CN105785346B - 一种基于相位方差加权的未知目标线谱检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于相位方差加权的未知目标线谱检测方法，包括：接收阵元接收未知目标所辐射的信号；对接收阵元所接收的信号做滤波放大，然后对滤波放大后的数据通过采样得到离散信号，接着对离散信号做傅里叶变换分析，得到频谱数据；从频谱数据中提取各频率单元相位；更新接收阵元所接收的信号，重复执行之前步骤，直到重复次数达到预先设定值M，则各频率单元均得到M个相位值；对所有频率单元的相位值做方差计算；对所有频率单元做相位方差加权统计，得到最终频谱的估计值，从所述最终频谱的估计值中求最大值，得到信号线谱的估计值；由信号线谱的估计值检测出水下目标辐射噪声中未知目标的线谱。

Description

一种基于相位方差加权的未知目标线谱检测方法及系统

技术领域

本发明涉及声纳信号处理领域，特别涉及一种基于相位方差加权的未知目标线谱检测方法及系统。

背景技术

由于被动声纳不对外辐射信号，隐蔽性较强，一直是对水下目标进行检测、定位、跟踪、识别重要手段之一。但随着隐身技术的不断提高，被动声纳接收数据的信噪比随之在不断降低，对被动声纳的性能需求也越来越严格。被动声纳常用的检测技术已不能满足远程目标检测需求。学者通过理论和实验证明了：水下目标辐射噪声中含有丰富的单频分量，特别是在低频段，螺旋桨转动会切割水体产生低频信号，一部分低频分量直接以加性形式出现在目标辐射信号中，另有部分被船体自身的振动调制到较高频带，线谱谱级通常比连续谱平均谱级高出10～25dB。这为被动声纳实现水下目标远程探测提供一种可能，也促使了线谱检测技术的进一步发展。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中无法对目标的线谱进行有效检测的缺陷，从而提供一种能够有效检测目标线谱的方法与系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于相位方差加权的未知目标线谱检测方法，包括：

步骤1)、接收阵元接收未知目标所辐射的信号；

步骤2)、对接收阵元所接收的信号做滤波放大，然后对滤波放大后的数据通过采样得到离散信号，接着对离散信号做傅里叶变换分析，得到频谱数据；

步骤3)、从步骤2)所得到的频谱数据中提取各频率单元相位；

步骤4)、更新接收阵元所接收的信号，重复执行步骤1)、步骤2)以及步骤3)，直到重复次数达到预先设定值M，则各频率单元均得到M个相位值；

步骤5)、对所有频率单元的相位值做方差计算；

步骤6)、对所有频率单元做相位方差加权统计，得到最终频谱的估计值，从所述最终频谱的估计值中求最大值，得到信号线谱的估计值；由信号线谱的估计值检测出水下目标辐射噪声中未知目标的线谱。

上述技术方案中，在步骤2)中，还包括对采样所得到的离散信号尾部做补0的操作，使得离散信号序列长度为K，K所取最小整数值应满足以下条件：log₂K为整数。

上述技术方案中，在步骤3)中，采用α-β滤波器从频谱数据中提取各频率单元相位。

本发明还提供了一种基于相位方差加权的未知目标线谱检测系统，包括：

接收阵元，所述接收阵元接收未知目标所辐射的信号；

频谱数据生成模块，该模块用于对接收阵元所接收的信号做滤波放大，然后对滤波放大后的数据通过采样得到离散信号，接着对离散信号做傅里叶变换分析，得到频谱数据；

相位数据提取模块，用于从频谱数据生成模块所得到的频谱数据中提取各频率单元相位；

循环判断模块，该模块在接收阵元更新所接收的信号后，重新调用接收阵元、频谱数据生成模块以及相位数据提取模块，直到重复次数达到预先设定值M，则各频率单元均得到M个相位值；

方差计算模块，用于对所有频率单元的相位值做方差计算；

检测模块，该模块用于对所有频率单元做相位方差加权统计，得到最终频谱的估计值，从所述最终频谱的估计值中求最大值，得到信号线谱的估计值；由信号线谱的估计值检测出水下目标辐射噪声中未知目标的线谱。

本发明的优点在于：

1、本发明的方法依据水下目标辐射噪声含有高强度稳定线谱这一特征，利用目标线谱频率单元对应相位比较稳定，背景噪声频率单元对应相位比较随机的特点，对各频率单元进行相位方差加权，可以进一步抑制背景噪声能量干扰，增强目标线谱检测信噪比增益，实现对水下目标辐射噪声中未知目标线谱的检测。

2、本发明的方法相比相位差分对齐可以进一步增强目标线谱检测信噪比增益，抑制背景噪声能量干扰，实现对水下目标辐射噪声中未知线谱的检测。理论分析和实验结果同样验证了本发明可以进一步增强目标线谱能量、抑制噪声、提高信噪比。

3、本发明的方法简单有效，可满足实际工程应用需要。

附图说明

图1是本发明方法所适用的接收阵的示意图；

图2是采用本发明的未知目标线谱检测方法的流程图；

图3为一次采集长度为T＝1s，所得目标线谱1、2频率单元和269Hz噪声频率单元的500次相位估计值的示意图；

图4为一次采集长度为T＝10s，对采集数据分10段进行FFT分析，然后再分别按常规fft分析法、相位差分对齐法和本发明的基于相位方差加权法所得最终频谱图；

图5为不同输入谱级比下的相位标准差的示意图；

图6为不同输入谱级比下，fft分析法、相位差分对齐法和本发明的基于相位方差加权法所得69Hz线谱频率单元与噪声频率单元平均谱级比的示意图；

图7为不同输入谱级比下，fft分析法、相位差分对齐法和本发明的基于相位方差加权法所得100Hz线谱频率单元与噪声频率单元平均谱级比的示意图；

图8为在一个海试实验中实验所用目标船和接收设备的示意图；

图9为fft分析法、相位差分对齐法和本发明的基于相位方差加权法所得最终频谱图(t＝300s)；

图10为69Hz频谱单元与噪声单元平均谱级比；

图11为107Hz频谱单元与噪声单元平均谱级比；

图12为相位标准差；

图13为常规fft分析法所得最终LOFAR图；

图14为相位差分对齐法所得最终LOFAR图；

图15为基于相位方差加权法所得最终LOFAR图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明依据水下目标辐射噪声含有高强度稳定线谱这一特征，利用目标线谱频率单元对应相位比较稳定，背景噪声频率单元对应相位比较随机的特点，提出一种基于相位方差加权的未知目标线谱检测方法。

在对本发明的方法做详细说明前，首先对本发明的方法所适用阵元加以描述。图1为一接收阵元示意图，该接收阵元接收未知目标辐射信号，该信号经水声信道传播后到达阵元。以该接收拖线阵为例，下面对本发明的方法做详细说明。

参考图2，本发明的方法包括以下步骤：

步骤1)、接收阵元接收信号。

接收阵元所接收信号的表达式如下：

式中，A_n为线谱信号幅度，f_n为线谱信号频率，为线谱信号初始相位，t为目标辐射信号时刻，bs(t)为宽带信号；N为假定的独立分量数，和bs(t)相互独立，服从[0～2π]均匀分布。

步骤2)、对阵元所接收的数据进行滤波放大，然后对滤波放大后的数据通过A/D电路采样得到离散信号x(n'T_s)，然后对离散信号做傅里叶变换(FFT)分析，得到频谱数据X(kw_s)；其中，对滤波放大后的数据采样的采样率为f_s，采样周期T_s＝1/f_s。

作为一种优选实现方式，为了方便应用，必要时需在离散信号x(n'T_s)尾部进行补0，使序列长度为K，这里K所取最小整数值应满足以下条件：log₂K为整数。

对离散信号做傅里叶变换分析的实现如式(2)所示：

其中，w_s＝2π/KT_s是FFT分析中的频率采样间隔，N'＝K为数据长度。

步骤3)、从步骤2)所得到的频谱数据X(kw_s)中提取各频率单元相位；

作为一种优选实现方式，为了充分利用所得信号，本发明采用α-β滤波器提取各频率单元相位，提取时所涉及的计算公式如式(3)所示：

式中，X_m(kw_s)叠加了由先前信号所得频谱数据X_m-1(kw_s)，其中，1≤m≤M，M为统计次数，X₀(kw_s)＝0，α＝β＝0.5为本发明所用滤波器系数。

从该计算公式可以看出，在计算各频率单元相位时，除了相位信息外，还能得到累加了先前信号所得频谱数据X_m-1(kw_s)后的频谱数据X_m(kw_s)。

步骤4)、更新接收信号，重复进行步骤1)、步骤2)、步骤3)，直到重复次数达到预先设定值M，则各频率单元均得到M个相位值，记为m＝1,2,…,M，k＝1,2,…,K。

步骤5)、对所有频率单元的相位值按式(4)进行方差计算，方差计算结果记为k＝1,2,…,K。

步骤6)、对所有频率单元进行相位方差加权统计，得到最终频谱和信号线谱估计值，由信号线谱的估计值可检测到目标。

对所有频率单元进行相位方差加权统计，从而得到最终频谱的计算如式(5)所示：

从该公式可以看出，当较小时，其对应频率单元谱值在频谱数据中的数值较大，便于检测提取。

从最终频谱的估计值中找最大值，即可得到信号线谱的估计值。

以上是对本发明方法基本步骤的描述，下面对这些步骤做进一步的说明。

在步骤6)中，对所有频率单元进行相位方差加权统计。下面对这一加权的必要性进行陈述。

设滤波器频带上下限为f₁，f_K，如果采用FFT分析法进行线谱检测，最终频谱可按式(6)表示：

当目标线谱占其中一个频率单元。令最小和最大预成相位值为目标线谱频率单元相位值的最小值和最大值分别为进行M次统计，假设所有频率单元相位值均服从均匀分布，背景噪声和目标线谱相位方差分别为δ_n、δ_s，它们的表达式如下：

首先对背景噪声频率单元进行统计，对于背景噪声频率单元，每个预成相位值出现概率相等。

然后将目标线谱相位方差结果累加到式(8)中，可得：

式(9)可简化为：

在目标线谱相位比较稳定被正确估计的概率在50％以上时，通过排序、提取中间部分值可使目标线谱频率单元的相位方差值δ_s＜＜δ_n；当目标线谱频率单元对应相位受水声信道影响产生波动时，可对各频带相位先进行差分对齐，然后再求取相位差分对齐后的相位方差值，同样可得相位差分对齐后的相位方差值δ_s＜＜δ_n，由式(9)可知：在频谱输出值中，目标线谱频率单元对应谱值将远大于其它位置对应谱值。这就证明了本发明方法在目标检测时的可行性。

本发明的方法(简称基于相位方差加权法)与现有技术中的方法(简称常规fft分析法、相位差分对齐法)相比具有明显的优点。下面结合实例，对本发明方法与现有技术中相关方法的效果进行比较。

在一个比较例中，所采用的目标辐射信号同样包括高斯带限连续谱和线谱成份，连续谱带宽为10～500Hz，目标辐射线谱1、2频率分别为69Hz和100Hz，线谱谱级与连续谱平均谱级比为18dB。干扰为带限噪声，带宽为10～500Hz，目标辐射连续谱谱级与干扰噪声谱级比为-5dB。现对阵元拾取数据，按采样率f_s＝5kHz采样，得到的仿真结果如下。

图3为一次采集长度为T＝1s，所得目标线谱1、2频率单元和269Hz噪声频率单元的500次相位估计值。

图4为一次采集长度为T＝10s，对采集数据分10段进行FFT分析，然后再分别按式(6)、相位差分对齐法和式(5)所得最终频谱图。

从图3可以看出，目标线谱频率单元相位估计值比较稳定，而噪声频率单元相位估计值比较随机。依据图3所得相位估计值按式(4)进行方差求取，由于目标线谱频率单元对应相位比较稳定，方差小，而背景噪声频率单元对应相位比较随机，方差大，即δ_s＜＜δ_n；按式(5)进行各频带频谱加权求取最终频谱，这样可以削弱背景噪声对线谱检测的影响，凸显线谱频率单元对应谱值。图4结果同样验证了本发明可有效地增强目标线谱能量、抑制噪声、提高信噪比。在本文数值仿真情况下，本发明相比常规fft分析法所得线谱频率单元信噪比提高30dB，相比相位差分对齐法提高了近20dB。

下面将给出目标线谱频率单元与噪声频率单元不同平均谱级比下，线谱频率单元与噪声频率单元的相位标准差和不同方法所得最终线谱频率单元与噪声频率单元的平均谱级比。现假定目标辐射信号只有线谱，线谱1、2频率分别为69Hz和100Hz，干扰为带限噪声，带宽为10～500Hz。图5、图6和图7分别是3种方法从输入平均谱级比-30dB到30dB，每个平均谱级比下做1000次独立统计所得线谱频率单元与噪声频率单元的相位标准差和最终线谱频率单元与噪声频率单元的平均谱级比，每次采集长度为T＝10s，对采集数据分10段进行FFT分析。

图5为不同输入谱级比下的相位标准差；

图6为不同输入谱级比下，3种方法(fft分析法、相位差分对齐法和本发明的基于相位方差加权法)所得69Hz线谱频率单元与噪声频率单元平均谱级比；

图7为不同输入谱级比下，3种方法(fft分析法、相位差分对齐法和本发明的基于相位方差加权法)所得100Hz线谱频率单元与噪声频率单元平均谱级比；

从图5可以看出，在输入平均谱级比高于-6dB时，目标线谱频率单元相位标准差小于噪声频率单元的相位标准差。从图6和图7可以看出，相比常规fft分析法、相位差分对齐法所得最终线谱频率单元与噪声频率单元的平均谱级比，在输入平均谱级比大于-6dB时，本发明所得最终线谱频率单元与噪声频率单元的平均谱级比得到了提高，且随着输入平均谱级比越高，输出线谱频率单元与噪声频率单元的平均谱级比被提高越多。原因在于在相位存在波动时，每一时刻所得频谱相位并非完全一致，常规fft分析法在没有进行相位对齐时，求得的最后频谱并非为线谱真实幅值的绝对累加，而相位差分对齐法是先对每一时刻所得频谱相位进行对齐，然后采用式(6)求取最后频谱，所得最后频谱为线谱真实幅值的绝对累加。所以输入平均谱级比大于-6dB时，相位差分对齐方法相比常规fft分析法所得最后频谱的线谱频率单元与噪声频率单元的平均谱级比得到了提高；且在高信噪比下，线谱真实幅值的绝对累加与非真实幅值的绝对累加差别基本不变，所以在输入平均谱级比大于5dB，相位差分对齐方法相比常规fft分析法所得最后频谱的线谱频率单元与噪声频率单元的平均谱级比的差值基本不变。在相位存在波动时，本发明先对每一时刻所得频谱相位进行差分对齐，然后再求取相位方差，最后采用式(5)求取最后频谱，由于δ_s＜＜δ_n，所得频谱的线谱频率单元与噪声频率单元的平均谱级比得到了进一步提高。在仿真情况下，输入谱级比越高，δ_s越小，所得频谱的线谱频率单元与噪声频率单元的平均谱级比提高越大。

在一个比较例中，采用海试数据进行分析验证，海试数据为2014年7月年在南海进行相关海试采集存储所得。当时海深80m左右，海底平坦，海况3级左右。试验所用目标船和接收设备如图8所示，潜标所连水听器布放于60m深度，目标船在潜标1km附近运动，水听器所接采集设备采样率为20kHz。

图9至图15为一次采集长度为T＝5s，对采集数据分5段进行FFT分析，然后再分别按式(6)、相位差分对齐法和式(5)所得最终频谱图、输出线谱频率单元与噪声频率单元平均谱级、相位标准差和LOFAR图。

图9为3种方法所得最终频谱图(t＝300s)；

图10为69Hz频谱单元与噪声单元平均谱级比；

图11为107Hz频谱单元与噪声单元平均谱级比；

图12为相位标准差；

图13为常规fft分析法所得最终LOFAR图；

图14为相位差分对齐法所得最终LOFAR图；

图15为基于相位方差加权法所得最终LOFAR图。

由图9结果可知，相比常规fft分析法、相位差分对齐法，本发明可有效地增强目标线谱能量、抑制噪声、提高信噪比；在t＝300s数据段中，发明相比常规fft分析法所得69Hz处线谱频率单元平均谱级提高了近7dB，107Hz处线谱频率单元平均谱级提高了近14dB；本发明相比相位差分对齐法所得69Hz处线谱频率单元平均谱级提高了近5dB，107Hz处线谱频率单元平均谱级提高了近12dB。由图10、图11结果可知，在其他时间数据段中，本发明相比常规fft分析法、相位差分对齐法在69Hz、107Hz处线谱频率单元平均谱级提高更多。原因可由图12可得，由于大部分时间段内δ_s＜＜δ_n，经式(5)处理后，所得频谱的线谱频率单元谱级相比噪声频率单元谱级被有效扩大，所以可得在其他时间数据段中，本发明相比常规fft分析法、相位差分对齐法在69Hz、107Hz处线谱频率单元平均谱级提高更多。

同样，对比图13至图15可知，常规fft分析法已不能检测到69Hz处目标线谱信号，相位差分对齐法虽然能检测到69Hz处目标线谱信号，但与背景噪声谱级差别不大，而本发明可以有效检测到69Hz处线谱频率单元信号，且与背景噪声谱级差别较大；且对于107Hz处线谱频率单元信号的检测效果，本发明远好于常规fft法分析法、相位差分对齐法。

海试数据处理结果同样验证了本发明可以削弱背景噪声对线谱检测的影响，凸显线谱频率单元对应谱值，提高线谱频率单元信噪比增益。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于相位方差加权的未知目标线谱检测方法，包括：

步骤1)、接收阵元接收未知目标所辐射的信号；

步骤2)、对接收阵元所接收的信号做滤波放大，然后对滤波放大后的数据通过采样得到离散信号，接着对离散信号做傅里叶变换分析，得到频谱数据；

步骤3)、从步骤2)所得到的频谱数据中提取各频率单元相位；

步骤4)、更新接收阵元所接收的信号，重复执行步骤1)、步骤2)以及步骤3)，直到重复次数达到预先设定值M，则各频率单元均得到M个相位值；

步骤5)、对所有频率单元的相位值做方差计算；

步骤6)、对所有频率单元做相位方差加权统计，得到最终频谱的估计值，从所述最终频谱的估计值中求最大值，得到信号线谱的估计值；由信号线谱的估计值检测出未知目标所辐射的信号中未知目标的线谱。

2.根据权利要求1所述的基于相位方差加权的未知目标线谱检测方法，其特征在于，在步骤2)中，还包括对采样所得到的离散信号尾部做补0的操作，使得离散信号序列长度为K，K所取最小整数值应满足以下条件：log₂K为整数。

3.根据权利要求1所述的基于相位方差加权的未知目标线谱检测方法，其特征在于，在步骤3)中，采用α-β滤波器从频谱数据中提取各频率单元相位。

4.一种基于相位方差加权的未知目标线谱检测系统，其特征在于，包括：

接收阵元，所述接收阵元接收未知目标所辐射的信号；

频谱数据生成模块，该模块用于对接收阵元所接收的信号做滤波放大，然后对滤波放大后的数据通过采样得到离散信号，接着对离散信号做傅里叶变换分析，得到频谱数据；

相位数据提取模块，用于从频谱数据生成模块所得到的频谱数据中提取各频率单元相位；

循环判断模块，该模块在接收阵元更新所接收的信号后，重新调用接收阵元、频谱数据生成模块以及相位数据提取模块，直到重复次数达到预先设定值M，则各频率单元均得到M个相位值；

方差计算模块，用于对所有频率单元的相位值做方差计算；

检测模块，该模块用于对所有频率单元做相位方差加权统计，得到最终频谱的估计值，从所述最终频谱的估计值中求最大值，得到信号线谱的估计值；由信号线谱的估计值检测出未知目标所辐射的信号中未知目标的线谱。