CN114325671B - 改进的基于水下声信标信号多脉冲累积的抗多普勒方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种改进的基于水下声信标信号多脉冲累积的抗多普勒方法，包括如下步骤：第一步：获取待处理多脉冲信号的采样数据序列；第二步：对多脉冲信号进行带通滤波处理；第三步：搜索实际周期，对滤波结果计算多脉冲累积序列；第四步：搜索多普勒速度对应拷贝信号，对多脉冲累积序列进行匹配滤波处理，选取最大峰值的匹配结果；第五步：根据匹配结果及门限进行判决，验证检测性能。本发明基于多普勒效应对信号频率的偏移及对时域信号的伸缩，搜索合适的拷贝信号使得匹配滤波可以获得较高的处理增益，从而提高多脉冲累积信号检测性能。

Description

改进的基于水下声信标信号多脉冲累积的抗多普勒方法

技术领域

本发明涉及一种改进的基于水下声信标信号多脉冲累积的抗多普勒方法，属于信号处理技术领域。

背景技术

水下声信标信号检测是黑匣子搜寻的关键技术，通过声呐对该信号进行搜索检测，确定其位置。由于海洋水声信道特性非常复杂，存在背景噪声强、干扰源多、传播损失大、多途效应及多普勒效应严重等问题，水声信号经过海洋水声信道的传输后会产生非常大的畸变。如何在远距离且低信噪比的情况下对畸变信号进行有效的检测是迫切需要解决的问题。

匹配滤波法属于经典的水声信号检测方法之一，是一种基于输出信噪比最大准则的线性时不变滤波器。在加性高斯白噪声环境中，对确知信号有很好的检测效率，但是水声信道多普勒效应使得信号频率偏移其检测性能会严重下降。

水下声信标信号的多脉冲累积提高了处理增益，但是在海洋信道传输中，相对运动产生的多普勒效应会引起信号时域发生伸展和收缩，导致已知的信号周期和脉宽与实际接收信号的周期和脉宽有偏差，而这个偏差可能会降低多脉冲相干累加的累加增益。

发明内容

发明目的：针对现有水下声信标信号检测的问题，本发明公开了一种改进的基于水下声信标信号多脉冲累积的抗多普勒算法，该方法针对多普勒效应导致的频率偏移和信号时域伸展和收缩，对多普勒速度和信号周期进行二维搜索的多脉冲累积匹配滤波，降低多普勒频移对检测造成的影响，提高系统的检测性能。

技术方案：一种改进的基于水下声信标信号多脉冲累积的抗多普勒方法，包括如下步骤：

步骤1：获取待处理多脉冲信号的采样数据序列；

步骤2：对多脉冲信号进行带通滤波处理；

步骤3：搜索实际周期，对滤波结果计算多脉冲累积序列；

步骤4：搜索多普勒速度对应拷贝信号，对多脉冲累积序列进行匹配滤波处理，选取最大峰值的匹配结果；

步骤5：根据匹配结果及门限进行判决，验证检测性能。

本发明针对海洋水声信道中多普勒效应严重提出了一种改进的基于水下声信标信号多脉冲累积的抗多普勒算法，该方法通过二维搜索可以有效地降低多普勒频移对检测造成的影响，提高系统的检测性能。

所述步骤1中，获取待处理的多脉冲信号采样数据序列x(n)，n＝0,1,2，...,L-1，所述n为x(n)的离散时间索引，L为检测到的多脉冲信号长度所对应的采样点个数，取值为2的整数次幂，且L≥8。

所述步骤2中，对x(n)进行带通滤波，得到滤波后信号s(n)；采用如下方法对x(n)进行滤波处理，得到滤波后信号s(n)：

步骤2-1：利用已知的脉冲信号频率参数f₀，设定起始频率f₁和终止频率f₂，ω₁＝2πf₁、ω₂＝2πf₂分别为带通滤波器的通带下频率和通带上频率，则滤波器单位冲激响应为：

τ＝(N-1)/2，N为滤波器长度点数。

步骤2-2：带通滤波结果s(n)计算公式为：

所述步骤3中，搜索实际周期T'，对滤波处理后子脉冲s_i(n)进行周期搜索叠加得到信号

所述步骤4中，搜索多普勒速度v'对应拷贝信号对多脉冲累积序列进行匹配滤波处理，选取匹配峰值最大的作为匹配结果y_mul(n)。

所述步骤5中，根据匹配滤波处理结果y_mul(n)与门限γ进行判决，验证检测性能P_d。

所述步骤3中，采用如下方法搜索实际周期T'，对滤波处理后子脉冲进行周期搜索叠加得到信号/>

步骤3-1：跟据已知周期参数T估计实际周期范围T'＝[T-ΔT,T+ΔT]，设置搜索间隔dT，周期偏差应满足：

其中τ为水下声信标信号脉脉宽，N_p为子脉冲个数。

步骤3-2：根据不同周期，获取对滤波处理后子脉冲

其中i＝0,1,...,N_p-1为子脉冲序号，T_p为搜索周期T'对应点数。

步骤3-3：对滤波处理后子脉冲进行周期搜索叠加得到信号/>

所述步骤4中，采用如下方法搜索多普勒速度v'对应拷贝信号对多脉冲累积序列/>进行匹配滤波处理，选取匹配峰值最大的作为匹配结果y_mul(n)：

步骤4-1：根据搜索声呐的航速为v，设置一组搜索的多普勒速度v'＝[v₁,v₂]，设置搜索间隔dv，每个多普勒速度对应的拷贝信号为：

步骤4-2：分别计算各拷贝信号的离散傅里叶变换：

j,k是傅里叶变换的常用表达形式。

步骤4-3：分别计算不同周期叠加的多脉冲信号的离散傅里叶变换：

步骤4-4：二维搜索不同周期叠加的多脉冲信号离散傅里叶变换结果与各拷贝信号/>匹配滤波得到滤波后的离散傅里叶变换/>

其中为/>的复共轭。

步骤4-5：对滤波后的离散傅里叶变换做离散傅里叶逆变换得到时域复数信号/>

步骤4-6：选取匹配峰值最大的作为匹配结果y_mul(n)：

所述步骤5中，采用如下方法根据检验统计量和恒虚警门限进行判决，验证检测性能：

分析不同信噪比下的检测性能，通过达到P_d的检测概率时所需的相对信噪比来衡量。

模拟不同信噪比下多组多脉冲信号的采样数据序列，给定恒虚警门限以|y_mul(n)|²的峰值作为检验统计量重复步骤1-4，得出不同信噪比下检测概率。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、水声信道多普勒效应使得水下声信标信号频率偏移，常规匹配滤波器检测性能会严重下降，计算出每个多普勒速度对应拷贝信号接收信号进行匹配滤波处理，取每个结果峰值中的最大值与门限γ比较，降低多普勒频移对检测造成的影响。

2、多普勒效应会引起信号时域发生伸展和收缩，导致已知的信号周期和脉宽与实际接收信号的周期和脉宽有偏差，周期搜索进行脉冲累积，选取信号脉冲部分重合更高的，提高处理增益从而提高系统的检测性能。

3、结合信号的采样频率、周期参数，设置多普勒速度的扫描间隔、周期搜索间隔，从而减少二维搜索的运算量。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程图；

图2为实例1检测性能曲线图；

图3为实例1单脉冲匹配结果图；

图4为实例1多脉冲匹配结果图；

图5为实例1二维搜索的多脉冲匹配结果图；

图6为实例1归一化匹配结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，一种改进的基于水下声信标信号多脉冲累积的抗多普勒方法，包括如下步骤：

(1)获取待处理的多脉冲信号采样数据序列x(n)，n＝0,1,2，...,L-1，所述n为x(n)的离散时间索引，L为检测到的多脉冲信号长度所对应的采样点个数；

(2)对x(n)进行带通滤波，得到滤波后信号s(n)；

(3)搜索实际周期T'，对滤波处理后子脉冲s_i(n)进行周期搜索叠加得到信号

(4)搜索多普勒速度v'对应拷贝信号对多脉冲累积序列/>进行匹配滤波处理，选取匹配峰值最大的作为匹配结果y_mul(n)；

(5)根据匹配滤波处理结果y_mul(n)与门限γ进行判决，验证检测性能P_d；

步骤(2)中，采用如下方法对x(n)进行滤波处理，得到滤波后信号s(n)：

步骤2-1：利用已知的脉冲信号频率参数f₀，设定起始频率f₁和终止频率f₂，ω₁＝2πf₁、ω₂＝2πf₂分别为带通滤波器的通带下频率和通带上频率，则滤波器单位冲激响应为：

τ＝(N-1)/2，N为滤波器长度点数。

步骤2-2：带通滤波结果s(n)计算公式为：

步骤(3)中，采用如下方法搜索实际周期T'，对滤波处理后子脉冲进行周期搜索叠加得到信号/>

步骤3-1：跟据已知周期参数T估计实际周期范围T'＝[T-ΔT,T+ΔT]，设置搜索间隔dT，周期偏差应满足：

其中τ为水下声信标信号脉脉宽，N_p为子脉冲个数。

步骤3-2：根据不同周期，获取对滤波处理后子脉冲

其中i＝0,1,...,N_p-1为子脉冲序号，T_p为搜索周期T'对应点数。

步骤3-3：对滤波处理后子脉冲进行周期搜索叠加得到信号/>

步骤(4)中，采用如下方法搜索多普勒速度v'对应拷贝信号对多脉冲累积序列/>进行匹配滤波处理，选取匹配峰值最大的作为匹配结果y_mul(n)：

步骤4-1：根据搜索声呐的航速为v，设置一组搜索的多普勒速度v'＝[v₁,v₂]，设置搜索间隔dv，每个多普勒速度对应的拷贝信号为：

步骤4-2：分别计算各拷贝信号的离散傅里叶变换：

步骤4-3：分别计算不同周期叠加的多脉冲信号的离散傅里叶变换：

步骤4-4：二维搜索不同周期叠加的多脉冲信号离散傅里叶变换结果与各拷贝信号/>匹配滤波得到滤波后的离散傅里叶变换/>

步骤4-5：对滤波后的离散傅里叶变换做离散傅里叶逆变换得到时域复数信号/>

步骤4-6：选取匹配峰值最大的作为匹配结果y_mul(n)：

步骤(5)中，采用如下方法根据检验统计量和恒虚警门限进行判决，验证检测性能：

模拟不同信噪比下多组多脉冲信号的采样数据序列，给定恒虚警门限以|y_mul(n)|²的峰值作为检验统计量重复步骤(1)-(4)，得出不同信噪比下检测概率。

本发明的实施例中，仿真多脉冲信号模型为：

其中A为信号幅度，为初始相位，τ₀为多脉冲信号首脉冲到达时间，τ为脉冲宽度，T为脉冲周期，f₀为信号频率，多普勒影响导致脉宽为τ'、周期为T'、频率为f₀'，w_m(t)为均值为0，方差为σ²的高斯白噪声，N_p为子脉冲个数，m为子脉冲序号。

以采样频率f_s对上述脉冲信号进行离散采样可得到脉冲信号采样数据序列：

其中，n₁＝round(τ₀f_s)，M₀＝round(τf_s)，M'＝round(τ'f_s)，

M'_T＝round(T'f_s)。

实施例1：

仿真信号参数分别设置为：信号幅度A＝1，初始相位脉宽τ＝0.009s，脉冲周期T＝1.0s，多脉冲信号首脉冲到达时间τ₁＝0.093s，信号频率f₀＝37.5kHz，子脉冲个数N＝6，采样频率f_s＝98304Hz，多普勒速度v＝2.2m/s，单周期数据点数M₁＝98304，观测数据序列点数L＝NM₁＝589824，虚警概率P_FA＝0.0001。

依据第(2)步，设定起始频率f₁＝37kHz，信号终止频率f₁＝38kHz，得到数据序列x(n)滤波后结果s(n)。

依据第(3)步，设定周期搜索范围T'＝[T-ΔT,T+ΔT]ΔT＝0.01s，周期搜索间隔dT＝0.001s。

依据第(4)(5)步，设定多普勒搜索范围-5m/s≤v≤5m/s,速度搜索间隔dv＝1m/s，得到多脉冲检测性能曲线如图2所示。图3图4图5分别为信噪比SNR＝-5dB时，单脉冲匹配、多脉冲累积算法处理后匹配以及改进的二维搜索的多脉冲累积算法处理后匹配的结果，可以看出在多普勒影响下，单脉冲匹配结果出现严重失真，三角峰的特性丢失，幅度起伏剧烈；多脉冲累积算法处理后补偿了匹配结果的部分失真，恢复出三角峰的大致形状；改进的二维搜索的多脉冲累积算法处理后匹配结果三角峰特性明显，提高了检测性能。图6为三种算法处理匹配结果归一化图，可以看出二维搜索的多脉冲累积算法处理匹配结果中噪声部分的幅值明显降低。

Claims (4)

1.一种改进的基于水下声信标信号多脉冲累积的抗多普勒方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：获取待处理多脉冲信号的采样数据序列；

步骤2：对多脉冲信号进行带通滤波处理；

步骤3：搜索实际周期，对滤波结果计算多脉冲累积序列；

步骤4：搜索多普勒速度对应拷贝信号，对多脉冲累积序列进行匹配滤波处理，选取最大峰值的匹配结果；

步骤5：根据匹配结果及门限进行判决，验证检测性能；

所述步骤2中，对x(n)进行带通滤波，得到滤波后信号s(n)；采用如下方法对x(n)进行滤波处理，得到滤波后信号s(n)：

步骤2-1：利用已知的脉冲信号频率参数f₀，设定起始频率f₁和终止频率f₂，ω₁＝2πf₁、ω₂＝2πf₂分别为带通滤波器的通带下频率和通带上频率，则滤波器单位冲激响应为：

τ＝(N-1)/2，N为滤波器长度点数；

步骤2-2：带通滤波结果s(n)计算公式为：

所述步骤3中，搜索实际周期T'，对滤波处理后子脉冲s_i(n)进行周期搜索叠加得到信号

所述步骤4中，搜索多普勒速度v'对应拷贝信号对多脉冲累积序列/>进行匹配滤波处理，选取匹配峰值最大的作为匹配结果y_mul(n)；

所述步骤3中，采用如下方法搜索实际周期T'，对滤波处理后子脉冲进行周期搜索叠加得到信号/>

步骤3-1：跟据已知周期参数T估计实际周期范围T'＝[T-ΔT,T+ΔT]，设置搜索间隔dT，周期偏差应满足：

其中τ为水下声信标信号脉脉宽，N_p为子脉冲个数；

步骤3-2：根据不同周期，获取对滤波处理后子脉冲

其中i＝0,1,...,N_p-1为子脉冲序号，T_p为搜索周期T'对应点数；

步骤3-3：对滤波处理后子脉冲进行周期搜索叠加得到信号/>

所述步骤4中，采用如下方法搜索多普勒速度v'对应拷贝信号对多脉冲累积序列进行匹配滤波处理，选取匹配峰值最大的作为匹配结果y_mul(n)：

步骤4-1：根据搜索声呐的航速为v，设置一组搜索的多普勒速度v'＝[v₁,v₂]，设置搜索间隔dv，每个多普勒速度对应的拷贝信号为：

步骤4-2：分别计算各拷贝信号的离散傅里叶变换：

步骤4-3：分别计算不同周期叠加的多脉冲信号的离散傅里叶变换：

步骤4-4：二维搜索不同周期叠加的多脉冲信号离散傅里叶变换结果与各拷贝信号/>匹配滤波得到滤波后的离散傅里叶变换/>

步骤4-5：对滤波后的离散傅里叶变换做离散傅里叶逆变换得到时域复数信号/>

步骤4-6：选取匹配峰值最大的作为匹配结果y_mul(n)：

当/>最大时。

2.根据权利要求1所述的改进的基于水下声信标信号多脉冲累积的抗多普勒方法，其特征在于，所述步骤1中，获取待处理的多脉冲信号采样数据序列x(n)，n＝0,1,2，...,L-1，所述n为x(n)的离散时间索引，L为检测到的多脉冲信号长度所对应的采样点个数，取值为2的整数次幂，且L≥8。

3.根据权利要求1所述的改进的基于水下声信标信号多脉冲累积的抗多普勒方法，其特征在于，所述步骤5中，根据匹配滤波处理结果y_mul(n)与门限γ进行判决，验证检测性能P_d。

4.根据权利要求1所述的改进的基于水下声信标信号多脉冲累积的抗多普勒方法，其特征在于，所述步骤5中，采用如下方法根据检验统计量和恒虚警门限进行判决，验证检测性能：

分析不同信噪比下的检测性能，通过达到P_d的检测概率时所需的相对信噪比来衡量。