CN111007486A - 一种基于多正交信号的主动声纳混响抑制方法 - Google Patents

一种基于多正交信号的主动声纳混响抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多正交信号的主动声纳混响抑制方法，该方法提出一个重复周期内，发射两个或两个以上、可分离的正交信号；在接收时，通过信号分离方法，分离出各发射正交信号所对应的回波信号，实现对场景的多次观测；利用多次观测过程中目标回波和混响的差异，对混响进行抑制。本发明具有处理简单、性能可靠、对声纳性能影响小等优点，有效地解决了主动声纳的混响抑制难题。

Description

一种基于多正交信号的主动声纳混响抑制方法
技术领域
本发明属于声纳技术领域，涉及主动声纳混响抑制技术，具体地是指一种基于多正交信号的主动声纳混响抑制方法。
背景技术
主动声纳是水下目标探测的重要手段，但由于海底和海面的反射，主动声纳的目标探测受到混响的严重干扰，主动声纳的混响抑制是主动声纳处理中的一个重要过程。
由于水中声音传播速度较慢，为了获得一定的探测距离，重复周期一般较大，因此，主动声纳无法像雷达一样采用脉间相干处理进行混响的抑制，通常只能采用单脉冲。
由于平台运动或海面波浪的运动，混响通常具有一定的多普勒频率，与运动目标难以区分，因此目前混响抑制通常利用时域、频域和空域等多维的处理，处理复杂，同时通常会导致一定程度的信噪比损失。
发明内容
针对上述背景技术存在的不足，本发明提出一种基于多正交信号的主动声纳混响抑制方法，有效解决了主动声纳的混响抑制难题。
为实现上述目的，本发明所设计的一种基于多正交信号的主动声纳混响抑制方法，主动声纳发射两个或两个以上、可分离的正交信号；接收阵在接收时，信号分离出各发射正交信号所对应的回波信号，实现对场景的若干次观测；利用若干次观测过程中目标回波和混响的差异，对混响进行抑制，其特殊之处在于，所述方法包括以下步骤：
1)在一个重复周期内，主动声纳在发射N个相互正交的信号，其中N为大于或等于2的正整数；
2)接收回波信号，通过处理对各发射信号的回波进行分离；
3)补偿各发射信号发射时刻的延迟时间，得到补偿后的各发射信号回波；
4)对补偿后的各发射信号回波进行对消处理，对消静止或慢速的混响信号，得到输出信号，保留运动目标的回波信号。
优选地，所述主动声纳发射基阵和接收基阵安装于运动平台上或由运动平台拖曳运动，运动平台保持直线运动，所述主动声纳接收基阵为沿运动方向布置的、阵元个数为M的均匀间隔直线阵。
优选地，所述主动声纳发射基阵和接收基阵与海底保持相对静止。
优选地，在一个重复周期内，主动声纳基阵在T1,T2,…,TN时刻依次发射N个相互正交的信号s1(t),s2(t),…,sN(t)，所述发射信号的间隔时间满足
Figure BDA0002317463010000021
其中D为接收阵的阵元间隔，v为运动平台的运动速度，An为0或正整数，ΔTn(n＝2,3,…,N)中至少有一个不为0。
优选地，所述步骤3)中对第i个接收阵元接收到的来自第n个发射信号所对应的回波
Figure BDA0002317463010000022
进行发射延迟的时间补偿，即
Figure BDA0002317463010000023
所述步骤4)中对各阵元、各发射信号补偿后的信号在阵元域上进行对消，对消后各阵元的输出信号为：
Figure BDA0002317463010000024
其中，cn为对消系数。
优选地，在一个重复周期内，主动声纳基阵在T1,T2,…,TN时刻依次发射N个相互正交的信号s1(t),s2(t),…,sN(t)，补偿各发射信号发射时刻的延迟时间，得到补偿后的各发射信号回波：rn(t)＝r’n(t+Tn)(n＝1,2,…,N)；其中r'1(t),r'2(t),…,r'N(t)为通过处理对各发射信号所对应的回波分离后的输出信号；对补偿后的各发射信号回波进行对消处理，得输出信号：
Figure BDA0002317463010000031
其中，cn为对消系数。
优选地，所述相互正交的信号为其互相关函数远小于各自自相关函数峰值，且信号间为相参信号。
优选地，采用脉冲压缩方法或自适应脉冲压缩方法对各发射信号回波进行分离；所述回波信号r(t)为阵元输出的阵元域信号或经过波束形成后的波束域信号。
优选地，所述各发射信号之间的间隔时间与运动目标所能产生的最大多普勒频率有关。
与现有技术相比，本发明在一个重复周期内通过发射两个或两个以上的正交信号，并在接收时对正交信号分离，相当于对混响和目标的多次观测，且观测的间隔时间较小，可利用多次观测间的相干信息，实现对混响的对消。本发明具有处理简单、性能可靠、对声纳性能影响小等优点，有效地解决了主动声纳的混响抑制难题。
附图说明
图1为本发明实施例1的原理示意图；
图中：拖曳平台1，发射基阵2，直线接收阵3，发射信号4，海底静止目标5，海底静止目标的反射回波6，运动的潜艇目标7，运动潜艇目标的反射回波8。
图2为本发明实施例1的信号传输示意图。
图3为本发明实施例2的原理示意图；
图中：主动声纳1，发射声波2，被测目标3，由被测目标反射的反射回波4，由海底反射的反射回波5。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明提出的一种基于多正交信号的主动声纳混响抑制方法，在一个重复周期内，发射两个或两个以上、可分离的相互正交信号；相互正交的信号为其互相关函数远小于各自自相关函数峰值，且信号间为相参信号在接收时，通过信号分离方法，分离出各发射正交信号所对应的回波信号，实现对场景的多次观测；利用多次观测过程中目标回波和混响的差异，对混响进行抑制。所述方法包括以下步骤：
1)在一个重复周期内，主动声纳在发射N个相互正交的信号，其中N为大于或等于2的正整数；
2)接收回波信号，通过处理对各发射信号的回波进行分离；
3)补偿各发射信号发射时刻的延迟时间，得到补偿后的各发射信号回波；
4)对补偿后的各发射信号回波进行对消处理，对消静止或慢速的混响信号，得到输出信号，保留运动目标的回波信号。
以下对实施过程进行详细描述：
实施例1：运动平台的主动声纳混响抑制
如图1所示，拖曳平台1拖曳着发射基阵2和直线接收阵3，其中直线接收阵的阵元间隔为D，阵元个数为M。拖曳平台的拖曳速度为v。
发射基阵2发射声波信号4，发射信号4遇到海底静止目标5和运动的潜艇目标7，分别产生海底静止目标的反射回波6和运动潜艇目标的反射回波8，其中海底静止目标的反射回波6被称为混响。
a1)在一个重复周期内，主动声纳在T1,T2,…,TN时刻依次发射N个相互正交的信号s1(t),s2(t),…,sN(t)，其中N大于或等于2，因此，发射信号可表示为
Figure BDA0002317463010000041
a2)发射信号的间隔时间需满足
Figure BDA0002317463010000042
其中D为接收阵的阵元间隔，v为运动平台的运动速度，An为0或正整数，ΔTn(n＝2,3,…,N)中须至少有一个不为0；
a3)设接收阵第i个接收阵元接收的回波信号为ri(t)(i＝1,2,…,M)，对ri(t)进行信号分离处理，完成对各发射信号的回波进行分离，分离后各发射信号所对应的回波分别为
Figure BDA0002317463010000051
a4)对所有第n个发射信号所对应的回波
Figure BDA0002317463010000052
进行发射延迟的时间补偿，即
Figure BDA0002317463010000053
a5)对各阵元、各发射信号补偿后的信号在阵元域上进行对消，对消后各阵元的输出信号为：
Figure BDA0002317463010000054
其中，cn为对消系数。
a6)对对消后的输出信号zi(t)进行波束形成处理，获得各方位的目标信息。
本发明的第一个实施例中，在一个重复周期内，发射阵发射两个正交信号，分别为信号1：s1(t)和信号2：s2(t)，两个信号的中心频率均为f0、带宽均为B、脉冲宽度均为T，两者均为线性调频信号，其中s1(t)为正线性调频，s2(t)为负线性调频，且B·T＞512。两个发射信号的间隔时间为ΔT，ΔT设定为
Figure BDA0002317463010000055
其中，m为不大于直线接收阵阵元个数M的正整数。本实施例中取m＝1。
当声纳距离目标的距离远大于发射阵和接收阵阵元之间间隔时，可以运用等效相位中心近似，即与发射阵分离的直线接收阵阵元接收到的信号可近似等于在两者连线中点(即等效相位中心)处收发合置时接收到的信号。
如图2所示，与发射阵2分离的接收阵阵元301接收到的信号可近似等于在等效相位中心收发合置的换能器901所接收的信号。各发射信号之间的间隔时间与运动目标所能产生的最大多普勒频率有关。当
Figure BDA0002317463010000061
时，
Figure BDA0002317463010000062
因此，在t＝0时刻发射基阵2与接收阵阵元301所形成的等效相位中心901和在t＝ΔT时刻发射基阵2和接收阵阵元302所形成的等效相位中心902位置没有改变，产生静止平台的效应，避免混响的多普勒扩散。
设第i个接收阵阵元的输出信号为ri(t)，以s1(t)和s2(t)为参考函数，对接收阵阵元的输出信号进行脉冲压缩处理或自适应脉冲压缩处理，实现对两者信号的分离，输出信号分别为
Figure BDA0002317463010000063
和
Figure BDA0002317463010000064
对第i+m个阵元分离后的输出信号进行发射延迟的补偿，并将其与对第i个阵元分离后的输出信号的接收信号在时间上和阵元域上进行对消，本实施例中对消系数c1和c2分别取1和-1，则对消后的输出信号为：
Figure BDA0002317463010000065
最后，对对消后的输出信号进行波束形成处理，获得各方位的目标信息。经过对消处理，可对消静止或慢速的混响信号6，保留运动目标的回波信号8。
实施例2：静态布置的主动声纳混响抑制
如图3所示，静态布置的蛙人探测主动声纳1静态布置于海底，换能器采用圆柱形阵列，全向或扇面发射。下面以全向发射为例进行说明。蛙人探测声纳发射声波信号2，发射声波2照射被测目标3和海底，会形成由被测目标反射的反射回波4和由海底反射的反射回波5，其中由海底反射的反射回波5称为混响。
b1)在一个重复周期内，所述的静态布置的主动声纳在T1,T2,…,TN时刻依次发射N个相互正交的信号s1(t),s2(t),…,sN(t)，其中N大于或等于2，因此，发射信号可表示为
Figure BDA0002317463010000071
b2)回波信号表示为r(t)，通过处理对各发射信号的回波进行分离，分离后各发射信号所对应的回波分别为r'1(t),r'2(t),…,r'N(t)；r'n(t)(n＝1,2,…,N)为通过对回波信号r(t)进行分离处理后的各发射信号对应的回波；
b3)补偿各发射信号发射时刻的延迟时间，补偿后的各发射信号回波：rn(t)＝r'n(t+Tn)(n＝1,2,…,N)；
b4)对补偿后的各发射信号回波进行对消处理，得输出信号：
Figure BDA0002317463010000072
其中，cn为对消系数；
本发明的第二个实施例中，在一个重复周期内，换能器发射两个相参的正交信号s1(t)和s2(t)，两个信号的中心频率均为f0、带宽均为B、脉冲宽度均为T，两者均为线性调频信号，其中s1(t)为正线性调频，s2(t)为负线性调频，且B·T＞512。两个发射信号的间隔时间为ΔT。设蛙人与基阵最大相对速度为vmax，则：
Figure BDA0002317463010000073
蛙人探测声纳对接收回波信号进行波束形成处理，设第i个波束的输出信号为ri(t)。以s1(t)和s2(t)为参考函数，对波束形成输出的信号进行脉冲压缩处理或自适应脉冲压缩处理，实现对两者信号的分离，输出信号分别为
Figure BDA0002317463010000081
和
Figure BDA0002317463010000082
对第i个波束分离后的输出信号进行发射延迟的补偿，并进行对消，本实施例中对消系数c1和c2分别取1和-1，得到对消后的信号为：
Figure BDA0002317463010000083
经过对消处理，可对消静止或慢速的混响信号，保留运动目标的回波信号。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡任何背离本专利的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含在本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于多正交信号的主动声纳混响抑制方法，其特征在于：主动声纳发射两个或两个以上、可分离的正交信号；接收阵在接收时，信号分离出各发射正交信号所对应的回波信号，实现对场景的若干次观测；利用若干次观测过程中目标回波和混响的差异，对混响进行抑制，所述方法包括以下步骤：
1)在一个重复周期内，主动声纳在发射N个相互正交的信号，其中N为大于或等于2的正整数；
2)接收回波信号，通过处理对各发射信号的回波进行分离；
3)补偿各发射信号发射时刻的延迟时间，得到补偿后的各发射信号回波；
4)对补偿后的各发射信号回波进行对消处理，对消静止或慢速的混响信号，得到输出信号，保留运动目标的回波信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于多正交信号的主动声纳混响抑制方法，其特征在于：所述主动声纳发射基阵和接收基阵安装于运动平台上或由运动平台拖曳运动，运动平台保持直线运动，所述主动声纳接收基阵为沿运动方向布置的、阵元个数为M的均匀间隔直线阵。
3.根据权利要求1所述的一种基于多正交信号的主动声纳混响抑制方法，其特征在于：所述主动声纳发射基阵和接收基阵与海底保持相对静止。
4.根据权利要求2所述的一种基于多正交信号的主动声纳混响抑制方法，其特征在于：在一个重复周期内，主动声纳基阵在T1,T2,…,TN时刻依次发射N个相互正交的信号s1(t),s2(t),…,sN(t)，所述发射信号的间隔时间满足
Figure RE-FDA0002385162810000011
其中D为接收阵的阵元间隔，v为运动平台的运动速度，An为0或正整数，ΔTn(n＝2,3,…,N) 中至少有一个不为0。
5.根据权利要求4所述的一种基于多正交信号的主动声纳混响抑制方法，其特征在于：所述步骤3)中对第i个接收阵元接收到的来自第n个发射信号所对应的回波
Figure RE-FDA0002385162810000021
(i＝1,2,…,M)进行发射延迟的时间补偿，即
Figure RE-FDA0002385162810000022
(n＝2,3,…,N)；所述步骤4)中对各阵元、各发射信号补偿后的信号在阵元域上进行对消，对消后各阵元的输出信号为：
Figure RE-FDA0002385162810000023
其中，cn为对消系数。
6.根据权利要求3所述的一种基于多正交信号的主动声纳混响抑制方法，其特征在于：在一个重复周期内，主动声纳基阵在T1,T2,…,TN时刻依次发射N个相互正交的信号s1(t),s2(t),…,sN(t)，补偿各发射信号发射时刻的延迟时间，得到补偿后的各发射信号回波：rn(t)＝r′n(t+Tn)(n＝1,2,…,N)，其中r′1(t),r′2(t),…,r′N(t)为通过处理对各发射信号所对应的回波分离后的输出信号；对补偿后的各发射信号回波进行对消处理，得输出信号：
Figure RE-FDA0002385162810000024
其中，cn为对消系数。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的一种基于多正交信号的主动声纳混响抑制方法，其特征在于：所述相互正交的信号为其互相关函数远小于各自自相关函数峰值，且信号间为相参信号。
8.根据权利要求1～6中任一项所述的一种基于多正交信号的主动声纳混响抑制方法，其特征在于：采用脉冲压缩方法或自适应脉冲压缩方法对各发射信号回波进行分离；所述回波信号r(t)为阵元输出的阵元域信号或经过波束形成后的波束域信号。
9.根据权利要求1～6中任一项所述的一种基于多正交信号的主动声纳混响抑制方法，其特征在于：所述各发射信号之间的间隔时间与运动目标所能产生的最大多普勒频率有关。
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