CN110837085B - 一种用于水底目标判别的波动指数计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于水底目标判别的波动指数计算方法，利用靠近水面区域的收发合置换能器发射声波信号并接收目标回波信号，通过对回波信号进行分析，计算目标在该深度条件下的波动指数。计算过程简单，能够快速获得水下目标的波动指数，可用于水底目标的判别，为进一步的水声对抗提供便利。

Description

一种用于水底目标判别的波动指数计算方法
技术领域
本发明属于目标分类与识别领域，具体涉及一种用于水底目标判别的波动指数计算方法。
背景技术
水声目标的深度信息是目标分类和识别的一个重要方面。传统的声纳探测和识别的信息处理量较大，而简单的二元或三元判别仅依赖于接收到的声压信号的特性，需要的声场信息较少、计算量较小，因此能够快速分辨水面目标、水中目标或水底目标(水中目标和水底目标可统称为水下目标)。由此可将复杂的定位问题(深度、距离、方位角等等)简化为仅判别水面、水中和水底三类目标，为进一步的水声对抗提供便利。
如何准确判别水面、水中和水底目标是一项关键技术。国内外的科研人员多致力于水面目标与水下目标的二元识别技术研究。受海面波浪、内波等的影响，海洋中目标的深度常常会在其平均深度附近上下波动；另一方面，在浅海环境中，目标在远场的回波信号可以表示成一系列简正模的叠加。因此目标深度的起伏会导致各阶简正模声场的波动，并在过零点和极值点附近产生不同的现象。针对被动声纳，Premus V(Premus V.Modalscintillation index:A physics-based statistic for acoustic source depthdiscrimination[J].The Journal of the Acoustical Society of America,1999,105(4):2170-2180)用模态闪烁指数作为二元深度判别的统计量；安良等(安良,陆佶人,王志强.一种用于二元深度判别的修正闪烁指数定义[C].全国水声学学术会议.2007)为了克服闪烁指数与目标距离有关的缺点，提出了修正闪烁指数的定义，能够用于水面、水下目标的二元深度判别。
然而在针对主动声纳的水底目标判别方面，目前的相关研究还比较少。本发明将针对主动声纳的应用环境，提出一种用于水底目标判别的波动指数计算方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种用于水底目标判别的波动指数计算方法，利用靠近水面区域的收发合置换能器发射声波信号并接收目标回波信号，通过对回波信号进行分析，计算目标在该深度条件下的波动指数。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于水底目标判别的波动指数计算方法，靠近水面区域的收发合置换能器发射宽带脉冲信号，对接收的目标回波信号进行匹配滤波、快速傅里叶变换等处理。主要包括以下步骤：
(1)靠近水面区域的收发合置换能器发射宽带脉冲信号，其带宽为fL～fh，并接收N个周期的目标回波信号si(n)，i＝1,2,…,N，N一般大于30；
(2)以发射信号作为拷贝信号，对N个周期的目标回波信号si(n)进行匹配滤波处理，获得N个hi(n)，i＝1,2,…,N；
(3)对各hi(n)进行快速傅里叶变换及归一化处理，得到Hi(f)，i＝1,2,…,N；
(4)针对N个Hi(f)，计算各频率点的波动指数
Figure BDA0002272750890000021
其中Var{}代表方差计算，E{}代表均值计算，abs{}代表绝对值计算；
(5)对带宽fL～fh内的SI(f)取绝对值的平均值，得到总的波动指数。
本发明的有益效果是：
本发明所述的一种用于水底目标判别的波动指数计算方法，能够通过较简单的计算步骤，快速获得水下目标的波动指数，可用于水底目标的判别，为进一步的水声对抗提供便利。
附图说明
图1为本发明实例的具体实现过程；
图2为理想声速剖面示意图；
图3为理想声速剖面条件下目标在各深度时的归一化波动指数；
图4为浅海典型声速剖面示意图。
图5为浅海典型声速剖面条件下目标在各深度时的归一化波动指数。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1：
在深度为80米、具有理想声速剖面(图2)的水环境中，收发合置换能器布放于水下10米，并以带宽为100Hz～200Hz的线性调频信号作为发射信号；换能器与目标的水平距离为10千米；目标先后在水深20米～80米、以1米为间隔的位置点，且上下起伏的波动深度满足均值为0米、方差为1米的正态分布。目标在每一个位置点处，均实施以下步骤：
(1)收发合置换能器发射宽带脉冲信号，其带宽为100Hz～200Hz，并接收30个周期的目标回波信号si(n)，i＝1,2,…,30；
(2)以发射信号作为拷贝信号，对30个周期的目标回波信号si(n)进行匹配滤波处理，获得N个hi(n)，i＝1,2,…,30；
(3)对各hi(n)进行快速傅里叶变换及归一化处理，得到Hi(f)，i＝1,2,…,N；
(4)针对30个Hi(f)，计算各频率点的波动指数
Figure BDA0002272750890000031
其中Var{}代表方差计算，E{}代表均值计算，abs{}代表绝对值计算；
(5)对带宽100Hz～200Hz内的SI(f)取绝对值的平均值，得到总的波动指数。
目标在各深度时的归一化波动指数如图3所示。根据理论分析，水底目标的波动指数小于水中目标的波动指数。因此，当该归一化波动指数小于0.7时，可判别为水底目标。
实施例2：
在深度为80米、具有浅海典型声速剖面(图4)的水环境中，收发合置换能器布放于水下10米，并以带宽为400Hz～600Hz的线性调频信号作为发射信号；换能器与目标的水平距离为5千米；目标先后在水深20米～80米、以1米为间隔的位置点，且上下起伏的波动深度满足均值为0米、方差为1米的正态分布。目标在每一个位置点处，均实施以下步骤：
(1)靠近水面区域的收发合置换能器发射宽带脉冲信号，其带宽为400Hz～600Hz，并接收30个周期的目标回波信号si(n)，i＝1,2,…,30。
(2)以发射信号作为拷贝信号，对30个周期的目标回波信号si(n)进行匹配滤波处理，获得30个hi(n)，i＝1,2,…,30。
(3)对各hi(n)进行快速傅里叶变换及归一化处理，得到Hi(f)，i＝1,2,…,N。
(4)针对30个Hi(f)，计算各频率点的波动指数
Figure BDA0002272750890000032
其中Var{}代表方差计算，E{}代表均值计算，abs{}代表绝对值计算。
(5)对带宽400Hz～600Hz内的SI(f)取绝对值的平均值，得到总的波动指数。
目标在各深度时的归一化波动指数如图5所示，可见当该归一化波动指数小于0.7时，可判别为水底目标。

Claims (1)

1.一种用于水底目标判别的波动指数计算方法，其特征在于：靠近水面区域的收发合置换能器发射宽带脉冲信号，对接收的目标回波信号进行处理，主要包括以下步骤：
(1)靠近水面区域的收发合置换能器发射宽带脉冲信号，其带宽为fL～fh，并接收N个周期的目标回波信号si(n)，i＝1,2,…,N，其中N≥30；
(2)以发射信号作为拷贝信号，对N个周期的目标回波信号si(n)进行匹配滤波处理，获得N个hi(n)，i＝1,2,…,N；
(3)对各hi(n)进行快速傅里叶变换及归一化处理，得到Hi(f)，i＝1,2,…,N；
(4)针对N个Hi(f)，计算各频率点的波动指数
Figure FDA0002272750880000011
其中Var{}代表方差计算，E{}代表均值计算，abs{}代表绝对值计算；
(5)对带宽fL～fh内的SI(f)取绝对值的平均值，得到总的波动指数。
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