一种水下弱目标的分辨定位方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及声纳数字信号处理领域，特别涉及一种水下弱目标的分辨定位方法及 系统。
【背景技术】
[0002] 基于多传感器阵列的水声信号处理技术，可以实现目标的方位、距离和深度估计， 所采用的技术主要为波束形成技术和匹配场处理技术。由于匹配场处理可以实现目标深度 和距离的估计，所以该技术在判断目标类型和威胁程度时具有重要的应用价值。被广泛使 用的匹配场处理器是线性匹配处理器和自适应匹配处理器，基于这两种处理器算法的理论 研究已很充分，其处理性能也已通过仿真和实际海上实验数据进行了充分论证。由于水下 目标可能出现的位置十分复杂，当强干扰存在时，其附近区域有可能存在弱目标，这对于现 有的匹配场处理技术而言，无法有效对弱目标实现定位。空域矩阵滤波技术的兴起为解决 该问题提供了 一个新的解决途径。
[0003] 通过对接收阵列信号使用空域矩阵滤波技术，可以在保证通带目标信号无失真通 过的前提下，有效滤除阻带内的强干扰信号，从而消除对通带目标信号的检测和定位的影 响。将空域矩阵滤波技术与匹配场处理技术结合，有望实现强干扰条件下的水下弱目标定 位。空域矩阵滤波技术是一种新兴的阵元域数据处理技术，该技术的研究主要集中在平面 波目标方位估计前的空域数据处理，且现有的用于基于匹配场处理的空域矩阵滤波技术在 滤波器设计上还需要进一步完善，以使之适用于多阵元、高效率的阵元域数据处理。但是现 有的含有空域滤波的此类设备需要借助第三方最优化软件求解，运算量巨大，无法满足系 统实时性的要求和系统接收阵孔径较大的要求。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于，为克服上述问题，本发明提供了实现在水面强干扰存在情况 下对水下弱目标进行定位，具体提出一种水下弱目标分辨定位方法及系统。
[0005] 为实现上述发明目的，本发明提出一种水下弱目标分辨定位方法，该方法基于多 传感器阵列实现对水下目标的距离和深度的估计，所述方法包含：首先，将多传感器阵列的 接收信号通过空域矩阵滤波器滤除阻带内的强干扰信号，其中，所述空域矩阵滤波器满足 阻带整体响应误差约束条件下的通带响应误差最小；然后，基于滤除强干扰的接收信号，采 用匹配处理器对水下目标进行定位。
[0006] 上述方法具体包含：
[0007] 步骤101)选取观测区域并将观测区域划分成网格，假设接收传感器阵列的阵元数 为N，所对应的接收阵列信号为：
[0008] y(t) =Vx(t)+n(t) (22)式中，x(t)为水下目标的信号；y(t)为阵列接收的 数据；n(t)为阵列的噪声；V为将空域划分为网格后，网格交叉点所对应的水下位置到达接 收阵列的拷贝向量；
[0009] 步骤102)对观测区域进行划分，分为通带区域和阻带区域：对于要抑制的强干扰 范围划分到阻带区域内，对于需要实现目标探测、定位的区域，划分到通带区域内；
[0010] 根据划分的阻带、通带和约束条件设计空域矩阵滤波器H对接收阵列数据滤波， 滤波后的输出为：
[0011]z(t) =Hy(t) =HVx(t)+Hn(t) (23)
[0012] 步骤103)根据先验的环境参数作为传播模型进行声场建模，并计算步骤101)划 分的网格交叉点所对应的水下位置到达接收阵列的拷贝向量，根据计算所得的拷贝向量和 经过步骤102)滤波后的接收阵列数据作相关处理，得到模糊度平面，相关峰值处便为声源 的估计位置。
[0013] 上述先验的环境参数包含：声速剖面和海底参数。
[0014] 上述空域矩阵滤波器H的计算方法包含如下步骤：
[0015] 步骤1. 1)将探测区域划分成阻带区域和通带区域，对于想要抑制的强干扰范围， 将之划分到阻带区域内，对于需要实现目标探测、定位的区域，划分到通带区域内，对阻带 和通带区域分别进行深度和距离离散化，计算每一个离散化点的拷贝向量，并构成阵列流 行VpeCNXP和VseCNXS分别如式（3)和式⑷所示：
[0016]VP = [vpl,L,vpi,L,vpP], 1 ^i^P (24)
[0017]Vs = [vsl,L,vsJ,L,vsS], 1 ^j^S (25)
[0018] 其中，vpi是通带离散化后的第i个方向向量，vsj是阻带离散化后的第j个方向向 量，P，S分别为通带和阻带的离散化方向向量数目；
[0019] 步骤1.2)设定矩阵滤波器的约束条件如式（5)所示，即阻带整体响应误差约 束条件下的通带响应误差最小，其中，归一化通带响应误差和归一化阻带响应分别为
【主权项】
1. 一种水下弱目标分辨定位方法，该方法基于多传感器阵列实现对水下目标的距离和 深度的估计，所述方法包含：首先，将多传感器阵列的接收信号通过空域矩阵滤波器滤除阻 带内的强干扰信号，其中，所述空域矩阵滤波器满足阻带整体响应误差约束条件下的通带 响应误差最小；然后，基于滤除强干扰的接收信号，采用匹配处理器对水下目标进行定位。
2. 根据权利要求1所述的水下弱目标分辨定位方法，其特征在于，所述方法具体包含： 步骤101)选取观测区域并将观测区域划分成网格，假设接收传感器阵列的阵元数为 N，所对应的接收阵列信号为：y(t) =Vx(t)+n(t) (1) 式中，x(t)为水下目标的信号；y(t)为阵列接收的数据；n(t)为阵列的噪声；V为将空 域划分为网格后，网格交叉点所对应的水下位置到达接收阵列的拷贝向量； 步骤102)对观测区域进行划分，分为通带区域和阻带区域：对于要抑制的强干扰范围 划分到阻带区域内，对于需要实现目标探测、定位的区域，划分到通带区域内； 根据划分的阻带、通带和约束条件设计空域矩阵滤波器H对接收阵列数据滤波，滤波 后的输出为： z(t) =Hy(t) =HVx(t)+Hn(t) (2) 步骤103)根据先验的环境参数作为传播模型进行声场建模，并计算步骤101)划分的 网格交叉点所对应的水下位置到达接收阵列的拷贝向量，根据计算所得的拷贝向量和经过 步骤102)滤波后的接收阵列数据作相关处理，得到模糊度平面，相关峰值处便为声源的估 计位置。
3. 根据权利要求2所述的水下弱目标分辨定位方法，其特征在于，所述先验的环境参 数包含：声速剖面和海底参数。
4. 根据权利要求2所述的水下弱目标分辨定位方法，其特征在于，所述空域矩阵滤波 器H的计算方法包含如下步骤： 步骤I. 1)将探测区域划分成阻带区域和通带区域，对于想要抑制的强干扰范围，将 之划分到阻带区域内，对于需要实现目标探测、定位的区域，划分到通带区域内，对阻带和 通带区域分别进行深度和距离离散化，计算每一个离散化点的拷贝向量，并构成阵列流行 VpeCnxp和VseCnxs分别如式（3)和式⑷所示： Vp = [vpl,L,vpi,L,vpP],I^i^P (3) Vs = [vsl,L,vsj,L,vsS],I^j^S (4) 其中，V是通带离散化后的第i个方向向量，k是阻带离散化后的第j个方向向量，P，S分别为通带和阻带的离散化方向向量数目； 步骤1.2)设定矩阵滤波器的约束条件如式（5)所示，即阻带整体响应误差约 束条件下的通带响应误差最小，其中，归一化通带响应误差和归一化阻带响应分别为
步骤1. 3):构造如下的拉格朗日函数求解满足式公式（5)的最优化问题：
步骤I. 4)将确定的拉格朗日乘子i代入公式（11)，求出满足约束条件的最优滤波器矩 阵H。
5. 根据权利要求4所述的水下弱目标分辨定位方法，其特征在于，对于宽带信号采用 分频段的方式，对每个子频带设计独立的空域矩阵滤波器。
6. -种水下弱目标分辨定位系统，该系统基于多传感器阵列实现对水下目标的距离和 深度的估计，所述系统包含： 划分处理子模块，用于选取观测区域并将观测区域划分成网格，假设接收传感器阵列 的阵元数为N，所对应的接收阵列信号为： y(t) =Vx(t)+n(t) (13) 式中，x(t)为水下目标的信号；y(t)为阵列接收的数据；n(t)为阵列的噪声；V为将空 域划分为网格后，网格交叉点所对应的水下位置到达接收阵列的拷贝向量； 通带和阻带区域划分模块，用于对观测区域进行划分，分为通带区域和阻带区域：对于 要抑制的强干扰范围划分到阻带区域内，对于需要实现目标探测、定位的区域，划分到通带 区域内； 空域矩阵滤波器设计及滤波模块，用于根据划分的阻带、通带和约束条件设计空域矩 阵滤波器H，并基于空域矩阵滤波器H对接收阵列数据滤波； 建模及处理模块，用于根据先验的环境参数作为传播模型进行声场建模，并计算划分 的网格交叉点所对应的水下位置到达接收阵列的拷贝向量，根据计算所得的拷贝向量和经 过空域滤波后的接收阵列数据作相关处理，得到输出模糊度平面，相关峰值处便为声源的 估计位置。
7. 根据权利要求6所述的水下弱目标分辨定位系统，其特征在于，所述先验的环境参 数包含：声速剖面和海底参数。
8. 根据权利要求7所述的水下弱目标分辨定位系统，其特征在于，所述空域矩阵滤波 器设计及滤波模块进一步包含： 划分处理子模块，用于将划分的阻带和通带区域分别进行深度和距离离散化，计算每 一个离散化点的拷贝向量，并构成阵列流行VpeCnxi^PVseCnxs分别如式（14)和式（15) 所示： Vp = [vpl,L,vpi,L,vpP],I^i^P (14) Vs = [vsl,L,vsj,L,vsS],I^j^S (15) 其中，V是通带离散化后的第i个方向向量，k是阻带离散化后的第j个方向向量，P，S分别为通带和阻带的离散化方向向量数目； 约束条件构造子模块，用于设定矩阵滤波器的约束条件如式（16)所示，即阻带整体响 应误差约束条件下的通带响应误差最小，其中，归一化通带响应误差和归一化阻带响应分
拉格朗日函数构造子模块，用于构造如下的拉格朗日函数求解满足式公式（16)的最 优化问题：
最优解$及最优拉格朗日乘子应满足如下方程组：
求解子模块，用于将确定的拉格朗日乘子i代入公式（9)，求出满足约束条件的最优滤 波器矩阵H。
9.根据权利要求8所述的水下弱目标分辨定位系统，其特征在于，对于宽带信号采用 分频段的方式，对每个子频带设计独立的空域矩阵滤波器。
【专利摘要】本发明提供一种水下弱目标分辨方法及系统，所述方法包含：首先，将多传感器阵列的接收信号通过空域矩阵滤波器滤除阻带内的强干扰信号，其中，所述空域矩阵滤波器满足阻带整体响应误差约束条件下的通带响应误差最小；然后，基于滤除强干扰的接收信号，采用匹配处理器对水下目标进行定位。本发明所述方法的基本思想是，使接收阵列信号通过空域矩阵滤波器，对接收阵列信号使用空域矩阵滤波技术，可以在保证通带目标信号无失真通过的前提下，有效滤除阻带内的强干扰信号，从而消除对通带目标信号的检测和定位的影响，再使用常规匹配处理器或者自适应匹配处理器对水下目标进行定位，实现在水面强干扰存在情况下的水下弱目标定位。
【IPC分类】G01S15-06
【公开号】CN104714232
【申请号】CN201310682438
【发明人】郑胜家, 韩东, 黄勇, 张春华
【申请人】中国科学院声学研究所
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2013年12月12日