CN110398743A - 一种连续波主动声呐目标回波检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种连续波主动声呐目标回波检测方法，包括：(1)根据跳频‑线性调频(FH‑LFM)信号的函数表达式，得到每个子脉冲的基带波形表达式，作为匹配滤波处理时的滤波器系数；(2)给出水下运动目标回波的函数表达式；(3)对回波信号进行多通道正交解调，得到多个基带信号，每个基带信号进行匹配滤波处理时，需要对滤波器系数进行修正，目的是检测不同多普勒频偏的目标回波；(4)对多通道匹配滤波结果进行依次延时并非相干累加，提高处理增益。改变依次延时的通道顺序，可以输出多个非相干累加结果，提高目标数据更新率。本发明提供的目标回波检测方法，可以提高检测性能并缩短目标数据更新时间，为后期目标跟踪提供丰富信息。

Description

一种连续波主动声呐目标回波检测方法

技术领域

本发明涉及水声工程领域，特别涉及一种用于水下探测的连续波主动声呐目标回波检测方法。

背景技术

常规脉冲式主动声呐(Pulsed Active Sonar,PAS)在探测目标时，首先发射一个短时脉冲波形，然后接收水下回波进行信号处理，检测目标是否存在，并估计目标的方位、距离和速度等信息，进一步对目标进行跟踪或识别。为了加强PAS探测性能，需要提高脉冲信号的发射功率，对功率放大器提出更高要求。脉冲时间短，信号处理增益有限，限制PAS检测性能，并且不能抵抗突发短时干扰。为了避免目标距离模糊，发射脉冲的重复间隔(PulseRepetition Interval,PRI)一般长达十几秒甚至几十秒，超长PRI导致PAS时间利用率低，目标信息更新速率慢，不能为跟踪和识别提供更有效的目标信息。

由于水下目标隐身技术大幅提高，探潜难度日益加大，为了弥补PAS的不足，连续波主动声呐(Continuous Active Sonar，CAS)逐渐引起声呐研究者的兴趣，将其入反潜战(Antisubmarine warfare,ASW)。如何基于CAS信号的低截获性和目标数据率建立水下运动目标回波模型，提高目标数据更新率和声呐的低截获性能同时增强声呐的检测性能，成为亟需解决的问题。

发明内容

为了弥补常规脉冲式主动声呐的不足，提高主动声呐的探测性能和目标数据更新率，本发明利用跳频-线性调频(FH-LFM)波形，建立水下运动目标回波模型，提出多通道正交解调和匹配滤波算法及多通道数据累加处理方式，提高目标数据更新率和声呐的低截获性能同时，增强声呐的检测性能，为目标的跟踪提供更丰富、有效的信息。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种连续波主动声呐目标回波检测方法，基于多通道正交解调和匹配滤波及非相干延时累加，包括以下步骤：

(1)根据调频编码波形特点，推导出跳频-线性调频(FH-LFM)信号的函数表达式，进一步得到每个子脉冲的基带波形表达式，此基带波形表达式可以作为匹配滤波处理时的滤波器系数；

(2)推导出水下运动目标回波的函数表达式，回波的基带信号仅是发射基带波形的一个尺度变换；

(3)对回波信号进行多通道正交解调，得到多个基带信号；多个基带信号进行多通道的匹配滤波处理；每个基带信号进行匹配滤波处理时，需要对滤波器系数进行修正，目的是检测不同多普勒频偏的目标回波；

(4)对多通道匹配滤波结果进行依次延时并非相干累加，提高处理增益；改变依次延时的通道顺序，可以输出多个非相干累加结果，提高目标数据更新率。

进一步的，步骤(1)所述的FH-LFM信号s(t)看成M个调频率为μ、长度为T_c、带宽为B_c的LFM脉冲串联组成，第i子脉冲s_i(t)表示为

(0≤t＜T_c)

其中j为虚数单位，初始频率f_i＝f₀+c_iB_c，c_i为跳频码；

各个子脉冲的中心频率不同，但是具有相同的基带波形，基带波形表达式表示为：

基带波形b(t)可以作为各个子脉冲匹配滤波处理时的滤波器系数。

进一步的，步骤(2)所述的目标回波表示为：

s_r(t)＝K_rs[η(t-τ)[+n(t)

其中，K_r表示目标回波的幅度，与信号传播损失和目标反射强度有关；η为时间尺度因子，与目标运动引起的多普勒效应有关，η＝(c-v)/(c+v)，c为水中声速；τ表示回波信号的延时，τ＝2R/c；n(t)为噪声，R和v为运动目标的距离和径向速度；

目标回波中，各个子脉冲的基带信号表示为：

b_ri(t)＝K_rb[η(t-τ_i)]+n′(t)

其中τ_i表示第i个子脉冲的回波延时，τ_i＝τ+iT_c，n′(t)为噪声；

不考虑延时因素，子脉冲的回波基带信号统一表示为：

b_r(t)＝K_rb(ηt)+n′(t)

与发射子脉冲的基带信号相比，不考虑幅度和噪声差异，b_r(t)是b(t)的一个尺度变换。

进一步的，步骤(3)所述的对回波信号进行多通道正交解调和多通道的匹配滤波处理的具体步骤如下：

(301)水听器阵列接收的目标回波首先进行波束形成，得到接收信号s_r(t)，对s_r(t)进行正交解调得到基带信号；s_r(t)中包含M个子脉冲，且子脉冲的中心频率各不相同，解调时需要分为M个通道处理，每个通道的中心频率为f₀+c_iB_c+B_c/2，带宽为B_c；解调后得到M个基带信号b_ri(t)，基带信号的波形相同，延时依次相差ηT_c；

(302)对M个基带信号进行匹配滤波处理；由于目标运动，回波存在多普勒频偏，即未知的时间尺度因子，所以匹配滤波时需要对滤波器的系数进行修正。假设目标径向运动速度范围为-v_m～v_m，LFM子脉冲的多普勒容限值对应的目标速度为v_d，对目标速度进行遍历搜索，间隔为Δv，Δv＜v_d，目标速度搜索次数为N＝2ceil(v_m/Δv)+1，其中ceil表示向上取整；根据当前搜索的目标速度v_j(0≤j＜N)，可以由发射子脉冲的基带波形b(t)得到修正匹配滤波器的系数为b(η_jt)，其中η_j＝(c-v_j)/(c+v_j)；

(303)使用N个修正后的匹配滤波器对M个基带信号b_ri(t)分别进行匹配滤波处理，滤波器输出为：

其中符号表示卷积运算，i和j分别代表子脉冲标号和多普勒通道标号，b^*(-η_jt)表示滤波器系数b(η_jt)时间取反再取共轭。M个基带信号分别经过N个匹配滤波器处理，最终输出MN个信号；

(304)为了检测目标速度，对同一个基带信号的N个匹配滤波结果进行比较，取最大值所在通道作为滤波器的输出，即：

y_i(t)取到最大值并超过检测门限时，对应的速度v_j即目标的径向运动速度。

进一步的，步骤(4)所述的对多通道匹配滤波结果进行依次延时并非相干累加的具体操作步骤如下：

(401)为了提高目标检测能力，可以将同一个滤波系数(对应的目标速度相同)的M个匹配滤波器输出按照0→M-1的顺序依次进行延时并累加，累加结果z_0j(t)表示为：

其中i和j分别代表子脉冲标号和多普勒通道标号；得到N个累加结果，比较匹配滤波器输出的峰值大小，取最大值对应的信号通道作为最终处理结果，由对应的通道号可以得到目标的运动速度。

(402)按照上述处理方式，按1→M-1→0,2→M-1→0→1的顺序依次对匹配滤波器输出x_ij(t)进行延时累加，那么第k路的叠加顺序为k→M-1→0→k-1，累加结果可以表示为：

其中l＝(i+k)modM，表示0～M-1个信号依次延时循环叠加；相同滤波系数的匹配滤波器输出循环叠加得到M个累加信号，N个匹配滤波器共有MN个累加结果；对同一个基带信号的N个不同滤波系数的累加结果进行比较，取最大值所在通道作为最终累加输出，输出结果Z_k(t)表示为：

Z_k(t)取到最大值并超过检测门限时，对应的速度v_j即目标的径向运动速度；M个子脉冲的累加输出Z_k(t)中，目标依次延时η_jT_c，η_j为上式取得最大值时对应的时间尺度因子。

相对于现有技术，本发明的优点在于：

本发明提供一种CAS回波检测算法，创新点在于将连续探测波形按各个子脉冲进行单独检测，使用多通道正交解调和匹配滤波的处理方式检测组成连续波形的各个子脉冲，将多通道匹配滤波器输出进行延时累加，用于提高声呐检测性能，同时，多通道的输出结果依次有一个脉冲时间的延时，目标信息输出时间间隔缩短为一个脉冲时间。本发明提出的方法可以提高目标数据更新率和声呐的低截获性能同时，增强声呐的检测性能，为目标的跟踪提供更丰富、有效的信息。

附图说明

图1为子脉冲数为10的FH-LFM信号的时频分布(M＝10)；

图2为本发明提出的多通道正交解调和匹配滤波处理的具体实施方式框图；

图3为本发明提出的非相干延时累加的具体实施方式框图；

图4为本发明提出的延时累加处理结果与常规匹配滤波处理结果的效果对比图；

图5为本发明提出的回波检测算法的ROC曲线与常规PAS的ROC曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出一种CAS水下目标回波检测方法，下面对本发明的具体实施方式进行详细描述。

1.用于水下探测的HF-LFM发射波形。

跳频编码波形是由M个子脉冲组成的信号，各子脉冲的基带波形相同，但是中心频率随机地或按照某种规则在给定的频率集合{f₀,f₁,L,f_N-1}内变化。跳频编码波形可以使用一个N×M维的时频矩阵表示，其中N行表示频率集合中有N个频率值，M列对应跳频编码波形的M个时隙(子脉冲)。

将线性调频(Linear Frequency Modulated，LFM)信号等分为多个子脉冲，子脉冲按照跳频序列重排，形成频率数和时隙数相同的跳频编码波形，即FH-LFM信号，作为CAS的发射波形。

最低频率f₀，带宽B，时长T的FH-LFM信号s(t)可以表达为：

其中，M为FH-LFM信号的跳频频率数或子脉冲数；T_c为子脉冲的脉冲长度，T_c＝T/M；μ为调频斜率，μ＝B/T；f_i为第i个子脉冲的初始频率，f_i＝f₀+c_iB_c，B_c为子脉冲的带宽，B_c＝B/M，c_i为跳频码；函数rect(t)定义为：

{c_i}构成跳频序列，0≤c_i≤M-1，如果i≠j，c_i≠c_j，即{c_i}为数值0～M-1的一个排列，典型排列如声呐和雷达领域广泛使用的Costas序列。图1显示了M＝10的一个FH-LFM信号的时频分布图，其中横轴表示归一化时间，0～1与0～T对应，纵轴表示归一化频率，0～1与f₀～f₀+B对应。

发射信号s(t)可以看成多个长度为T_c的LFM脉冲串联组成，每个子脉冲可以表示为

其中f_i＝f₀+c_iB_c，公式(3)说明各个子脉冲的中心频率不同，但是具有相同的基带波形，可以表示为：

基带波形b(t)可以作为各个子脉冲匹配滤波处理时的滤波器系数。

2.回波信号模型。

当水下存在一个距离R，径向运动速度v的目标时，目标的反射回波可以表示为：

s_r(t)＝K_rs[η(t-τ)]+n(t) (5)

其中，K_r表示目标回波的幅度，与信号传播损失和目标反射强度有关；η为时间尺度因子，与目标运动引起的多普勒效应有关，η＝(c-v)/(c+v)，c为水中声速；τ表示回波信号的延时，τ＝2R/c；n(t)为噪声。

由公式(4)(5)可知，目标回波中，各个子脉冲的基带信号可以表示为：

b_ri(t)＝K_rb[η(t-τ_i)]+n′(t) (6)

其中τ_i表示第i个子脉冲的回波延时，τ_i＝τ+iT_c。不考虑延时因素，子脉冲的回波基带信号可以统一表示为：

b_r(t)＝K_rb(ηt)+n′(t) (7)

与发射子脉冲的基带信号相比，不考虑幅度和噪声差异，b_r(t)是b(t)的一个尺度变换。

3.多通道正交解调和匹配滤波处理。

水听器阵列接收的目标回波首先进行波束形成，得到接收信号s_r(t)，对s_r(t)进行正交解调可以得到基带信号。s_r(t)中包含M个子脉冲，且子脉冲的中心频率各不相同，所以解调时需要分为M个通道处理，每个通道的中心频率为f₀+c_iB_c+B_c/2，带宽为B_c解调后得到M个基带信号b_ri(t)，基带信号的波形相同，延时依次相差ηT_c。

对M个基带信号进行匹配滤波处理。由于目标运动，回波存在多普勒频偏(即未知的时间尺度因子)，所以匹配滤波时需要对滤波器的系数进行修正。假设目标径向运动速度范围为-v_m～v_m，LFM子脉冲的多普勒容限值对应的目标速度为v_d，对目标速度进行遍历搜索，间隔为Δv，Δv＜v_d，目标速度搜索次数为N＝2ceil(v_m/Δv)+1，其中ceil表示向上取整。根据当前搜索的目标速度v_j(0≤j＜N)，可以由发射子脉冲的基带波形b(t)得到修正匹配滤波器的系数为b(η_jt)，其中η_j＝(c-v_j)/(c+v_j)。

使用N个修正后的匹配滤波器对M个基带信号b_ri(t)分别进行匹配滤波处理，滤波器输出为：

其中符号表示卷积运算，b^*(-η_jt)表示滤波器系数b(η_jt)时间取反再取共轭。

M个基带信号分别经过N个匹配滤波器处理，最终输出MN个信号。为了检测目标速度，对同一个基带信号的N个匹配滤波结果进行比较，取最大值所在通道作为滤波器的输出，

y_i(t)取到最大值并超过检测门限时，对应的速度v_j即目标的径向运动速度。多通道正交解调和匹配滤波的示意图如图2所示。FH-LFM信号发射时，子脉冲依次延时T_c，所以M个子脉冲的匹配滤波器输出y_i(t)同样会依次延时，目标数据更新速率提高M倍。

4.非相干延时累加处理。

为了提高目标检测能力，可以将同一个滤波系数(对应的目标速度相同)的M个匹配滤波器输出按照0→M-1的顺序依次进行延时并累加，即

得到N个累加结果，比较匹配滤波器输出的峰值大小，取最大值对应的信号通道作为最终处理结果，由对应的通道号可以得到目标的运动速度，方法类似公式(9)。

为了提高目标数据更新率，为后期目标跟踪提供更丰富的信息，可按照上述处理方式，按1→M-1→0,2→M-1→0→1的顺序依次对匹配滤波器输出x_ij(t)进行延时累加，那么第k路的叠加顺序为k→M-1→0→k-1，累加结果可以表示为：

其中l＝(i+k)modM，表示0～M-1个信号依次延时循环叠加。相同滤波系数的匹配滤波器输出循环叠加得到M个累加信号，N个匹配滤波器共有MN个累加结果。对同一个基带信号的N个不同滤波系数的累加结果进行比较，取最大值所在通道作为最终累加输出，

Z_k(t)取到最大值并超过检测门限时，对应的速度v_j即目标的径向运动速度。M个子脉冲的累加输出Z_k(t)中，目标依次延时η_jT_c，η_j为公式(12)取得最大值时对应的时间尺度因子。

下面以目标速度为0，匹配滤波系数未补偿时，对循环累加的过程进行说明。如图3所示，x₀(t)～x_M-1(t)分别为M个子脉冲通过匹配滤波处理后的输出，第一个峰值分别出现在t₀、t₁、…，t_M-1处，第二个峰值分别出现在t_M，t_M+1，…，t_2M-1处，发射信号长度(信号周期)为T，所以单个匹配滤波器输出的峰值间隔为T，即t_M+j-t_j＝T＝MT_c；每个子脉冲长度为T_c，所以M个匹配滤波器输出依次延时T_c，t_j+1-t_j＝T_c。将x₀(t)、x₁(t)，…，x_M-1(t)依次延时(M-1)T_c、(M-2)T_c、…、0，然后累加形成最终输出，在t_M-1时刻出现第一个累加峰值；将x₁(t)、x₂(t)、…、x_M-1(t)、x₀(t)依次延时(M-1)T_c、(M-2)T_c、…、0，在t_M时刻出现第二个累加峰值，同理，依次对M个输出按照公式(11)所示，进行循环延时累加，将会在t_M-1+i时刻出现第i个累加目标峰值。每个匹配滤波器的目标出现周期为T，经过延时累加后，目标出现的周期为T_c，将目标信息更新速率提高M倍。

本发明提出的多通道正交解调和匹配滤波及非相干延时累加方法，可以明显提高检测性能。常规PAS采用匹配滤波处理，CAS采用本发明提出的多通道正交解调和匹配滤波及非相干延时累加处理方法，两种处理结果的效果对比如图4所示，其中CAS的子脉冲数为10。可以直观看出，本发明处理后的数据，噪声“波动”变小，便于目标判决。

使用蒙特卡洛统计特性试验方法，分析多通道正交解调和匹配滤波及非相干延时累加处理方法对FH-LFM信号的检测性能，并与常规PAS的匹配滤波处理方式比较。通过对虚警概率和检测概率的统计分析，得到接收机工作特性(ROC)曲线，如图5所示。仿真参数设置如下：CAS信号中心频率1kHz，带宽300Hz，信号长度20s，分为20个子脉冲，子信号长度为1s，带宽为15Hz，作为对比，常规PAS采用LFM脉冲信号，带宽300Hz，时长1s。从图5可以看出，信噪比-20dB的FH-LFM信号的检测性能明显优于信噪比-10dB的LFM信号，检测概率98％时，虚警概率小于10^-7；信噪比-22dB的FH-LFM信号检测性能优于信噪比-15dB的LFM信号，在虚警率小于10^-6时，检测概率略大于信噪比-10dB的LFM信号。FH-LFM的ROC曲线可以说明多通道匹配滤波结果的延时叠加可以明显提高声呐的检测性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种连续波主动声呐目标回波检测方法，其特征在于，基于多通道正交解调和匹配滤波及非相干延时累加，包括以下步骤：

(1)根据调频编码波形特点，推导出跳频-线性调频(FH-LFM)信号的函数表达式，并得到每个子脉冲的基带波形表达式，此基带波形表达式作为匹配滤波处理时的滤波器系数；

(2)推导出水下运动目标回波的函数表达式；

(3)对回波信号进行多通道正交解调，得到多个基带信号；多个基带信号进行多通道的匹配滤波处理；每个基带信号进行匹配滤波处理时，对滤波器系数进行修正；

(4)对多通道匹配滤波结果进行依次延时并非相干累加，提高处理增益；改变依次延时的通道顺序，输出多个非相干累加结果，提高目标数据更新率。

2.根据权利要求1所述的连续波主动声呐目标回波检测方法，其特征在于，步骤(1)所述的FH-LFM信号s(t)看成M个调频率为μ、长度为T_c、带宽为B_c的LFM脉冲串联组成，第i子脉冲s_i(t)表示为

其中j为虚数单位，初始频率f_i＝f₀+c_iB_c，c_i为跳频码；

各个子脉冲的中心频率不同，但是具有相同的基带波形，基带波形表达式表示为：

基带波形b(t)作为各个子脉冲匹配滤波处理时的滤波器系数。

3.根据权利要求1所述的连续波主动声呐目标回波检测方法，其特征在于，步骤(2)所述的目标回波表示为：

s_r(t)＝K_rs[η(t-τ)]+n(t)

其中，K_r表示目标回波的幅度，与信号传播损失和目标反射强度有关；η为时间尺度因子，与目标运动引起的多普勒效应有关，η＝(c-v)/(c+v)，c为水中声速；τ表示回波信号的延时，τ＝2R/c；n(t)为噪声，R和v为运动目标的距离和径向速度；

目标回波中，各个子脉冲的基带信号表示为：

b_ri(t)＝K_rb[η(t-τ_i)]+n′(t)

其中τ_i表示第i个子脉冲的回波延时，τ_i＝τ+iT_c，n′(t)为噪声；

不考虑延时因素，子脉冲的回波基带信号统一表示为：

b_r(t)＝K_rb(ηt)+n′(t)。

4.根据权利要求1所述的连续波主动声呐目标回波检测方法，其特征在于，步骤(3)所述的对回波信号进行多通道正交解调和多通道的匹配滤波处理的具体步骤如下：

(301)水听器阵列接收的目标回波首先进行波束形成，得到接收信号s_r(t)，对s_r(t)进行正交解调得到基带信号；s_r(t)中包含M个子脉冲，且子脉冲的中心频率各不相同，解调时分为M个通道处理，每个通道的中心频率为f₀+c_iB_c+B_c/2，带宽为B_c；解调后得到M个基带信号b_ri(t)，基带信号的波形相同，延时依次相差ηT_c；

(302)对M个基带信号进行匹配滤波处理；由于目标运动，回波存在多普勒频偏，即未知的时间尺度因子，所以匹配滤波时对滤波器的系数进行修正；假设目标径向运动速度范围为-v_m～v_m，LFM子脉冲的多普勒容限值对应的目标速度为v_d，对目标速度进行遍历搜索，间隔为Δv，Δv＜v_d，目标速度搜索次数为N＝2ceil(v_m/Δv)+1，其中ceil表示向上取整；根据当前搜索的目标速度v_j(0≤j＜N)，由发射子脉冲的基带波形b(t)得到修正匹配滤波器的系数为b(η_jt)，其中η_j＝(c-v_j)/(c+v_j)；

(303)使用N个修正后的匹配滤波器对M个基带信号b_ri(t)分别进行匹配滤波处理，滤波器输出为：

其中符号表示卷积运算，i和j分别代表子脉冲标号和多普勒通道标号，b^*(-η_jt)表示滤波器系数b(η_jt)时间取反再取共轭。M个基带信号分别经过N个匹配滤波器处理，最终输出MN个信号；

(304)为了检测目标速度，对同一个基带信号的N个匹配滤波结果进行比较，取最大值所在通道作为滤波器的输出，即：

y_i(t)取到最大值并超过检测门限时，对应的速度v_j即目标的径向运动速度。

5.根据权利要求1所述的连续波主动声呐目标回波检测方法，其特征在于，步骤(4)所述的对多通道匹配滤波结果进行依次延时并非相干累加的具体操作步骤如下：

(401)将同一个滤波系数、即对应的目标速度相同的M个匹配滤波器输出按照0→M-1的顺序依次进行延时并累加，累加结果z_0j(t)表示为

其中i和j分别代表子脉冲标号和多普勒通道标号；得到N个累加结果，比较匹配滤波器输出的峰值大小，取最大值对应的信号通道作为最终处理结果，由对应的通道号得到目标的运动速度；

(402)按照上述处理方式，按1→M-1→0,2→M-1→0→1的顺序依次对匹配滤波器输出x_ij(t)进行延时累加，第k路的叠加顺序为k→M-1→0→k-1，累加结果z_kj(t)表示为：

其中l＝(i+k)mod M，表示0～M-1个信号依次延时循环叠加；相同滤波系数的匹配滤波器输出循环叠加得到M个累加信号，N个匹配滤波器共有MN个累加结果；对同一个基带信号的N个不同滤波系数的累加结果进行比较，取最大值所在通道作为最终累加输出，输出结果Z_k(t)表示为：

Z_k(t)取到最大值并超过检测门限时，对应的速度v_j即目标的径向运动速度；M个子脉冲的累加输出Z_k(t)中，目标依次延时η_jT_c，η_j为上式取得最大值时对应的时间尺度因子。