_ij(n)，对内外层圆阵分别预成M个波束，获得2M个波束。分别用b₁(θ_k)和b₂(θ_k)表示内外圈的波束指向性函数，θ_k代表第k个预成角度，θ_k＝2π(k-1)/M,k＝1…M,波束与波束之间的夹角为2π/M，波束形成的公式如(1)所示：

其中，N代表圆周上的阵元个数，f_s是采样频率，i＝1,2分别代表内外圈。

${\mathrm{\&tau;}}_{ij}\left({\mathrm{\&theta;}}_k\right)=\frac{r_{i}cos\&lsqb;{\mathrm{\&theta;}}_k-(j-1)\mathrm{\&alpha;}\&rsqb;}{c}---\left(3\right)$

其中，c是水声声速，α＝2π/N代表圆周上阵元之间的夹角。

(3)将内外圈的相同编号的波束输出结果进行相关运算，理论上只需计算零点的相关函数，为了降低干扰的影响，计算零点附近的一些相关函数值,计算公式如(4)所示：

r_k(m)＝E{Y_1k(n)Y_2k(n+m)},M₁＜m＜M₂(4)

其中M₁<0<M₂,即只需计算零点左右的几个相关值。

(4)计算每个相关函数的峰值p_k和所有波束相关函数的最大值p_max：

p_k＝max{r_k(m)|M₁＜m＜M₂}(5)

p_max＝max{p_k|k＝1...M}(6)

(5)对于单目标情况，用所有峰值的平均值和最大值进行比较，超过预设的阈值就可判断是否有目标存在,且目标方向与最大相关峰对应的波束方向最接近，可为后续的目标精确方位估计奠定基础，即：

H₀：目标存在，如果

H₁：目标不存在，如果 $\frac{\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_k}{M{p}_{\max }}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&eta;}}_1---\left(7\right)$

其中0<η₁<1是预设的阈值。

对于多目标情况，如果目标数目为M_T，且目标数目远小于波束个数，即M_T＜＜M,则，可先计算最大的M_T个相关峰值，用所有峰值的平均值分别与这M_T个峰值进行比较，超过预设的阈值就可判断是否有目标存在，且目标方向与相关峰值对应的波束方向接近。

H₀：目标存在，如果

H₁：目标不存在，如果 $\frac{\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_k}{M{p}_m}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&eta;}}_M---\left(8\right)$

其中p_m是所有相关峰值中最大的M_T值，1≤m≤M_T，0<η_M<1是预设的阈值。

接收基阵是由双层圆柱阵组成的体积阵，其柱面的内外圈半径分别为r₁和r₂，双层圆柱阵的内外圈圆柱分别分布N个线阵，每个线阵上等间隔分布着P个阵元，这样整个体积阵的阵元总数为2NP个。内外圈圆柱阵的阵元输出信号用x_ijl(n)表示,i＝1,2分别代表内外圈，j＝1,2…N代表圆柱圆周上阵元数目，l＝1,2…P代表每个线阵上的阵元数目。

本发明提供一种基于双层圆柱阵的水下被动目标空域检测方法。通过对双层圆柱阵内外圈预成波束，将内外圈对应的波束进行互相关运算，将所有互相关峰值平均值和最大相关峰值进行比较，如果比值小于预设的阈值，则存在目标信号，否则不存在目标信号。该发明即可检测单目标，也可检测多目标。与传统空域检测方法相比，不需要通过目标方位历程图来预先估计噪声阈值，因此受噪声起伏的影响较小。另外，由于采用更复杂的体积阵，具有更高的空间增益，可探测更远的距离，检测结果还可为后续的目标方位精确估计提供大致的方位。

本发明涉及的接收基阵是由双层圆柱阵组成的体积阵，令柱面的内外圈半径分别为r₁和r₂，如图1所示，将双层圆柱阵的内外圈圆柱分别等效成N个线阵，每个线阵上等间隔分布着P个阵元，这样整个体积阵的阵元总数为2NP个。内外圈圆柱阵的阵元输出信号用x_ijl(n)表示,i＝1,2分别代表内外圈，j＝1,2…N代表圆柱圆周上阵元数目，l＝1,2…P代表每个线阵上阵元数目，假设N＝12,P＝4,则体积阵阵元总数为96个。

结合附图1～5，本发明的具体步骤如下：

(1)基阵接收的信号需要必要的信号调理和预处理操作，这些操作包括放大、滤波、正交解调和降采样等，不失一般性，预处理后的信号仍用x_ijl(n)表示。

(2)将每个线阵的阵元输出相加，即每P路信号变成1路信号，则圆柱阵等效成圆阵，如图1所示，得到2*N＝24路输出y_ij(n):

$y_{ij}\left(n\right)=\underset{l=1}{\overset{P}{\&Sigma;}}{x}_{ijl}\left(n\right)---\left(1\right)$

(3)根据双层圆阵输出的声信号y_ij(n)，对内外层圆阵分别预成M个波束，获得2M个波束，这里令M＝32。分别用b₁(θ_k)和b₂(θ_k)表示内外圈的波束指向性函数，θ_k代表第k个预成角度，θ_k＝2π(k-1)/M,k＝1…M,则波束与波束之间的夹角为△θ＝2*180°/M＝11.25°，波束形成的公式如(1)所示：

其中，N代表圆周上的阵元个数，f_s是采样频率，i＝1,2分别代表内外圈。

${\mathrm{\&tau;}}_{ij}\left({\mathrm{\&theta;}}_k\right)=\frac{r_{i}cos\&lsqb;{\mathrm{\&theta;}}_k-(j-1)\mathrm{\&alpha;}\&rsqb;}{c}---\left(3\right)$

其中，c＝1500m/s是水声声速，α＝2π/N代表圆周上阵元之间的夹角。

(4)将内外圈的相同编号的波束输出结果进行相关运算，理论上只需计算零点的相关函数，为了降低干扰的影响，计算零点附近的一些相关函数值,如图2所示，计算如公式(4)所示：

r_k(m)＝E{Y_1k(n)Y_2k(n+m)},M₁＜m＜M₂(4)

其中M₁<0<M₂,即只需计算零点左右的几个相关值。

(5)计算每个相关函数的峰值p_k和所有波束相关函数的最大值p_max：

p_k＝max{r_k(m)|M₁＜m＜M₂}(5)

p_max＝max{p_k|k＝1...M}(6)

(6)对于单目标情况，用所有峰值的平均值和最大值进行比较，超过预设的阈值就可判断是否有目标存在,且目标方向与最大相关峰对应的波束方向最接近，可为后续的目标精确方位估计奠定基础，即：

H₀：目标存在，如果

H₁：目标不存在，如果 $\frac{\underset{k=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}{p}_k}{{\mathrm{Mp}}_{\max }}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&eta;}}_1---\left(7\right)$

其中0<η₁<1是预设的阈值。

对于多目标情况，如果目标数目为M_T，且目标数目远小于波束个数，即M_T＜＜M,则，可先计算最大的M_T个相关峰值，用所有峰值的平均值分别与这M_T个峰值进行比较，超过预设的阈值就可判断是否有目标存在，且目标方向与相关峰值对应的波束方向接近。

H₀：目标存在，如果

H₁：目标不存在，如果 $\frac{\underset{k=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}{p}_k}{{\mathrm{Mp}}_m}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&eta;}}_M---\left(8\right)$

其中p_m是所有相关峰值中最大的M_T值，1≤m≤M_T，0<η_M<1是预设的阈值。

由图2中给出了单目标探测的情况，各对应波束相关峰值的分布传递了如下信息：

最高相关峰所处的波束位置，可得到目标的大致方位；

第二高相关峰对应的波束位置，可以判断信号的来波方向在大致方向的那一侧，可为后续的精确方为估计提供支持；

所有相关峰值的平均值与最大峰值的比值可根据上述判决规则来检测是否存在目标信号，当比值小于检测阈值，则存在目标信号，否则不存在目标信号。

对于多目标情况，当目标分布方位较稀疏时，所采用检测方法与单目标情况相同。如果存在目标分布在相邻的波束内，也可检测到，但只能判断目标的大致方向，不能获得目标相对波束指向的哪一侧，这需要后续目标方位精确估计的方法，这里不做讨论。

图1内外圆柱阵面上的线阵波束形成后，输出等效为图2所示的双层圆阵，图2对内外圈的对应波束进行互相关计算，得到图3零点附近的互相关函数；将图3的时间轴转变成水平方位角使各相关峰相互分离，得到图4。

Claims (1)

1.一种双层圆柱阵水下被动目标检测方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一：接收基阵是由双层圆柱阵组成的体积阵，其柱面的内外圈半径分别为r₁和r₂，双层圆柱阵的内外圈圆柱分别分布N个线阵，每个线阵上等间隔分布着P个阵元，内外圈圆柱阵的阵元输出信号为x_ijl(n)，i＝1,2分别代表内外圈，j＝1,2…N代表圆柱圆周上阵元数目，l＝1,2…P代表每个线阵上的阵元数目；

步骤二：将每个线阵的阵元输出相加，则圆柱阵等效成圆阵，得到2*N路输出y_ij(n)：

$y_{ij}\left(n\right)=\underset{l=1}{\overset{P}{\&Sigma;}}{x}_{ijl}\left(n\right);$

步骤三：根据双层圆阵输出的声信号y_ij(n)，对内外层圆阵分别预成M个波束，获得2M个波束：

其中，分别用b₁(θ_k)和b₂(θ_k)表示内外圈的波束指向性函数，θ_k代表第k个预成角度，θ_k＝2π(k-1)/M,k＝1…M，波束与波束之间的夹角为△θ＝2π/M，N代表圆周上的阵元个数，f_s是采样频率，

${\mathrm{\&tau;}}_{ij}\left({\mathrm{\&theta;}}_k\right)=\frac{r_{i}cos\&lsqb;{\mathrm{\&theta;}}_k-(j-1)\mathrm{\&alpha;}\&rsqb;}{c}$

其中，c＝1500m/s是水声声速，α＝2π/N代表圆周上阵元之间的夹角；

步骤四：将内外圈的相同编号的波束输出结果进行相关运算：

r_k(m)＝E{Y_1k(n)Y_2k(n+m)},M₁＜m＜M₂

其中，参数M₁<0<M₂；

步骤五：计算每个相关函数的峰值p_k和所有波束相关函数的最大值p_max：

p_k＝max{r_k(m)|M₁＜m＜M₂}

p_max＝max{p_k|k＝1...M}；

步骤六：进行目标判断；

(1)单目标情况，用所有峰值的平均值和最大值进行比较，根据阈值判断目标是否存在，

H₀：目标存在，如果

H₁：目标不存在，如果

其中0<η₁<1是预设的阈值；

(2)多目标情况，如果目标数目为M_T，且目标数目远小于波束个数，即M_T＜＜M，先计算最大的M_T个相关峰值，用所有峰值的平均值分别与这M_T个峰值进行比较，根据阈值判断目标是否存在，

H₀：目标存在，如果

H₁：目标不存在，如果

其中，p_m是所有相关峰值中最大的M_T值，1≤m≤M_T，0<η_M<1是预设的阈值。