CN106066472A - 一种二维振速梯度水听器的被动目标相关检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维振速梯度水听器的被动目标相关检测方法。该方法利用振速水听器的接收数据，先计算出中心点处的振速和振速梯度，后对二者进行互相关处理，利用互相关处理器的输出来检测是否存在被动目标，并根据不同角度上检测概率的分布粗略估计目标的方位。有益效果是：本发明充分利用了振速和振速梯度的指向性，以及噪声及目标信号振速与振速梯度信息相关性的差异性特点，降低了被动目标的可检测信噪比，从而有效的提高被动目标的探测距离。本发明方法对水下弱目标的远程探测与参数估计均有重要意义，可以在浮标、潜标、鱼探仪、水下航行器、水下定位与导航等产品中应用。

Description

一种二维振速梯度水听器的被动目标相关检测方法

技术领域

本发明涉及的是一种二维振速梯度水听器的被动目标相关检测方法，具体的说，是一种利用二维振速梯度水听器中心点处的振速和振速梯度信息，通过互相关处理来检测是否存在被动目标的方法。

背景技术

随着科学的发展、技术的进步，军用、民用海洋装备对小孔径、远程、高精度的水下探测设备需求增加，这使得水听器检测技术不断发展进步，也促使新的水下传感技术发展，如近十几年来快速发展的矢量水听器技术。矢量水听器可同时共点的获取声场的声压(标量)、振速(矢量)信息。振速具有与频率无关的偶极子指向性，且声压和振速信息联合处理可以有效地抑制噪声，提高被动目标的探测能力。在低频段，矢量水听器相比于声压水听器阵具有体积小，重量轻，便于布放等优点，广泛应用于军事探潜、海洋生物研究、地震监测和环境噪声测量等系统中。

为了得到指向性更加尖锐的传感器，很多学者对振速梯度水听器开展了系列研究，已经通过理论分析和实场实验证明了振速梯度水听器可以获得更好的指向性。如何利用振速梯度水听器实现被动目标的远程检测和有效参数估计，还有待开展进一步的研究。各向同性噪声的振速和振速梯度是不相关的，而目标信号的振速与振速梯度是相干的。如果有一种处理方法或技术，能够将振速与振速梯度信息联合处理，则可提高振速梯度水听器的检测性能，有效增强其探测距离，这种技术必然会扩展振速梯度水听器的应用范围，特别是在水下小孔径测量和监视系统中的应用。

发明内容

本发明的目的是：利用目标信号和环境噪声信号振速与振速梯度相关信息的差异性，提供一种简单实用、稳健可靠、可检测信噪比低的二维振速梯度水听器被动目标的相关检测方法。

本发明的技术方案是：一种二维振速梯度水听器被动目标的相关检测方法，包括如下的步骤：

步骤一：将二维振速梯度水听器接收的八个通道实数信号数据v_xi、v_yi(i＝1,…,4)，通过希尔伯特变换器转换成复数信号

步骤二：对四个通道的x轴复振速信号求平均，求取振速梯度水听器中心点处x轴方向振速

步骤三：对四个通道的y轴复振速信号求平均，求取振速梯度水听器中心点处y轴方向振速

步骤四：利用八通道振速复信号求振速梯度水听器中心点处横向振速梯度和纵向振速梯度

步骤五：利用引导方向α，对振速梯度水听器中心点处振速分量进行加权处理，得到合成振速 ${\tilde{v}}_c\left(\mathrm{\α}\right)={\tilde{v}}_{ox}cos\mathrm{\α}+{\tilde{v}}_{oy}sin\mathrm{\α};$

步骤六：利用引导方向α，对振速梯度水听器中心点处横向振速梯度 和纵向振速梯度进行加权处理，得到合成振速梯度 ${\tilde{d}}_c\left(\mathrm{\α}\right)=\∂{\tilde{v}}_x/\∂{\mathrm{xcos}}^2\mathrm{\α}+\∂{\tilde{v}}_y/\∂{\mathrm{ysin}}^2\mathrm{\α}+\left(\∂{\tilde{v}}_x/\∂y+\∂{\tilde{v}}_y/\∂x\right)\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\α};$

步骤七：对M个采样点的合成振速与合成振速梯度进行相关处理，得到被动目标的检测统计量 $D(\mathrm{\α},M)=\underset{n=1}{\overset{M}{\Σ}}\left|\right|{\tilde{v}}_c(\mathrm{\α},n)\·{\tilde{d}}_c(\mathrm{\α},n)\left|\right|;$

步骤八：根据系统要求的最大虚警概率和上述检验统计量D(α,M)，在噪声环境中计算出不同引导方位上的检测门限D_th(α,M)；

步骤九：实时计算D(α,M)，将D(α,M)与D_th(α,M)进行比较，如果D(α,M)＞D_th(α,M)，则目标存在，反之目标不存在，并在不同的α上进行扫描，根据成功检测概率的分布粗略估计目标的方位区域。

本发明的有益效果是:本发明提供了一种稳健、低信噪比的振速梯度水听器被动目标检测方法，根据水听器的接收数据，计算出中心点处组合振速和组合振速梯度，对二者进行互相关处理，利用互相关处理器的输出来检测被动弱目标有无，并粗略估计目标的方位区域，对水声探测与通信均有重要意义。

本发明充分利用了振速和振速梯度的指向性，以及噪声和目标信号振速与振速梯度相关信息的差异性特点，降低了被动目标的可检测信噪比，从而有效的提高被动目标的探测距离。本发明方法对水下弱目标检测与参数估计具有重要意义,可以在浮标、潜标、鱼探仪、水下航行器、水下定位与导航等产品中应用。

附图说明

图1是本发明提出的二维振速梯度水听器被动目标检测的信号处理流程图。

图2是二维振速梯度水听器的结构示意图。

图3为实施例中目标信号中心频率f₀＝1kHz，系统采样频率为f_s＝8f₀，噪声为数值模拟的各向同性噪声，系统地虚警概率P_f＝0.05，目标在90°方位时，振速梯度水听器振速与振速梯度互相关检测器检测成功概率统计结果图。

图4为实施例中目标信号中心频率f₀＝1kHz，系统采样频率为f_s＝8f₀，噪声为数值模拟的各向同性噪声，系统地虚警概率P_f＝0.05，目标在45°方位时，振速梯度水听器振速与振速梯度互相关检测器检测成功概率统计结果图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明做进一步描述：

如图1所示，本发明利用四个对角振速传感器的平均和差分运算，计算出中心点处的振速和振速梯度，并通过两者的互相关处理来检测是否存在目标。振速梯度水听器是由对角布放的四个振速传感器组成，如图2所示。

本实施例中振速梯度水听器通过振速与振速梯度相关处理进行被动目标检测的方法，包括如下的步骤：

步骤一：二维振速梯度水听器八个通道的接收信号用v_x1、v_y1、v_x2、v_y2、v_x3、v_y3、v_x4和v_y4来表示，通过希尔伯特变换器将接收的实信号变换成复信号 和

步骤二：由四通道x轴复振速信号求振速梯度水听器中心点处x轴方向振速 ${\tilde{v}}_{ox}=\[{\tilde{v}}_{x1}+{\tilde{v}}_{x2}+{\tilde{v}}_{x3}+{\tilde{v}}_{x4}\]/4;$

步骤三：由四通道y轴复振速信号求振速梯度水听器中心点处y轴方向振速 ${\tilde{v}}_{oy}=\[{\tilde{v}}_{y1}+{\tilde{v}}_{y2}+{\tilde{v}}_{y3}+{\tilde{v}}_{y4}\]/4;$

步骤四：利用求解x轴横向振速梯度 $\∂{\tilde{v}}_x/\∂x=j({\tilde{v}}_{x2}-{\tilde{v}}_{x1})/2,$ 利用求解y轴横向振速梯度 $\∂{\tilde{v}}_y/\∂y=j({\tilde{v}}_{y4}-{\tilde{v}}_{y3})/2$

步骤五：利用求解纵向振速梯度 $\∂{\tilde{v}}_y/\∂x=j({\tilde{v}}_{y2}-{\tilde{v}}_{y1})/2,$ 利用求解纵向振速梯度 $\∂{\tilde{v}}_x/\∂y=j({\tilde{v}}_{x4}-{\tilde{v}}_{x3})/2;$

步骤六：利用引导方向α，对振速梯度水听器中心点处振速分量进行加权处理，得到合成振速 ${\tilde{v}}_c\left(\mathrm{\α}\right)={\tilde{v}}_{ox}cos\mathrm{\α}+{\tilde{v}}_{oy}sin\mathrm{\α};$

步骤七：利用引导方向α，对振速梯度水听器中心点处横向振速梯度 和纵向振速梯度进行加权处理，获得合成振速梯度 ${\tilde{d}}_c\left(\mathrm{\α}\right)=\∂{\tilde{v}}_x/\∂x\·{\cos }^2\mathrm{\α}+\∂{\tilde{v}}_y/\∂y\·{\sin }^2\mathrm{\α}+\left(\∂{\tilde{v}}_x/\∂y+\∂{\tilde{v}}_y/\∂x\right)\·\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\α};$

步骤八：对M个采样点的合成振速与合成振速梯度进行相关处理，得到被动目标的检测统计量 $D(\mathrm{\α},M)=\underset{n=1}{\overset{M}{\Σ}}\left|\right|{\tilde{v}}_c(\mathrm{\α},n)\·{\tilde{d}}_c(\mathrm{\α},n)\left|\right|;$

步骤九：根据系统限定最大虚警概率P_f和上述检测统计量D(α,M)，在噪声环境中统计计算出不同引导方向上的检测门限D_th(α,M)；

步骤十：在引导方向α上，实时计算D(α,M)，将D(α,M)与D_th(α,M)进行比较，如果D(α,M)＞D_th(α,M)，则目标存在，反之目标不存在；在不同的α上进行扫描，根据检测成功概率的大小可粗略估计目标存在的方位区域。

图3是实施例振速梯度水听器半径为0.01米，目标信号为中心频率为f₀＝1kHz的CW脉冲信号，采样频率为f_s＝8f₀，噪声为数值模拟的各向同性噪声，系统地虚警概率P_f＝0.05，目标在90°方位时，单个振速梯度水听器振速与振速梯度互相关检测器检测成功概率统计结果；图4是相同条件下，目标从45°方向入射时，单个振速梯度水听器振速与振速梯度互相关检测器检测成功概率统计结果。为了比较，同时给出了声压能量检测器和矢量水听器声能流检测器的成功检测概率随信噪比的变化曲线。从图3和图4可以看出，在给定的仿真条件下，本发明方法(振速与振速梯度相关检测)的可检测信噪比低于矢量水听器的声强检测法和声压水听器的能量检测法。这说明振速梯度水听器的振速与振速梯度相关检测法对被动目标探测距离更远，在军用、民用水下探测设备中有广泛的应用价值。

当然，本发明还可以有其他的实施例，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做相应的改变，但这些改变都应该属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种二维振速梯度水听器的被动目标相关检测方法，包括如下步骤：

步骤一：将二维振速梯度水听器八个通道的接收数据v_xi、v_yi(i＝1,2,3,4)，通过希尔伯特变换器转换成复数信号(i＝1,2,3,4)；

步骤二：对四个通道的x轴复振速信号(i＝1,2,3,4)求平均，求取振速梯度水听器中心点处x轴方向振速

步骤三：对四个通道的y轴复振速信号(i＝1,2,3,4)求平均，求取振速梯度水听器中心点处y轴方向振速

步骤四：利用八通道振速复信号(i＝1,2,3,4)求振速梯度水听器中心点处横向振速梯度和纵向振速梯度

步骤五：利用引导方向α，对振速梯度水听器中心点处振速分量进行加权处理，得到合成振速 ${\tilde{v}}_c\left(\mathrm{\α}\right)={\tilde{v}}_{ox}cos\mathrm{\α}+{\tilde{v}}_{oy}sin\mathrm{\α};$

步骤六：利用引导方向α，对振速梯度水听器中心点处横向振速梯度 和纵向振速梯度进行加权处理，得到合成振速梯度 ${\tilde{d}}_c\left(\mathrm{\α}\right)=\∂{\tilde{v}}_x/\∂{\mathrm{xcos}}^2\mathrm{\α}+\∂{\tilde{v}}_y/\∂y{\sin }^2\mathrm{\α}+(\∂{\tilde{v}}_x/\∂y+\∂{\tilde{v}}_y/\∂x)cos\mathrm{\α}sin\mathrm{\α};$

步骤七：对M个采样点的合成振速与合成振速梯度进行相关处理，得到被动目标的检测统计量 $D(\mathrm{\α},M)=\underset{n=1}{\overset{M}{\Σ}}\left|\right|{\tilde{v}}_c(\mathrm{\α},n)\·{\tilde{d}}_c(\mathrm{\α},n)\left|\right|;$

步骤八：根据系统要求的最大虚警概率P_f和上述检验统计量D(α,M)，在噪声环境中计算出不同引导方位上的检测门限D_th(α,M)；

步骤九：实时计算D(α,M)，将D(α,M)与D_th(α,M)进行比较，如果D(α,M)＞D_th(α,M)，则目标存在，反之目标不存在，并在不同的α上进行扫描，根据成功检测概率的分布粗略估计目标的方位。