CN106019263A - 基于多亮点回波模型的目标径向速度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于多亮点目标径向速度测量的方法，当目标与声纳之间存在相对运动时，接收信号会产生多普勒频移，将实际接收机的滤波器频谱特性设计为经过不同多普勒因子压缩的发射信号频谱的复共轭，再将经过时域加窗处理后的回波通过匹配滤波器，以输出包络的最大峰值对应的多普勒因子反推出目标速度。基于多亮点的目标测速法，减小了由于目标多亮点反射回波相叠加造成的时域波形混叠的影响，能更为准确地估计目标实际径向速度。

Description

基于多亮点回波模型的目标径向速度测量方法

技术领域

本发明涉及一种用于主动声纳回波信号处理中，对含有尺度信息(多亮点)目标速度的测量方法，属于水声信号测量技术领域。

背景技术

水声目标回波是主动声纳获取一系列目标特征参数的主要来源，目标的回波是由主动声纳所发出入射声波激励，途径复杂的海洋信道，可以等效为由多个散射点叠加形成的信号。每个散射点各自的回波是由目标体结构及材料所决定的，其中包含了时延(距离)、亮点起伏、径向速度等信息，这些特征是实现目标探测和识别的基础和重要依据(李昌志，田杰，张扬帆等.基于亮点模型的典型水下目标回波信号仿真[J].应用声学，2010，29(3)。)。

对于水声目标速度的估计往往是水下目标识别的重要环节，传统的匹配滤波是对发射信号和接收信号进行相关处理，使其输出信噪比达到最大。根据匹配滤波器的相关知识，最佳接收机的频谱传输函数应取回波信号频谱的复共轭，故将实际接收机的滤波器频谱特性设计为经过不同多普勒因子压缩后的发射信号频谱的复共轭，并加上一个为满足物理可实现性的延迟相位因子(E.J.Kelly and R.P.R.P.Wishner，″Matched filter theoryfor high-velocity，accelerating targets″[J]，IEEE Trans.Mil.Electron.，pp.56-68，1965)。因此，传统的变采样测速法即改变匹配滤波器中的拷贝信号，将拷贝信号作脉宽压缩或展宽，以此来搜索与实际回波相对应的多普勒因子，即检测出了目标的速度。

在实际回波信号处理中，目标往往含有多个反射亮点，造成回波混叠，传统的变采样匹配滤波测速法往往会造成较大的速度检测误差，影响后续的目标识别等一系列工作。

发明内容

技术问题：本发明为主动声纳测量目标速度过程中提供了一种基于传统匹配滤波技术的改进办法，该方法可对含有多亮点目标的速度进行更为准确的测量，改善由于多亮点目标回波混叠而导致的速度测量失真。采用的技术方案如下：

技术方案：本发明是一种基于多亮点回波模型的目标径向速度测量方法，当目标与声纳之间存在相对运动时，接收信号会产生多普勒频移，将实际接收机的滤波器频谱特性设计为经过不同多普勒因子压缩的发射信号频谱的复共轭，再将经过时域加窗处理后的回波通过匹配滤波器，以输出包络的最大峰值对应的多普勒因子反推出目标速度；该方法主要包括以下步骤：

1).发射信号为双曲调频信号

n∈[0，T·FS]，f_H、f_L分别为信号上、下边频，T为信号脉宽，FS为采样率；将目标回波r进行常规匹配滤波处理，滤波器中的拷贝信号为原发射信号u[n]，将该包络中最大峰值锁定为主亮点，提取其时间坐标信息

2).设定待测目标的径向速度范围-v_t～v_t，其中v_t为最大径向速度，设置速度分辨率Δv，设相离运动时速度为正，则待校验速度为v_i＝-v_t+(i-1)·Δv，i＝1，2，...，2v_t/Δv+1；分别设计相对应的配滤波器中的拷贝信号n∈[0，T·FS]，其中i＝1，2，...，2v_t/Δv+1；c为声音在水中的传播速度；

3).根据公式计算目标以速度v_i运动时与目标静止时的主亮点时间坐标偏差值τ_i，i＝1，2，...，2v_t/Δv+1，其中c为声音在水中的传播速度；分别以窗长为T·FS的时域窗截取回波r，起点为回波中窗口外的数值全部置零，构成新的回波信号r′_i，i＝1，2，...，2v_t/Δv+1；

4).将经过窗口截取后的回波信号r′_i分别与步骤2)中设计的匹配滤波拷贝信号x_i，作匹配相关运算，取得匹配包络峰值Mp_i，i＝1，2，...，2v_t/Δv+1，则由Mp_i中最大值Mp_j所对应的拷贝信号多普勒因子κ_j，j∈[1，2v_t/Δv+1]，即可求出的目标运动径向速度v＝(1-κ_j)·c/2。

有益效果：此发明的优点是当目标存在尺度而造成多亮点回波混叠的情况下，依旧能准确测量出目标径向速度。

本发明是一种基于多亮点目标径向速度测量的方法，当目标与声纳之间存在相对运动时，接收信号会产生多普勒频移，将实际接收机的滤波器频谱特性设计为经过不同多普勒因子压缩的发射信号频谱的复共轭，再将经过时域加窗处理后的回波通过匹配滤波器，以输出包络的最大峰值对应的多普勒因子反推出目标速度。基于多亮点的目标测速法，减小了由于目标多亮点反射回波相叠加造成的时域波形混叠的影响，能更为准确地估计目标实际径向速度。

附图说明

图1本发明实例的具体实现过程。

图2仿真实例中多亮点目标回波的时域波形图。

图3仿真实例中基于多亮点目标速度检测法的第一步，主亮点时间坐标的提取。

图4进行25次仿真，使用传统的变采样匹配滤波法的目标速度检测结果，“*”表示当前目标径向速度估计值。

图5进行25次仿真，使用本专利中所提出的改进办法进行的目标速度检测结果，“*”表示当前目标径向速度估计值。

具体实施方式

本发明是一种基于多亮点目标径向速度测量的方法，当目标与声纳之间存在相对运动时，接收信号会产生多普勒频移，将实际接收机的滤波器频谱特性设计为经过不同多普勒因子压缩的发射信号频谱的复共轭，再将经过时域加窗处理后的回波通过匹配滤波器，以输出包络的最大峰值对应的多普勒因子反推出目标速度。基于多亮点的目标测速法，减小了由于目标多亮点反射回波相叠加造成的时域波形混叠的影响，能更为准确地估计目标实际径向速度。方法主要包括以下步骤：

(1)发射信号为双曲调频信号

n∈[0，T·FS]，f_H、f_L分别为信号上、下边频，T为信号脉宽，FS为采样率。将目标回波r进行常规匹配滤波处理，滤波器中的拷贝信号为原发射信号u[n]，将该包络中最大峰值锁定为主亮点，提取其时间坐标信息

(2)设定待测目标的径向速度范围-v_t～v_t，其中v_t为最大径向速度，设置速度分辨率Δv(设相离运动时速度为正)，则待校验速度为v_i＝-v_t+(i-1)·Δv，i＝1，2，...，2v_t/Δv+1。分别设计相对应的配滤波器中的拷贝信号n∈[0，T·FS]，其中i＝1，2，...，2v_t/Δv+1。

(3)根据公式计算目标以速度v_i运动时与目标静止时的主亮点时间坐标偏差值τ_i，i＝1，2，...，2v_t/Δv+1，其中c为声音在水中的传播速度。分别以窗长为T·FS的时域窗截取回波r，起点为回波中窗口外的数值全部置零，构成新的回波信号r′_i，i＝1，2，...，2v_t/Δv+1。

(4)将经过窗口截取后的回波信号r′_i分别与(2)中设计的匹配滤波拷贝信号x_i，作匹配相关运算，取得匹配包络峰值Mp_i，i＝1，2，...，2v_t/Δv+1，则由Mp_i中最大值Mp_j所对应的拷贝信号多普勒因子κ_j，j∈[1，2v_t/Δv+1]，即可求出的目标运动径向速度v＝(1-κ_j)·c/2。

下面结合具体实例，进一步阐明本发明的原理和实施过程。

在用MATLAB软件进行理论仿真时，设定发射双曲调频信号参数：脉宽T＝4s，频率范围f_L＝300Hz，f_H＝40Hz，声速c＝1500m/s，采样率FS＝2500Hz，信噪比为5dB。仿真中多亮点目标回波为：

$r\[n\]=\left\{\begin{array}{cc}\sin \left(-j2\mathrm{\π}T\frac{f_H{f}_L}{f_H-f_L}\ln \left(1-\frac{f_H-f_L}{{\mathrm{Tf}}_H}\·\mathrm{\κ}\·n/FS\right)\right),& n\∈\[0,\frac{2d}{c}\·FS)\\ \sin \left(-j2\mathrm{\π}T\frac{f_H{f}_L}{f_H-f_L}\ln \left(1-\frac{f_H-f_L}{{\mathrm{Tf}}_H}\·\mathrm{\κ}\·n/FS\right)\right)& \\ +\sin \left(-j2\mathrm{\π}T\frac{f_H{f}_L}{f_H-f_L}\ln \left(1-\frac{f_H-f_L}{{\mathrm{Tf}}_H}\·\mathrm{\κ}\·\left(\frac{n}{FS}-\frac{2d}{c}\right)\right)\right),& n\∈\[\frac{2d}{c}\·FS,T\·FS)\\ \sin \left(-j2\mathrm{\π}T\frac{f_H{f}_L}{f_H-f_L}\ln \left(1-\frac{f_H-f_L}{{\mathrm{Tf}}_H}\·\mathrm{\κ}\·\left(\frac{n}{FS}-\frac{2d}{c}\right)\right)\right),& n\∈\[T\·FS,\left(T+\frac{2d}{c}\right)\·FS\]\end{array}\right.$

该回波中含有两个强度一致，径向距离为30m的亮点(d＝30m)，目标径向速度v＝3.5m/s(即)，目标回波时域波形如图2。

在回波信号处理中，首先对回波进行常规匹配滤波处理，锁定主亮点，提取其时间坐标信息如图3，锁定了两亮点中的第二亮点，

设定目标的最大径向速度v_t＝5m/s，分辨率Δv＝0.5m/s，则v_i＝-5+0.5·(i-1)，i＝1，2，L，21。分别设计相对应的配滤波器中的拷贝信号x_i，i＝1，2，...，21。

利用公式：

$t_{{\mathrm{id}}_0}+{\mathrm{\τ}}_i=t_{{\mathrm{id}}_0}+\frac{2v_i\·{\mathrm{Tf}}_H}{c(f_H-f_L)}$

计算截取窗口起点，将回波分别进行21次不同起点的窗口截取，再分别与相应的拷贝信号作匹配滤波处理，比较21个匹配包络峰值，其最大峰值对应的速度即为目标估计速度。

图4、5分别是传统方法与本发明中的方法在经历了25次不同随机噪声(同信噪比)条件下的检测结果。传统方法的速度估计均值为2.68m/s，速度估计方差为0.357；基于多亮点模型方法的速度估计均值为3.51m/s，速度估计方差为0.00476。由实验数据的处理结果可以得出结论，基于多亮点模型的速度测量法可以提高实际目标速度检测的准确度。

Claims (1)

1.一种基于多亮点回波模型的目标径向速度测量方法，其特征在于，当目标与声纳之间存在相对运动时，接收信号会产生多普勒频移，将实际接收机的滤波器频谱特性设计为经过不同多普勒因子压缩的发射信号频谱的复共轭，再将经过时域加窗处理后的回波通过匹配滤波器，以输出包络的最大峰值对应的多普勒因子反推出目标速度；该方法主要包括以下步骤：

1).发射信号为双曲调频信号

f_H、f_L分别为信号上、下边频，T为信号脉宽，FS为采样率；将目标回波r进行常规匹配滤波处理，滤波器中的拷贝信号为原发射信号u[n]，将该包络中最大峰值锁定为主亮点，提取其时间坐标信息

2).设定待测目标的径向速度范围-v_t～v_t，其中v_t为最大径向速度，设置速度分辨率Δv，设相离运动时速度为正，则待校验速度为v_i＝-v_t+(i-1)·Δv，i＝1，2，...，2v_t/Δv+1；分别设计相对应的配滤波器中的拷贝信号其中i＝1，2，...，2v_t/Δv+1；c为声音在水中的传播速度；

3).根据公式计算目标以速度v_i运动时与目标静止时的主亮点时间坐标偏差值τ_i，i＝1，2，...，2v_t/Δv+1，其中c为声音在水中的传播速度；分别以窗长为T·FS的时域窗截取回波r，起点为回波中窗口外的数值全部置零，构成新的回波信号r′_i，i＝1，2，...，2v_t/Δv+1；

4).将经过窗口截取后的回波信号r′_i分别与步骤2)中设计的匹配滤波拷贝信号x_i，作匹配相关运算，取得匹配包络峰值Mp_i，i＝1，2，...，2v_t/Δv+1，则由Mp_i中最大值Mp_j所对应的拷贝信号多普勒因子κ_j，j∈[1，2v_t/Δv+1]，即可求出的目标运动径向速度v＝(1-κ_j)·c/2。