一种探测声纳的目标分辨数据处理方法与流程

本发明涉及声纳信号处理的技术领域，特别是指一种探测声纳的目标分辨数据处理方法。

背景技术：

图像声纳对海洋沉底目标的探测性能主要取决于声纳的工作频率和阵尺度，工作频率越高、阵尺度越大，则声纳的扫描波束越窄，目标回波结构就越精细，声纳图像的质量也就越高、目标分辨力越强。然而，受声传播衰减和安装尺寸限制等的影响，工作频率和阵尺度不能无限的增大。

在工作频率和阵尺度一定时，其阵的自然指向性基本固定，对海底波束扫描的分辨力(由波束宽度决定)也就确定。若要提高波束分辨力，使扫描波束宽度变窄，要么提高工作频率，要么增加阵尺度。若提高工作频率，将增大声传播衰减损失，降低声纳的工作距离；若增大阵尺度，将会给阵的安装和海上使用带来不便，通常不会直接提高工作频率或增加阵尺度来提高波束分辨。

当然，还可以采用阵列信号处理的方法来提高声纳的波束分辨，如加权波束形成方法和虚拟阵元波束形成方法。然而，加权波束形成方法虽然可以在一定程度上改善波束分辨力，如dolph-chebyshev加权，但其波束的变窄使得整个空间旁瓣级的提高，而且波束改善能力非常有限。虚拟阵元波束形成方法的波束分辨改善能力，与虚拟阵元数目及各虚拟阵元数据的构建精度直接相关，虚拟阵元数目越多、虚拟阵元数据的构建精度越高，则该方法可实现的扫描波束越窄，波束分辨能力越强。然而，在复杂多变的海洋应用环境下，虚拟阵元数目和数据构建精度是对矛盾，虚拟阵元数目的增多必将导致数据构建精度的降低，同时增加数据构建的复杂度，因此，虚拟阵元波束形成方法波束分辨能力的改善同样非常有限。

技术实现要素：

本发明提供了一种探测声纳的目标分辨数据处理方法，为了解决海底探测声纳的目标分辨的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种探测声纳的目标分辨数据处理方法，在不改变海底探测声纳的工作频率和阵尺度的情况下，采用信号处理方法使波束宽度变得更窄，具体包括以下步骤：

步骤一，自乘，通过乘法器将探测声纳基阵的接收信号的频率和阵元之间的相位差翻倍；

步骤二，高通滤波，保留自乘后产生的高频成分而滤除其直流分量；

步骤三，hilbert变换，通过hilbert方法将实信号转换成解析信号；

步骤四，相移波束形成，对解析信号进行相位差补偿，完成目标的波束输出。

其中，所述自乘的计算方法为：假设声纳基阵的接收信号的工作频率为f0，自乘运算后的输出为：

式中，x(t)为声纳基阵的接收信号，为初始相位，x(t)为自乘输出。

优选地，所述高通滤波的计算方法为：

y(t)＝x(t)*h(t)

式中，h(t)为高通滤波器的冲激响应序列，y(t)为阵元信号经过滤波后的输出。

优选地，所述hilbert变换的计算方法为：实信号通过hilbert变换器使其负频率成分做+90°相移，正频率成分做-90°相移，实信号y(t)形成的解析信号z(t)表达式为：

式中，为实信号y(t)的hilbert变换，定义为：

其中，所述相移波束形成的计算方法为：若声纳基阵的接收信号形式为单频脉冲，则采用相移波束形成器来检测目标回波信号并输出目标图像；各阵元的解析信号z(t)通过相移波束形成器的输出为：

式中，表示为使波束的极大值偏移法线方向某一角度，各阵元通道必须补偿的相位大小；wi为阵元的加权系数。

本发明的有益效果为：本发明提供了一种探测声纳的目标分辨数据处理方法，在不改变海底探测声纳的工作频率和阵尺度的情况下，采用信号处理技术使波束宽度变得更窄，提高声纳的图像质量和目标分辨能力。主要通过以下四个步骤来实现的：一是自乘，将接收信号的频率和阵元之间的相位差翻倍；二是高通滤波，选择高频成分而滤除直流分量；三是hilbert变换，将实信号转变成解析信号；四是相移波束形成，对改变后的阵列信号进行波束输出。本发明适用于图像声纳对海洋沉底目标的探测和识别中，使得声纳阵在固定工作频率和阵尺度下的波束宽度变得更窄，从而提高声纳的图像质量或分辨力。

附图说明

图1为本发明提供的一种探测声纳的目标分辨数据处理方法流程图；

图2为常规波束形成和dolph-chebyshev加权波束形成的输出图；

图3为常规波束形成和经过自乘等处理后波束形成的输出图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

参照图1，本发明实施例提供了一种探测声纳的目标分辨数据处理方法，在不改变海底探测声纳的工作频率和阵尺度的情况下，采用信号处理方法使波束宽度变得更窄，具体包括以下步骤：

步骤一，自乘，通过乘法器将探测声纳基阵的接收信号的频率和阵元之间的相位差翻倍；自乘的计算方法为：假设声纳基阵的接收信号的工作频率为f0，自乘运算后的输出为：

式中，x(t)为声纳基阵的接收信号，为初始相位，x(t)为自乘输出。

步骤二，高通滤波，保留自乘后产生的高频成分而滤除其直流分量；所述高通滤波的计算方法为：

y(t)＝x(t)*h(t)

式中，h(t)为高通滤波器的冲激响应序列，y(t)为阵元信号经过滤波后的输出。

步骤三，hilbert变换，通过hilbert方法将实信号转换成解析信号；hilbert变换的计算方法为：实信号通过hilbert变换器使其负频率成分做+90°相移，正频率成分做-90°相移，实信号y(t)形成的解析信号z(t)表达式为：

式中，为实信号y(t)的hilbert变换，定义为：

步骤四，相移波束形成，对解析信号进行相位差补偿，完成目标的波束输出。

相移波束形成的计算方法为：若声纳基阵的接收信号形式为单频脉冲，则采用相移波束形成器来检测目标回波信号并输出目标图像；各阵元的解析信号z(t)通过相移波束形成器的输出为：

式中，表示为使波束的极大值偏移法线方向某一角度，各阵元通道必须补偿的相位大小；wi为阵元的加权系数。

自乘使得频率加倍的同时，阵元间的相位差也加倍，由于相移波束形成的本质是对相位的补偿，因此，对相应倍频信号的波束输出实质是是对新相位差的补偿，从而实现2倍工作频率下的波束输出效果。

通过计算机仿真分析对本发明做进一步的说明。仿真条件，声纳工作频率为40khz，阵元数目为33个，采用半波长间距，波束扫描角度为30°。从图2中可以看出，加权波束形成虽然能够使得波束宽度变窄，但对波束分辨的改善非常有限，而该改善是以整个空间旁瓣级的提高为代价的，得不偿失。

图3仿真结果表明，自乘后的波束形成能够使得波束宽度出现显著的变窄，即对波束分辨的改善比较明显，但在观察空间内出现了栅瓣。在某些应用场合中，可以通过一些技术手段剔除该栅瓣的影响，如时间选通等。因此，在一些对目标分辨要求较高的应用场合，使用本方案是一种较好的选择。

本发明适用于图像声纳对海洋沉底目标的探测和识别中，使得声纳阵在固定工作频率和阵尺度下的波束宽度变得更窄，从而提高声纳的图像质量或分辨力。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。