一种光点联合判断目标特性的方法
【专利摘要】本发明公开了一种光点联合判断目标特性的方法。本发明相对于现有技术来说，本发明提出垂直波束形成的方法，即本发明不仅对各阵元做水平波束形成，还在做水平波束形成前做垂直波束形成，这样一来，能够三维的考虑目标入射角度，便于多角度多目标进行特性分析。此外，本发明对LOFAR谱数据和DEMON谱数据进行联合显示，弥补了LOFAR谱数据在低频段检测能力的不足的问题。
【专利说明】
一种光点联合判断目标特性的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及判断目标特性技术领域，具体涉及一种光点联合判断目标特性的方 法。
【背景技术】
[0002] 各种舰船目标都具有其自身特有的噪声特性，因此可以对舰船目标进行特性分 析，从而对目标进行目标识别和状态检测。
[0003]水声信道是一复杂多变的信道，具有衰落严重、多径效应和频散效应的特性，声信 号在水下传播时要经历扩散损耗、吸收损耗和边界损耗，所以对水下目标进行特性分析具 有很大的难度，现阶段服役的声纳大多不具备目标特性数据分析功能，或者该功能检测能 力不足，存在缺陷。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明提供了 一种光点联合判断目标特性的方法，通过对目标特性数 据分析，实现对目标的识别和状态检测。
[0005] -种光点联合判断目标特性的方法，具体采用如下步骤实现：
[0006] 步骤一、三维立体警戒声纳接收目标的回波信号，经过放大和滤波后，再利用垂直 波束形成方法和水平波束形成方法对放大和滤波后的回波信号进行处理；
[0007] 其中，所述垂直波束形成方法为：
[0008] 采用由多层水平圆阵或由多列垂直列阵构成的三维立体警戒声纳；
[0009] S11、根据目标位置，选取目标位置正前方所对应的垂直列阵作为待测列阵，其中， 采用由多层水平圆阵构成的基阵作为三维立体警戒声纳，用于接收回波信号;三维立体警 戒声纳中垂直方向上的各阵元一一对齐;在目标位置正前方、俯仰范围比至扮内，取比作为 回波信号的初始入射角角度，以待测列阵中的首个阵元作为基准阵元
遍 历待测列阵上的所有阵元，获得除基准阵元以外的其他阵元相对于基准阵元的时间差τ1; 其中，d为相邻两阵元之间的距离，c为声速，Θ为回波信号入射角；
[001 0] S12、将除基准阵元以外的其他阵元所接收到的回波信号，按照其对应的时间差， 通过整波平移的方法实现补偿;并将平移后的所有回波信号与基准阵元所接收到的回波信 号进行叠加，完成该垂直列阵在回波信号入射角为Θ的情况下的垂直波束形成；
[0011] 313、以比作为初始角度
度作为相邻入射角的间隔，获得比至扮范围内的 所有入射角；按照S11和S12的方法，对仇至扮范围内所有的入射角做垂直波束形成，获得在 不同入射角下的垂直波束形成，执行S14;
[0012] S14、分别以各入射角下的垂直波束作为基准信号，仍以基准阵元为基准，分别做 该基准阵元所在水平圆阵的水平波束形成，分别获得相应入射角下的水平波束；
[0013]步骤二、在步骤一中获得的各入射角下的水平波束中，任选一路信号，分别进行 L0FAR算法处理和DEMON算法处理，获得包括L0FAR谱数据和DEMON谱数据在内的目标特性数 据;并发送至显控；
[0014]步骤三、显控在接收到L0FAR谱数据和DEMON谱数据后，将各谱数据中的波形和谱 图时间历程灰度联合显示；
[0015] 步骤四、当需要对目标特性数据进行比对时，
[0016] 根据L0FAR谱数据，判断目标的运动状态；
[0017]以竖直线自上向下的方向为正方向：
[0018]若L0FAR谱数据中显示的干涉条纹的倾斜方向与垂线正方向的夹角大于90度，则 判断目标正在接近；
[0019] 若L0FAR谱数据中显示的干涉条纹的倾斜方向与垂线正方向的夹角小于90度，则 判断目标正在远离；
[0020] 根据L0FAR谱数据和DEMON谱数据，判断出当前目标的类型。
[0021] 较佳地，在进行光点联合判断的过程中，当发现新的频率和频段时，对当前的频率 和频段进行存储;此时，停止接收由三维立体警戒声纳发送的信号，并利用显控软件开发环 境，提取并保存当前画面的目标特性数据，并备注当前存储时间日期和当前目标类型。 [0022] 较佳地，步骤二中，L0FAR算法处理：
[0023]对信号进行去直流后作FFT运算，形成L0FAR谱数据；
[0024] DEMON算法处理：
[0025]对信号进行去直流后取绝对值再作FFT运算，形成DEMON谱数据。
[0026] 较佳地，步骤四中，通过显控软件开发环境来进行自动比对，判断当前目标的类 型，具体为：
[0027] 提取的L0FAR谱数据中目标出现一段时间内的平均频率值和目标出现的频段，以 及DEMON谱数据中目标出现一段时间内的平均频率值和目标出现的频段;先将各自谱数据 获得的频段相应的与各谱数据中预存的频段进行对比，若频段匹配，则再将各自谱数据获 得的平均频率值与各谱数据中预存的平均频率值进行对比，一旦匹配，则确定当前目标的 类型。
[0028] 较佳地，步骤四中，通过人工的方式判断目标的类型：将当前获得L0FAR谱数据与 现有各舰船的L0FAR谱数据进行对比，同时，将DEMON谱数据与现有各舰船的DEMON谱数据进 行对比，若均相同或相似，则根据现有L0FAR谱数据或DEMON谱数据中记载的备注信息，获得 当前目标的类型。
[0029] 有益效果：
[0030] 相对于现有技术来说，本发明提出垂直波束形成的方法，即本发明不仅对各阵元 做水平波束形成，还在做水平波束形成前做垂直波束形成，这样一来，能够三维的考虑目标 入射角度，便于多角度多目标进行特性分析。此外，本发明对L0FAR谱数据和DEMON谱数据进 行联合显示，弥补了 L0FAR谱数据在低频段检测能力的不足的问题。
【附图说明】
[0031] 图1(a)为L0FAR谱数据示意图。
[0032] 图1(b)为DEMON谱数据示意图。
[0033] 图2(a)为L0FAR谱数据中干涉条纹的倾斜方向与垂线正方向的夹角大于90度时的 示意图。
[0034]图2(b)为L0FAR谱数据中干涉条纹的倾斜方向与垂线正方向的夹角小于90度时的 示意图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0036]本发明提供了一种光点联合判断目标特性的方法，具体包括如下步骤：
[0037]步骤一、三维立体警戒声纳接收目标的声波信号，经过放大和滤波后，再利用垂直 波束形成方法和水平波束形成方法对放大和滤波后的回波信号进行处理，作为目标信号特 征分析的输入数据。
[0038] 其中，利用垂直波束形成方法和水平波束形成方法来对放大和滤波后的回波信号 进行处理的方法为：
[0039] 本发明所使用的三维立体警戒声纳的结构为:采用由多层水平圆阵构成的基阵作 为三维立体警戒声纳，用于接收回波信号；三维立体警戒声纳中垂直方向上的各阵元一一 对齐，故也可称为由多列垂直列阵构成。本实施例中，水平圆阵中阵元的个数为η，η>3 :共有 ml5层，艮|3m= 15〇
[0040] S11、根据目标位置，选取目标位置的正前方所对应的垂直列阵作为待测列阵，在 目标位置正前方、俯仰范围扮至说内，，取扮作为回波信号的初始入射角角度，以该待测列阵 中的首个阵元作为基准阵元，按下述方法，遍历待测列阵上的所有阵元，获得除基准阵元以 外的其他阵元相对于基准阵元的时间差；
[0041] 定义待测列阵中，共有m个阵元，相邻两阵元之间的距离为d，利用（1)式求出在回 波信号入射角为9(仇彡0^^2)、声速值为 c时，第i个阵元的时间差τ1;初始情况下，β1 = θ。
[0043] S12、将除基准阵元以外的其他阵元所接收到的回波信号，按照其对应的时间差， 通过整波平移的方法实现补偿;并将平移后的所有回波信号与基准阵元所接收到的回波信 号进行叠加，完成该垂直列阵在回波信号入射角为Θ的情况下的垂直波束形成；
[0044] 313、以&作为初始角度
度作为相邻入射角的间隔，获得仏至此范围内所 有可能的入射角。按照S11和S12的方法，对仏至说范围内所有的入射角做垂直波束形成，获 得在不同入射角下的垂直波束形成;执行S14。这样一来，变将一个三维的基阵转换成二维 基阵。
[0045] S14、分别以各入射角下的垂直波束作为基准信号，仍以基准阵元为基准，分别做 该基准阵元所在水平圆阵的水平波束形成，分别获得相应入射角下的水平波束；由于水平 波束形成的方法是现有技术，故在此不做赘述；
[0046] 步骤二、通过L0FAR算法和DEMON算法处理，获得目标特性数据。
[0047] 在步骤一中获得的各入射角下的水平波束中，任选一路信号A1分别进行L0FAR算 法处理和DEMON算法处理，获得包括LOFAR谱数据和DEMON谱数据在内的目标特性数据；其 中，
[0048] L0FAR算法处理：
[0049] 对信号A1进行去直流后作FFT运算，形成L0FAR谱数据，如图1 (a)所示，；L0FAR谱数 据包括波形图和时间历程灰度图；L0FAR谱数据可反映信号的非平稳特性。通过该谱数据能 够观察出目标的运动状态；即：根据L0FAR谱数据的干涉条纹与垂线的夹角，判断目标运动 状态；
[0050] DEMON算法处理：
[00511对信号A1进行去直流后取绝对值再作FFT运算，形成DEMON谱数据，如图1 (b)所 示，；DEMON谱数据包括波形图和时间历程灰度图；DEMON谱数据为低频段的调制强线谱，可 观察低频部分的目标特性；
[0052] DEMON谱数据弥补了L0FAR谱数据在低频段检测能力的不足;例如：如果目标的频 率很低，假设为几赫兹，目标特性数据分析后的L0FAR谱数据不适合进行低频目标信号特性 观测，但通过DEMON算法方式处理后，能将低频信号调制到相对的高频部分，增加了目标信 号的谱图可观测性
[0053] 将L0FAR谱数据和DEMON谱数据通过千兆光纤网络发送给显控。
[0054]步骤三、显控在接收到L0FAR谱数据和DEMON谱数据后，将各谱数据的波形和谱图 时间历程灰度联合显示;通过联合显示谱图，弥补单独谱图显示的不足，从而提高目标特性 数据分析及其目标判断的准确性。
[0055] 根据L0FAR谱数据，判断目标的运动状态；
[0056] 根据L0FAR谱数据和DEMON谱数据，判断目标类型;具体见步骤四。
[0057]现阶段服役的声纳大都不具备L0FAR谱数据和DEMON谱数据联合显示观测功能。 [0058]步骤四、当需要对步骤三中获得的目标特性数据进行比对时，
[0059] 根据L0FAR谱数据，判断目标的运动状态；
[0060] 以竖直线自上向下的方向为正方向：
[0061 ]如图2 (a)所示，若L0FAR谱数据中显示的干涉条纹的倾斜方向与垂线正方向的夹 角大于90度，则判断目标正在接近；
[0062]如图2 (b)所示，若L0FAR谱数据中显示的干涉条纹的倾斜方向与垂线正方向的夹 角小于90度，则判断目标正在远离；
[0063]还可以通过人工方式或显控软件开发环境，判断出当前目标的类型;具体为：
[0064]通过人工的方式进行判断：即通过人工方式，将当前获得L0FAR谱数据与现有各舰 船的L0FAR谱数据进行对比，同时，将DEMON谱数据与现有各舰船的DEMON谱数据进行对比， 若均相同或相似，则根据现有L0FAR谱数据或DEMON谱数据中记载的备注信息，获得当前目 标的类型。
[0065]通过显控软件开发环境来进行自动比对:提取的L0FAR谱数据中目标出现一段时 间内的平均频率值和目标出现的频段，以及DEMON谱数据中目标出现一段时间内的平均频 率值和目标出现的频段;其中，L0FAR谱数据和DEMON谱数据中，谱图时间历程灰度图中，光 点越亮，目标能量越强，最亮光点则为目标能量最大点。先将各自谱数据获得的频段相应的 与各谱数据中预存的频段进行对比，若频段匹配，则再将各自谱数据获得的平均频率值与 各谱数据中预存的平均频率值进行对比，一旦匹配，则能够确定当前目标的类型；
[0066]在此过程中，当发现新的频率和频段时，可对当前的频率和频段进行存储;此时， 停止接收由三维立体警戒声纳发送的信号，并利用显控软件开发环境，提取并保存当前画 面的目标特性数据，并备注当前存储时间日期和当前目标类型。
[0067]此外，显控软件开发环境所提取的频段可以通过直接点击显控屏幕的方式，改变 频段的数值。
[0068]综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。
【主权项】
1. 一种光点联合判断目标特性的方法，其特征在于，具体采用如下步骤实现： 步骤一、Ξ维立体警戒声纳接收目标的回波信号，经过放大和滤波后，再利用垂直波束 形成方法和水平波束形成方法对放大和滤波后的回波信号进行处理； 其中，所述垂直波束形成方法为： 采用由多层水平圆阵或由多列垂直列阵构成的Ξ维立体警戒声纳； 511、 根据目标位置，选取目标位置正前方所对应的垂直列阵作为待测列阵，其中，采用 由多层水平圆阵构成的基阵作为Ξ维立体警戒声纳，用于接收回波信号;Ξ维立体警戒声 纳中垂直方向上的各阵元一一对齐;在目标位置正前方、俯仰范围βι至阮内，取&作为回波 信号的初始入射角角度，W待测列阵中的首个阵元作为基准阵元，根据遍历待 测列阵上的所有阵元，获得除基准阵元W外的其他阵元相对于基准阵元的时间差τι;其中， d为相邻两阵元之间的距离，C为声速，Θ为回波信号入射角； 512、 将除基准阵元W外的其他阵元所接收到的回波信号，按照其对应的时间差，通过 整波平移的方法实现补偿;并将平移后的所有回波信号与基准阵元所接收到的回波信号进 行叠加，完成该垂直列阵在回波信号入射角为Θ的情况下的垂直波束形成； 513、 WM乍为初始角度，度作为相邻入射角的间隔，获得01至化范围内的所有 入射角;按照S11和S12的方法，对βι至阮范围内所有的入射角做垂直波束形成，获得在不同 入射角下的垂直波束形成，执行S14; 514、 分别W各入射角下的垂直波束作为基准信号，仍W基准阵元为基准，分别做该基 准阵元所在水平圆阵的水平波束形成，分别获得相应入射角下的水平波束； 步骤二、在步骤一中获得的各入射角下的水平波束中，任选一路信号，分别进行LOFAR 算法处理和DEMON算法处理，获得包括LOFAR谱数据和DEMON谱数据在内的目标特性数据;并 发送至显控； 步骤Ξ、显控在接收到LOFAR谱数据和DEMO的普数据后，将各谱数据中的波形和谱图时 间历程灰度联合显示； 步骤四、当需要对目标特性数据进行比对时， 根据L0FA时普数据，判断目标的运动状态； W竖直线自上向下的方向为正方向： 若LOFAR谱数据中显示的干设条纹的倾斜方向与垂线正方向的夹角大于90度，则判断 目标正在接近； 若LOFAR谱数据中显示的干设条纹的倾斜方向与垂线正方向的夹角小于90度，则判断 目标正在远离； 根据L0FA时普数据和DEMO的普数据，判断出当前目标的类型。2. 如权利要求1所述的光点联合判断目标特性的方法，其特征在于:在进行光点联合判 断的过程中，当发现新的频率和频段时，对当前的频率和频段进行存储;此时，停止接收由 Ξ维立体警戒声纳发送的信号，并利用显控软件开发环境，提取并保存当前画面的目标特 性数据，并备注当前存储时间日期和当前目标类型。3. 如权利要求1或2所述的光点联合判断目标特性的方法，其特征在于：步骤二中， LOFAR算法处理： 对信号进行去直流后作FFT运算，形成LOFA时普数据； DEMON算法处理： 对信号进行去直流后取绝对值再作FFT运算，形成DEMO的普数据。4. 如权利要求1或2所述的光点联合判断目标特性的方法，其特征在于:步骤四中，通过 显控软件开发环境来进行自动比对，判断当前目标的类型，具体为： 提取的L0FAR谱数据中目标出现一段时间内的平均频率值和目标出现的频段，W及 DEMO的普数据中目标出现一段时间内的平均频率值和目标出现的频段;先将各自谱数据获 得的频段相应的与各谱数据中预存的频段进行对比，若频段匹配，则再将各自谱数据获得 的平均频率值与各谱数据中预存的平均频率值进行对比，一旦匹配，则确定当前目标的类 型。5. 如权利要求1或2所述的光点联合判断目标特性的方法，其特征在于:步骤四中，通过 人工的方式判断目标的类型:将当前获得L0FAR谱数据与现有各舰船的L0FA时普数据进行对 比，同时，将DEMO的普数据与现有各舰船的DEMO的普数据进行对比，若均相同或相似，则根据 现有L0FAR谱数据或DEMO的普数据中记载的备注信息，获得当前目标的类型。
【文档编号】G01S15/88GK106093952SQ201610668226
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月15日 公开号201610668226.8, CN 106093952 A, CN 106093952A, CN 201610668226, CN-A-106093952, CN106093952 A, CN106093952A, CN201610668226, CN201610668226.8
【发明人】王春辉, 张宗科, 张庭波, 张园, 吴建国, 何涛, 邵秀, 许根荣, 郑凯, 孙小龙, 白璐, 宋书良, 张吉波, 马学宇, 庞然, 汤斯茗, 石鑫, 姬忠顺, 杜占军, 宋鸿玲, 张立, 鲍海阁, 刘建涛, 曹政, 张丹
【申请人】沈阳辽海装备有限责任公司