CN113050095A - 一种基于非均匀线阵的水面目标识别系统及识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于非均匀线阵的水面目标识别系统及识别方法，可实现快速识别水下目标和水面目标，所需硬件资源极少，系统功耗低，节省能量，所需运算资源较少，能快速给出判决结果，可为水面目标的精确识别提供信息。
Description
技术领域
本发明属于水声信号处理领域，特别涉及一种基于非均匀线阵的水面目标识别系统及识别方法。
背景技术
现有的基于水声的目标识别系统主要应用在水下目标探测与分类领域，且水声目标特征数据库还有待完善，识别的准确度与海域又较大关系，还处于发展完善阶段。 但是，海水中的目标识别技术在水下声成像、水下勘探、水下作业等领域，都有非常 广阔的应用前景，是水声信号处理中备受重视的研究领域。
水下目标识别技术主要通过声学手段,一般分为主动和被动两种工作模式，利用目标反射的回波信号或者目标自主辐射的噪声信号，采用水听器阵列获取空间增益， 以此提高接收信号的信噪比，之后需提取目标的声学特征并与数据库进行相关运算， 实现小信噪比下准确识别水下目标的目的。水下目标识别技术面临三个主要的技术难 点，一是目标辐射信号一般极其微弱，需要在低信噪比下进行信号的检测与识别；二 是目标的声学特征难以确定，声学特征依赖于目标的形状、体积、材质、运动方式、 运行速度等多个因素；三是为了实现准确的目标识别需要庞大且准确的数据库，这种 数据库的构建是个长期且困难的工作。
为了应对水下目标识别面临的这些困难，本专利提出了一种简化的应对方法，即将水下目标识别简化为仅区分目标为水下目标还是水面目标，仅对水下及水面目标进 行二分类。这种处理方法虽然无法完成对水下目标的准确分类，但这种分类方法不依 赖水下目标的形状、结构、尺寸等物理特征等，也不依赖于目标的声学特征及数据库， 仅与目标在水下的深度有关，是一种可稳定可靠进行分类的方法，而且可作为进一步 目标识别与分类的判决依据。
现有文献及研究中，没有基于非均匀线阵的水面目标识别系统。在无人船领域中有水面目标识别系统相关研究，主要集中在机器视觉方面，采用雷达检测、卫星遥 感、红外成像、可见光成像等方式获取水面目标的图像，之后使用图像处理、特征提 取的方式区分水面目标的种类，可应用在无人船的自动驾驶等方面，为无人船的导航 避障和目标跟踪提供参考。该技术的目标是精确识别水面目标的种类，为机器决策提 供支撑，但是该技术并不区分水面目标和水下目标。进一步讲，现有声纳技术中，通 常会对水下目标进行水平向定位，确定目标的方位及距离，但较少对目标深度进行估 计，仅在使用匹配场技术进行定位时会估计目标深度，不对水面目标和水下目标进行 区分。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了解决现有水下目标识别技术中目标声学特征采集困难，难以构造完备特征数据库的不足和缺陷，本发明设计一种基于非均匀线阵的水 面目标识别系统及识别方法。
本发明的技术方案是：一种基于非均匀线阵的水面目标识别系统，其特征在于，包括非均匀线阵、模拟滤波放大模块、多通道数据采集A/D、DSP数字信号处理模块和 输出模块；
所述非均匀线阵包括n个水听器，其中n大于等于4；n个水听器不等间距垂直布放，阵中心位于水面下1，且需保证阵的最上方水听器位于水面之下，所述非均匀线阵为中 心对称阵列；
所述非均匀线阵接收到声信号后，通过模拟滤波放大模块将声信号进行抗混叠滤波与放大处理，滤除带外噪声，提高采样前端模拟信号的信噪比，后传入多通道数据 采集A/D模块；经多通道数据采集A/D模块实现模/数转换后，将数字化后的声信号传入 DSP数字信号处理模块；经DSP数字信号处理模块进行频域波束形成，把时域数据变化 到波束域，之后在DSP中实现双波束比幅法判决处理后进行输出，输出的是目标俯仰角 的估计值，最后采用聚类分析方法进行水面/水下目标的二分类任务；同时需要使用DSP 数字信号处理模块内部的定时器，通过定时器设定多通道数据采集A/D模块的采样频 率，进行采集控制。
本发明进一步的技术方案是：所述非均匀线阵中的阵中心位于水面下15m处。
本发明进一步的技术方案是：所述DSP数字信号处理模块，可使用DSP进行算法的实现，也可使用ARM或FPGA实现算法。
本发明进一步的技术方案是：一种基于非均匀线阵的水面目标识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：本专利需要在水下布放一个垂直线列阵，首先需要根据布阵深度及观测海域的范围确定俯仰角的范围。设海深为h，垂线阵布放深度为d(阵中心位置)，观 测的距离为[r1,r2]，因此最大俯仰角范围[θ1,θ2]可根据下式进行计算：
其中，阵的法线方向为90°，垂直向下为180°。
步骤2：根据俯仰角范围设计一个非均匀垂线阵，需要在声信号频带范围内，令 垂线阵的自然指向性在俯仰角范围[θ1,θ2]内无旁瓣。
步骤3：针对该非均匀垂线阵，根据波束设计方法设定两组不同的权系数，形成 两个分别指向水面和水底的波束，称为上波束(Top Beam)和下波束(Bottom Beam)， 而将m个阵元的输出直接相加作为主波束(Main Beam)：
步骤4：设所使用的垂线阵包含m个阵元，τ为时延，n为高斯白噪声，第i个阵 元接收到的信号可表示为：
xi＝s(t+τi)+n (2)
该信号为垂线阵接收到的水声信号经过滤波放大模块调理后的连续时域信号。
步骤5：采用多通道A/D模块进行数据采集，实现连续时域信号的离散化，并计 算三个波束的输出值，将时域数据变换为波束域数据：
y＝Ax (3)
其中A＝[ω1,ω2L ωm]为垂线阵的一组权系数向量，不同的波束所对应的权系数向 量A不同；x＝[x1,x2L xm]T为离散化后的时域信号向量；该公式涉及的乘加运算量主要取决于阵元数，即运算复杂度为O(m)。
步骤6：对比三个波束的输出值，获取波束输出幅度最大的波束，并进行水面/水下判决，判决依据为：当上波束输出最大时，判定目标为水面目标；当主波束或下波 束输出最大时，判定目标为水下目标。
当目标方位位于两个波束中间时，可采用下式获取更准确的深度估计值：
其中，Δθ0是两个波束间的间隔，y1和y2为两个波束的输出。
发明效果
本发明的技术效果在于：本发明系首次提出的一种基于非均匀线阵的水面目标识别系统及识别方法，该方法可实现快速识别水下目标和水面目标，所需硬件资源极少， 系统功耗低，节省能量，所需运算资源较少，能快速给出判决结果，可为水面目标的 精确识别提供信息。具体说来，本发明和现有技术相比，产生的有益效果如下：
(1)本专利采用三个波束进行水面/水下目标的二分类识别，并不区分目标的具体种类，无需目标特征数据库的支撑，是一个易于实现的方法。
(2)本专利在实现过程中，主要运算为将时域数据转换为三路波束域数据，运算复杂度为O(m)，采用高速DSP/FPGA可实现实时处理。
(3)本专利可实现对水下目标及水面目标的区分，可为更准确的目标识别提供先验信息。
附图说明
图1为基于非均匀线阵的水面目标识别的实现过程
图2为基于非均匀线阵的水面目标识别系统硬件实现框图
图3为本实施例中非均匀线阵布阵示意图
图4为三波束示意图
图5为非均匀线阵波束图
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、 “内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位 或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或 元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限 制。
参见图1-图3，本申请提出了一种基于非均匀线阵的水面目标识别系统及识别方法，其中系统采用一种非均匀分布的垂直线列阵接收声信号，可覆盖较宽的频带范围， 本方法能够区分所观测到的目标是水面目标还是水下目标，可为水面目标的精确分类 识别提供信息。
下面结合附图和具体实施例，对本发明技术方案进行进一步解释说明。
该系统使用一个包含4个水听器的非线性阵列获取目标辐射的水声信号，观测信号 的频率为3500Hz，设观测海深为100m，观测距离范围为3km～5km，首先对接收阵列进行非线性设计，使得基阵在一定深度范围内具有较强的指向性。其中，图3中的L1＝L3＝2m，L2＝0.2m，其中L1和L3相等。
根据公式(1)可以计算得到俯仰角范围为：[89.71°，91.62°]，在该范围内令 上波束指向89.9°，令下波束指向90.1°，可以获得两组权系数，对应的波束图5所示。
对应的上波束权系数A＝[0.2496-0.0136i,0.25-0.0008i,0.25+0.0008i,0.2496+0.0136i]；主波束权系数A＝[0.25,0.25,0.25,0.25]；下波束权系数 A＝[0.2496+0.0136i,0.25+0.0008i,0.25-0.0008i,0.2496-0.0136i]；
图3中的非均匀线阵垂直布放在水面下15m处，以该位置为分界区分水面目标及水下目标。在接收到信号后，由A/D模块对信号进行离散化处理，并带入公式(3)，将 数据转换到波束域。之后通过对比波束域数据，判别所检测到的目标是水面目标还是 水下目标。为了提高检测的性能，降低虚警概率，可在宽频带范围内同时进行波束形 成及判决。
Claims (4)
1.一种基于非均匀线阵的水面目标识别系统，其特征在于，包括非均匀线阵、模拟滤波放大模块、多通道数据采集A/D、DSP数字信号处理模块和输出模块；
所述非均匀线阵包括n个水听器，其中n大于等于4；n个水听器不等间距垂直布放，阵中心位于水面下，且需保证阵的最上方水听器位于水面之下，所述非均匀线阵为中心对称阵列；
所述非均匀线阵接收到声信号后，通过模拟滤波放大模块将声信号进行抗混叠滤波与放大处理，滤除带外噪声，提高采样前端模拟信号的信噪比，后传入多通道数据采集A/D模块；经多通道数据采集A/D模块实现模/数转换后，将数字化后的声信号传入DSP数字信号处理模块；经DSP数字信号处理模块进行频域波束形成，把时域数据变化到波束域，之后在DSP中实现双波束比幅法判决处理后进行输出，输出的是目标俯仰角的估计值，最后采用聚类分析方法进行水面/水下目标的二分类任务；同时需要使用DSP数字信号处理模块内部的定时器，通过定时器设定多通道数据采集A/D模块的采样频率，进行采集控制。
2.如权利要求1所述的一种基于非均匀线阵的水面目标识别系统，其特征在于，所述非均匀线阵中的阵中心位于水面下15m处。
3.如权利要求1所述的一种基于非均匀线阵的水面目标识别系统，其特征在于，所述DSP数字信号处理模块，可使用DSP进行算法的实现，也可使用ARM或FPGA实现算法。
4.基于权利要求1所述一种基于非均匀线阵的水面目标识别系统的识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：本专利需要在水下布放一个垂直线列阵，首先需要根据布阵深度及观测海域的范围确定俯仰角的范围。设海深为h，垂线阵布放深度为d(阵中心位置)，观测的距离为[r1,r2]，因此最大俯仰角范围[θ1,θ2]可根据下式进行计算：
其中，阵的法线方向为90°，垂直向下为180°。
步骤2：根据俯仰角范围设计一个非均匀垂线阵，需要在声信号频带范围内，令垂线阵的自然指向性在俯仰角范围[θ1,θ2]内无旁瓣。
步骤3：针对该非均匀垂线阵，根据波束设计方法设定两组不同的权系数，形成两个分别指向水面和水底的波束，称为上波束(Top Beam)和下波束(Bottom Beam)，而将m个阵元的输出直接相加作为主波束(Main Beam)：
步骤4：设所使用的垂线阵包含m个阵元，τ为时延，n为高斯白噪声，第i个阵元接收到的信号可表示为：
xi＝s(t+τi)+n (2)
该信号为垂线阵接收到的水声信号经过滤波放大模块调理后的连续时域信号。
步骤5：采用多通道A/D模块进行数据采集，实现连续时域信号的离散化，并计算三个波束的输出值，将时域数据变换为波束域数据：
y＝Ax (3)
其中A＝[ω1,ω2L ωm]为垂线阵的一组权系数向量，不同的波束所对应的权系数向量A不同；x＝[x1,x2L xm]T为离散化后的时域信号向量；该公式涉及的乘加运算量主要取决于阵元数，即运算复杂度为O(m)。
步骤6：对比三个波束的输出值，获取波束输出幅度最大的波束，并进行水面/水下判决，判决依据为：当上波束输出最大时，判定目标为水面目标；当主波束或下波束输出最大时，判定目标为水下目标。
当目标方位位于两个波束中间时，可采用下式获取更准确的深度估计值：
其中，Δθ0是两个波束间的间隔，y1和y2为两个波束的输出。
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| CN202110261864.9A CN113050095A (zh) | 2021-03-10 | 2021-03-10 | 一种基于非均匀线阵的水面目标识别系统及识别方法 |
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2021
- 2021-03-10 CN CN202110261864.9A patent/CN113050095A/zh active Pending
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