CN111273303B - 双基地声纳强直达波干扰下目标微弱散射信号检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双基地声纳强直达波干扰下目标微弱散射信号检测的方法，是一种对水下入侵目标前向散射导致声场异常的检测方法，其有益效果体现在：本方法基于广义似然比检验，实现了强直达波干扰下的双基地声纳系统对水下目标散射信号进行检测，取得了较大的检测增益；相比现有方法，该方法针对多径传播环境设计，更加贴合实际应用场景，从而使得接收端最少仅需单个水听器即可实现水下目标检测；该方法预先完成对两种假设条件下的多径时延估计后，即可以实现对目标散射信号的准实时检测。

Description

双基地声纳强直达波干扰下目标微弱散射信号检测的方法

技术领域

本发明属于水声探测领域，涉及一种双基地声纳强直达波干扰下目标微弱散射信号检测的方法，即在强直达波干扰条件下的双基地声纳对水下目标的检测方法。

背景技术

双基地声纳系统是水声探测的一种重要形式，但双基地声纳会接收到来自发射端的强直达波，对双基地探测效果产生影响。远距离时，目标散射信号比直达波弱20dB左右，使得目标散射信号难以直接进行检测。特别是在双基地基线附近，强直达波会与目标散射信号产生混叠干涉，从而导致双基地声纳系统在基线附近产生探测盲区。为了提高声纳的探测性能，减少盲区覆盖，目前对直达波干扰下双基地采用的检测方法主要包括：

1)声场强度变化类方法：诸如对接收信号采用匹配滤波器，主分量分析等方法，实现对目标微弱散射信号的检测。

2)自适应相消方法：采用自适应相消原理，直接对直达波进行对消，从而提高目标散射信号强度与直达波信号强度的比值。

鉴于目前的处理方法未针对多径传输环境条件做有效的设计，往往需要接收端为多通道水听器阵列，并作信号处理以抑制多径传输影响；此外，现有方法在起伏环境的情况下需要多次接收信号处理，才能实现对目标的前向散射探测。现有方法一方面难以实现对目标的实时或准实时检测，另一方面需要在多个脉冲时间段内具有稳定的信道结构。因此需要寻求新的方法。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种双基地声纳强直达波干扰下目标微弱散射信号检测的方法，能够实现对目标散射信号准实时检测的方法，用于检测由水下入侵目标穿过收发连线时引起的散射声场变化。

技术方案

一种用于双基地声纳强直达波干扰下目标微弱散射信号检测的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：发射端循环发射线性调频信号水声信号s(t)；

步骤2：接收端的P个水听器阵列每隔周期T采样和记录水声信号，若采用水平阵列对发射端方向做波束形成，若采用垂直阵列则对水平方向做波束形成，将输出信号作记为x(t)；

步骤3、接收信号多径时延估计：采用WRELAX方法时延估计算法对接收信号进行多径时延估计，输入信号X为x(t)的频域形式：

步骤a：设多径数量为1，计算第一路多径信号幅度因子a₁和时延τ₁；

步骤b：设多径数量为2，根据残余信号X₂计算第二路多径信号幅度因子a₂和时延τ₂，再重新更新a₁,τ₁；

重复步骤a～步骤b直到收敛；

步骤c：设多径数量为3，根据残余信号X₃计算第三路多径信号幅度因子a₃和时延τ₃；先重新更新a₁,τ₁，再重新更新a₂,τ₂；

重复步骤a～步骤c直到收敛；

步骤d：根据多径数量，继续重复上述步骤直到达到完成所有多径数量时延的估计；

上述残余信号X_m如下：

估计器如下：

其中：

S为s(t)的频域形式，N为信号长度，f_s为采样率；

经过10～100次迭代，得到数个多径时延估计

即为接收信号多径时延的估计；

步骤4、建立假设检验模型：

H₀：X＝Φ_d(τ^d)a+W

H₁：X＝Φ_d(τ^d)a+Φ_s(τ^s)b+W

其中：H₀指接收信号为直达波信号，H₁指接收信号包含直达波信号和目标散射信号；τ^d,τ^s分别为直达波信号和目标散射信号的多径时延估计，a＝[a₁,a₂,...,a_M]，b＝[b₁,b₂,...,b_K]分别为复多径系数，W为复高斯分布噪声，其均值为0，方差表示为σ²；

Φ_d(τ^d)和Φ_s(τ^s)：

预先获取一组直达波数据，并根据步骤3对直达波数据估计M个多径时延

计算Φ_d(τ^d)；对预先获取一组包含直达波和目标散射波的数据，并根据步骤3估计K+M个多径时延

计算Φ_s(τ^s)；

步骤5、广义似然比检验：

若噪声方差σ²已知，根据广义似然比对接收信号x(t)计算检验统计量T₀：

若噪声方差σ²未知，对接收信号x(t)计算检验统计量：

所述

其中

η为检测门限；

其中v和r为：

当接收信号X的检验统计量T(X)＞η，则判为假设H₁，即接收信号包含目标散射信号；反之，当接收信号X的检验统计量T(X)＜η，则判为假设H ₀，即接收信号为直达波，至此目标检测完成。

所述门限，对于噪声方差已知情况：

对于噪声方差未知情况：

其中，

代表非中心参数为δ₀，自由度为v的非中心卡方分布；而F(v,r,δ₀,λ₀)代表非中心参数为δ₀,λ₀，自由度为v，r的双非中心F分布，Q(·)代表右尾概率，P_FA代表虚警率，P_D代表检测概率。

所述接收端的水听器P>1。

所述水声信号s(t)的中心频率为100Hz～10kHz，带宽为50～5kHz，脉宽为1ms～20s，周期T为10ms～20s。

有益效果

本发明提出的一种双基地声纳强直达波干扰下目标微弱散射信号检测的方法，是一种对水下入侵目标前向散射导致声场异常的检测方法，其有益效果体现在：本方法基于广义似然比检验，实现了强直达波干扰下的双基地声纳系统对水下目标散射信号进行检测，取得了较大的检测增益；相比现有方法，该方法针对多径传播环境设计，更加贴合实际应用场景，从而使得接收端最少仅需单个水听器即可实现水下目标检测；该方法预先完成对两种假设条件下的多径时延估计后，即可以实现对目标散射信号的准实时检测。

本发明有较好的目标检测效果，与现有方法相比较优越性体现在：

1)本方法针对信号多径传输建立模型，有效地提高了检测增益和实用性。

2)相比已有方法，本方法接收端最少仅需单个水听器即可实现检测。

3)本方法具有恒虚警率特性，在工程应用中有较好的稳健性。

4)本方法仅需对两种假设下的多径时延进行估计即可实现准实时检测，无需其他先验信息。

附图说明

图1：双基地声纳探测示意图。

图2：发射信号。

图3：接收信号(仅直达波)

图4：接收信号(直达波与目标散射波)。

图5：广义似然比检测方法处理流程图。

图6：已知噪声方差时不同信噪比下的广义似然比检测结果。

图7：未知噪声方差时不同信噪比下的广义似然比检测结果。

图8：不同信噪比下虚警率设为10^-6时的检测概率

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

用于双基地声纳强直达波干扰下目标微弱散射信号检测的方法，由发射端周期性发射线性调频信号，在远处布置的接收端上通过对接收数据进行处理，实现对强直达波干扰下目标微弱散射信号的检测。其过程可以分为以下5步：

(1)发射端循环发射线性调频信号，中心频率为100Hz～10kHz，带宽为50～5kHz，脉宽为1ms～20s，周期T为10ms～20s的水声信号s(t)。

(2)接收端由不少于一个水听器所组成，水听器每隔周期T采样和记录水声信号。单个水听器接收信号为x(t)。若接收端水听器为Q个(Q>1)水听器组成的阵列，水平阵列对发射端方向做波束形成，垂直阵列则对水平方向做波束形成，将波束输出信号作记为x(t)。

(3)接收信号多径时延估计。

使用WRELAX方法时延估计算法对接收信号进行多径时延估计。

经过10～100次迭代，得到K个

即为接收信号多径时延的估计。

(4)建立假设检验模型。

对发射信号s(t)，接收信号x(t)做离散傅里叶变换(DFT)：

S＝DFT(s(t))

X＝DFT(x(t))

预先获取一组直达波数据，并如步骤(3)所示对直达波数据估计M个多径时延τ^d，计算Φ_d(τ)；对预先获取一组包含直达波和目标散射波的数据，并如步骤(3)所示估计N+M个多径时延[τ^d,τ^s]，计算Φ_s(τ)：

其中

建立假设检验模型：

H₀：X＝Φ_d(τ^d)a+W

H₁：X＝Φ_d(τ^d)a+Φ_s(τ^s)b+W

其中H₀为接收信号为直达波信号，H₁为接收信号包含直达波信号和目标散射信号。a，b分别为复多径系数，W为噪声，服从复高斯分布，即W～CN(0,σ²)。

(5)广义似然比检验。

若噪声方差已知，根据广义似然比对接收信号x(t)计算检验统计量T₀：

若噪声方差未知，对接收信号x(t)计算检验统计量：

其中

其中

η为检测门限。其中v和r如下：

当接收信号X的广义似然比l_GLR(X)＞η，则判为假设H₁，即接收信号为直达波；反之当接收信号X的广义似然比l_GLR(X)＜η，则判为假设H₀，即接收信号包含目标散射信号。至此目标检测完成。

门限可以根据需要的虚警率进行选取，对于噪声方差已知情况：

对于噪声方差未知情况：

其中，

代表非中心参数为δ₀，自由度为v的非中心卡方分布；而F(v,r,δ₀,λ₀)代表非中心参数为δ₀,λ₀，自由度为v，r的双非中心F分布。可以根据上述关系计算对应虚警率所需的门限值，实现恒虚警率检测。

具体实施例：

假设在浅海环境中，水深40m，水下目标在双基地声纳基线附近区域，目标为长半轴8m，短半轴2m的椭球体。声源和接收点距离为3km，声源深度为10m。接收端为单个水听器，布放深度为10m，双基地声纳系统如图1所示。

(1)发射中心频率为2kHz，带宽200Hz，脉宽为0.5s，发射间隔为1s的线性调频信号，如图2所示。

(2)接收端为一个水听器，水听器记录信号采样率为10kHz。使用Bellhop射线声学模型仿真信道冲激响应，得到直达波接收信号如图3所示。当有目标时，得到的含有目标散射信号的接收信号如图4所示。信号检测流程如图5所示。

(3)分别对仅有直达波的接收信号x₀和包含目标散射信号的接收信号x₁进行多径时延估计。使用最大期望算法，随机设置初值

β_k且满足

进行50次迭代。其中x₀估计10个多径时延

而x₁估计20个多径时延

再剔除与τ^d最接近(即差的绝对值最小)的10个时延后记为τ^s。

(4)对发射信号s(t)，接收信号x(t)做离散傅里叶变换得到S，X。计算

建立假设：

H ₀：X＝Φ_d(τ^d)a+W

H ₁：X＝Φ_d(τ^d)a+Φ_s(τ^s)b+W

(5)对接收信号x(t)添加高斯白噪声(与信号频带一致)，使信直比为0dB～20dB，分别计算不同信噪比下的检验统计量T₀,T₁：

每个信噪比条件下进行1000次蒙特卡洛实验，计算已知噪声方差和未知噪声方差条件下不同信噪比时加噪接收信号广义似然比的均值和标准差(由误差线表示)如图6、图7所示。图中可以看到假设H ₀与假设H₁的广义似然比有较大的差异，随着信噪比下降广义似然比检验的性能逐渐下降。检验统计量检验根据虚警率P_FA＝10^-6计算并选取检测门限η即可实现对目标散射信号的横虚警率检测。不同信噪比下检测概率如图8所示，蒙特卡洛实验结果与理论结果基本一致，证明了该方法的恒虚警性能。

Claims (4)

1.一种用于双基地声纳强直达波干扰下目标微弱散射信号检测的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：发射端循环发射线性调频信号水声信号s(t)；

步骤2：接收端的P个水听器阵列每隔周期T采样和记录水声信号，若采用水平阵列对发射端方向做波束形成，若采用垂直阵列则对水平方向做波束形成，将输出信号作记为x(t)；

步骤3、接收信号多径时延估计：采用WRELAX方法时延估计算法对接收信号进行多径时延估计，输入信号X为x(t)的频域形式：

步骤a：设多径数量为1，计算第一路多径信号幅度因子a₁和时延τ₁；

步骤b：设多径数量为2，根据残余信号X₂计算第二路多径信号幅度因子a₂和时延τ₂，再重新更新a₁,τ₁；

重复步骤a～步骤b直到收敛；

步骤c：设多径数量为3，根据残余信号X₃计算第三路多径信号幅度因子a₃和时延τ₃；先重新更新a₁,τ₁，再重新更新a₂,τ₂；

重复步骤a～步骤c直到收敛；

步骤d：根据多径数量，继续重复上述步骤直到达到完成所有多径数量时延的估计；

上述残余信号X_m如下：

估计器如下：

其中：

S为s(t)的频域形式，N为信号长度，f_s为采样率；

经过10～100次迭代，得到数个多径时延估计

即为接收信号多径时延的估计；

步骤4、建立假设检验模型：

X＝Φ_d(τ^d)a+W

X＝Φ_d(τ^d)a+Φ_s(τ^s)b+W

其中：

指接收信号为直达波信号，

指接收信号包含直达波信号和目标散射信号；τ^d,τ^s分别为直达波信号和目标散射信号的多径时延估计，a＝[a₁,a₂,...,a_M]，b＝[b₁,b₂,...,b_K]为复多径系数，W为复高斯分布噪声，其均值为0，方差表示为σ²；

Φ_d(τ^d)和Φ_s(τ^s)：

预先获取一组直达波数据，并根据步骤3对直达波数据估计M个多径时延

计算Φ_d(τ^d)；对预先获取一组包含直达波和目标散射波的数据，并根据步骤3估计K+M个多径时延

计算Φ_s(τ^s)；

步骤5、广义似然比检验：

若噪声方差σ²已知，根据广义似然比对接收信号x(t)计算检验统计量T₀：

若噪声方差σ²未知，对接收信号x(t)计算检验统计量：

所述

其中

η为检测门限；

其中v和r为：

当接收信号X的检验统计量T_i(X)＞η，i＝0或1，则判为假设

即接收信号包含目标散射信号；反之，当接收信号X的检验统计量T_i(X)＜η，i＝0或1，则判为假设

即接收信号为直达波，至此目标检测完成。

2.根据权利要求1所述用于双基地声纳强直达波干扰下目标微弱散射信号检测的方法，其特征在于：所述门限，对于噪声方差已知情况：

对于噪声方差未知情况：

其中，

代表非中心参数为δ₀，自由度为v的非中心卡方分布,

代表非中心参数为δ₁，自由度为v的非中心卡方分布；而F(v,r,δ₀,λ₀)代表非中心参数为δ₀,λ₀，自由度为v，r的双非中心F分布，F(v,r,δ₁,λ₁)代表非中心参数为δ₁,λ₁，自由度为v，r的双非中心F分布；Q(·)代表右尾概率，P_FA代表虚警率，P_D代表检测概率。

3.根据权利要求1所述用于双基地声纳强直达波干扰下目标微弱散射信号检测的方法，其特征在于：所述接收端的水听器P＞1。

4.根据权利要求1所述用于双基地声纳强直达波干扰下目标微弱散射信号检测的方法，其特征在于：所述水声信号s(t)的中心频率为100Hz～10kHz，带宽为50～5kHz，脉宽为1ms～20s，周期T为10ms～20s。

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