一种多普勒频偏修正方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种多普勒频偏修正方法，包括：对目标辐射噪声进行特性分析；构造接收模型，为拖曳线列阵构建直角坐标系；预设频点补偿总数；在某一初始时刻以及拖曳线列阵运动一定时间后的另一时刻，对信号做FFT变换以及频域波束形成，在当前频点上对频域波束形成的输出结果进行累加；计算空间移动补偿与时间延迟补偿，得到总的相位修正补偿，根据前一次补偿的结果与总的相位修正补偿得到扩展虚拟阵列的输出结果；获得时间方位历程图，利用该时间方位历程图对被测目标信号进行检测，判断当前的频点补偿次数是否已经达到了频点补偿总数，如果未达到，改变当前频点值的大小，重新采样，直至当前的频点补偿次数达到预设的频点补偿总数。
【专利说明】一种多普勒频偏修正方法及系统【技术领域】
[0001]本发明涉及水声信号处理领域，特别涉及一种多普勒频偏修正方法及系统。
【背景技术】
[0002]随着低噪声舰艇和声隐身技术的发展，舰船等航行器的水下辐射噪声和目标强度进一步下降，传统的被动声呐对目标的探测更加困难，且声呐的检测能力随着安静型目标的出现和迅猛发展而受到严重挑战。
[0003]随着科技的发展，基于被动合成孔径技术的拖线阵声呐的研究成为水声信号处理领域的研究热点问题。拖曳线列阵声呐由于可以远离本舰自噪声、可以不受孔径限制，并能变深拖曳利用水文条件，被广泛用于水下目标特性的测量，且由小孔径阵列合成虚拟大孔径阵列的方法为解决低频信号大孔径声呐系统的实现提供了有效途径。被动合成孔径声呐正是通过拖曳线列阵运动合成得到比实际孔径大得多的合成孔径阵列，依靠短阵的机动突破阵列孔径的限制，获得更高的增益和更高的方位分辨力。依据水下舰船等目标特性分析得知螺旋桨的桨叶切割海水产生单频信号分量等线谱成分，为合成一个比物理孔径大得多的有效孔径提供了可能。
[0004]拖线阵声呐载体通常以匀速直线运动的方式对目标采取运动接收，由于实际水下复杂环境下介质和路径扰动引起的阵列移动偏差，及海浪、潮汐、风等因素的影响，声呐载体在进行孔径合成时，由于水听器阵列接收时与目标存在相对运动，产生多普勒运动频偏，会对目标的检测性能引起下降和处理增益带来损失，因此解决多普勒频偏是被动合成孔径声呐运动相位补偿的主要问题之一。考虑对弱目标信号检测时，频率未知，孔径合成时合理估计并补偿修正多普勒频偏也是一个难题，对于由于声呐载体与静止/运动目标的多普勒频偏带来的处理增益损失及检测性能的降低等问题，现有技术中并未有任何能够克服上述问题的技术方案。
[0005]拖线阵相对于目标以确定性规律运动是被动合成孔径声呐的基础，现有技术的被动合成孔径声呐算法一般用于理想情况下目标信号的检测和分辨，但实际应用时会受到目标的运动及水声信道等复杂因素的影响，而现有的被动合成孔径声呐算法在处理有关问题时忽略多普勒频偏的补偿，因而不具有可行性、通用性及实用性，不能在工程实际中得到合
理应用。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服实际声呐载体采用匀速直线的运动方式进行孔径合成时，由于水听器接收阵与目标存在的相对运动产生的多普勒频偏，进而在孔径合成时对目标检测性能引起的下降及处理增益带来的损失等问题，从而提供一种对多普勒频率偏移进行补偿的方法及系统。
[0007]为了实现上述目的，本发明提供了一种多普勒频偏修正方法，用于包括多个阵元的拖曳线列阵，该方法包括:[0008]步骤I)、对目标辐射噪声进行特性分析；
[0009]步骤2)、根据目标辐射噪声特性分析的结果，构造所述拖曳线列阵运动时对被测目标的信号进行声场空间采样的接收模型，然后为所述拖曳线列阵构建直角坐标系；
[0010]其中，在构建直角坐标系时，将所述拖曳线列阵中第一个阵元的初始位置作为直角坐标系的原点,将福射目标作为点声源；
[0011]步骤3)、预设频点补偿总数；
[0012]步骤4)、某一时刻，所述拖曳线列阵声呐进行采样操作，然后对采样时各个阵元所接收到的信号做FFT变换以及频域波束形成，接着在当前频点上对各个阵元的频域波束形成的输出结果进行累加；
[0013]步骤5)、所述拖曳线列阵声呐在运动一定时间后，所述拖曳线列阵声呐进行采样操作，然后对采样时各个阵元所接收到的信号做FFT变换以及频域波束形成，接着在当前频点上对各个阵元的频域波束形成的输出结果进行累加；
[0014]步骤6)、根据步骤5)所得到的结果计算空间移动补偿与时间延迟补偿，将空间移动补偿与时间延迟补偿相加，得到所述拖曳线列阵声呐移动前后总的相位修正补偿，然后根据前一次补偿的结果与所述总的相位修正补偿得到扩展虚拟阵列的输出结果；
[0015]步骤7)、将步骤6)得到的补偿后的扩展虚拟阵列的输出结果进行相干累加，获得时间方位历程图，利用该时间方位历程图对被测目标信号进行检测，然后判断当前的频点补偿次数是否已经达到了步骤3)中预设的频点补偿总数，如果未达到，改变当前频点值的大小，然后重新执行步骤4)-步骤6)，直至当前的频点补偿次数达到预设的频点补偿总数。
[0016]上述技术方案中，在所述的步骤4)与步骤5)中，所述FFT变换时所需的点数由补偿精度确定。
[0017]上述技术方案中，在所述的步骤7)中，对被测目标信号进行检测包括:
[0018]将不同频带内目标波束对应的检测方位进行记录，将各频带内存储的方位进行二次拟合，根据计算结果计算方位估计方差，将计算的方位估计方差与设定的检测方差门限进行比较，若小于门限，则检测到的水声目标信号结果属实，接收到的水下目标信号中确实含有水声目标信号，否则检测结果为虚警，接收到的信号中不含目标信号，继而完成对目标信号的检测。
[0019]上述技术方案中，在所述的步骤6)中，所述空间移动补偿根据移动的距离得到。
[0020]上述技术方案中，在所述的步骤6)中，所述的时间延迟补偿根据移动相应距离的时间得到。
[0021]本发明还提供了一种多普勒频偏修正系统，用于包括多个阵元的拖曳线列阵，该系统包括噪声特性分析模块、预处理模块、频点补偿总数预设模块、信号处理模块、延迟补偿模块、检测模块；其中，
[0022]所述的噪声特性分析模块用于对目标辐射噪声进行特性分析；
[0023]所述的预处理模块根据目标辐射噪声特性分析的结果，构造所述拖曳线列阵运动时对被测目标的信号进行声场空间采样的接收模型，然后为所述拖曳线列阵构建直角坐标系；其中，在构建直角坐标系时，将所述拖曳线列阵中第一个阵元的初始位置作为直角坐标系的原点，将辐射目标作为点声源；
[0024]所述的频点补偿总数预设模块用于预设频点补偿总数；[0025]所述的信号处理模块在某一初始时刻以及拖曳线列阵运动一定时间后的另一时刻分别做如下操作:对拖曳线列阵声呐采样时各个阵元所接收到的信号做FFT变换以及频域波束形成，接着在当前频点上对各个阵元的频域波束形成的输出结果进行累加；
[0026]所述的延迟补偿模块根据所述的信号处理模块所得到的结果计算空间移动补偿与时间延迟补偿，将空间移动补偿与时间延迟补偿相加，得到所述拖曳线列阵声呐移动前后总的相位修正补偿，然后根据前一次补偿的结果与所述总的相位修正补偿得到扩展虚拟阵列的输出结果；
[0027]所述的检测模块将所述的延迟补偿模块得到的补偿后的扩展虚拟阵列的输出结果进行相干累加，获得时间方位历程图，利用该时间方位历程图对被测目标信号进行检测，然后判断当前的频点补偿次数是否已经达到了所述的频点补偿总数预设模块所预设的频点补偿总数，如果未达到，改变当前频点值的大小，然后重新启动信号处理模块，直至当前的频点补偿次数达到预设的频点补偿总数。
[0028]本发明的优点在于:
[0029]本发明的方法可以有效避免多普勒频偏对孔径合成带来的处理增益损失和检测性能下降，通过频率搜索、渐次补偿在波束域上进行相位修正，提高了方位估计精度，进而实现了对目标信号的有效检测。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为一个实施例中利用拖曳线列阵声呐运动下对水下目标的辐射噪声进行检测的示意图；
[0031]图2为拖曳线列阵声呐构建直角坐标系的示意图；
[0032]图3为本发明的多普勒频偏修正方法的流程图。
【具体实施方式】
[0033]现结合附图对本发明作进一步的描述。
[0034]在对本发明的方法做详细说明之前，为了便于理解，首先对本发明中所涉及的一些概念做统一的说明。
[0035]时间方位历程图:时间方位历程图通过对连续的采样数据进行短时傅里叶变换而构成。将原始信号的采样序列进行分帧处理(如分为100帧，每帧2000个点)，帧间相互重叠50%，然后分别对各帧信号进行波束形成处理，得到各帧对应目标方位，将各帧的时间联合即得到时间方位历程图。采用一张时间方位历程图可以读出目标所在方位，将其方位记录进行后续拟合处理及门限判别，可以实现对目标信号的有效检测。
[0036]拖曳线列阵声呐:也称“拖曳阵声呐”，它是将水听器镶嵌在电缆上形成线列阵，由拖曳电缆拖在舰艇尾后水中探测目标的声响。
[0037]时间延迟补偿:反映了拖曳线列阵声呐运动某一时间后，时间变化对不同时间的两次接收时频域波束形成的影响。
[0038]空间移动补偿:反映了拖曳线列阵声呐运动某一时间后，空间位置变化对不同时间的两次接收时频域波束形成的影响。
[0039]以上是对本发明中所涉及的相关概念的描述，下面对本发明的方法加以说明。[0040] 如图3所示，本发明的多普勒频偏修正方法包括以下步骤:
[0041 ] 步骤I)、对目标辐射噪声进行特性分析；
[0042]步骤2)、根据目标辐射噪声特性分析的结果，构造拖曳线列阵运动时对被测目标的信号进行声场空间采样的接收模型，细化分析各阵元所接收信号，构建直角坐标系；
[0043]其中，在构建直角坐标系时，将拖曳线列阵中第一个阵元的初始位置作为直角坐标系的原点，将福射目标作为点声源。
[0044]步骤3)、预设频点补偿总数；
[0045]步骤4)、某一时刻，拖曳线列阵声呐进行采样操作，然后对采样时各个阵元所接收到的信号做FFT变换以及频域波束形成，接着在当前频点上对各个阵元的频域波束形成的输出结果进行累加，从而实现信号由阵元域处理转为波束域处理。
[0046]其中，所述FFT变换时所涉及的FFT点数与所要求的补偿精度相对应；所述当前频点为所要补偿的频率范围内的一个值，在第一次做频点补偿时，当前频点为所要补偿的频率范围的一个端值，例如，补偿在-0.5Hz?0.5Hz上进行，则当前频点为-0.5Hz，在后续的频点补偿操作中，当前频点发生变化，如由-0.5Hz变为-0.4Hz。
[0047]步骤5)、对拖曳线列阵声呐在运动一定时间后，拖曳线列阵声呐进行采样操作，然后对采样时各个阵元所接收到的信号做FFT变换以及频域波束形成，接着在当前频点上对各个阵元的频域波束形成的输出结果进行累加；
[0048]其中，所述FFT变换时所涉及的FFT点数与步骤4)中的FFT点数相同。
[0049]步骤6)、根据步骤5)所得到的结果计算空间移动补偿与时间延迟补偿，将空间移动补偿与时间延迟补偿相加，得到阵列移动前后总的相位修正补偿，根据前一次补偿的结果与所述总的相位修正补偿得到扩展虚拟阵列的输出结果；
[0050]其中，所述空间移动补偿根据移动的距离得到，一般预设为阵元重叠数的一半，或者根据实际移动距离作空间移动补偿；所述的时间延迟补偿根据移动相应距离的时间得到。
[0051]步骤7)、将步骤6)得到的补偿后的扩展虚拟阵列的输出结果进行相干累加，获得时间方位历程图，利用该时间方位历程图对被测目标信号进行检测，然后考察当前的频点补偿次数是否已经达到了步骤3)中预设的频点补偿总数，如果未达到，改变当前频点值的大小，然后重新执行步骤4)-步骤6)，直至当前的频点补偿次数达到预设的频点补偿总数。
[0052]下面对上述步骤做进一步的描述。
[0053]在所述的步骤I)中，对目标辐射噪声进行特性分析，这一特性分析的实现不仅为水下螺旋桨切割形成线谱信号的被动合成孔径技术奠定基础，而且为后续信号检测处理中对拖船噪声抵消等技术提供了理论参考。
[0054]经研究发现:船体的机械噪声、螺旋桨噪声以及水动力噪声是舰船噪声的三种主要来源，其中机械噪声和螺旋桨噪声是舰船噪声的主要声源。机械噪声是航行或行业舰船上的各种机械振动通过船体向水中辐射而形成的噪声，由于各种机械运动形式的不同，其产生的水下辐射噪声性质也就不同，此噪声可以看成是强线谱和弱连续谱的迭加；螺旋桨噪声是由旋转着的螺旋桨所辐射的噪声，包括螺旋桨空化噪声和螺旋桨叶片振动所产生的噪声，往往是舰船辐射噪声高频段的主要部分；水动力噪声由不规则的、起伏的海流流过运动船只表面而形成，是水流动力作用于舰船的结果，在强度方面一般被机械噪声和螺旋桨噪声所掩盖。
[0055]水下舰船的辐射噪声谱特性与频率、航速、深度有关，低航速时，谱的低频端主要包括机械噪声和螺旋桨叶片速率谱线，随着频率增高，该谱线不规则地降低；航速较高时螺旋桨空化噪声的连续谱更为重要，掩盖了很多线谱。舰船辐射噪声信号的总的功率谱可以写成宽带连续谱与线谱的和:
[0056]G (t, f) =Gs (f) +Gl (f) +2m (t) m (f) Gs (f)
[0057]式中，Gs(f)表示平稳连续功率谱,G1^f)表示线谱部分,〗!!^!:)!]!^#^;^表示非平稳时变谱，m(t)和m(f)分别为调制函数和调制深度谱。对于舰船辐射噪声而言，在给定航速和深度下，谱的主要成分与临界频率有关，通常的舰船临界频率约在100-?000Ηζ之间，低于此频率时,谱的主要成分时船的机械和螺旋桨的线谱,高于此频率时,谱的主要成分则是螺旋桨空化的连续噪声谱。依据研究表明，舰船辐射噪声的频域特性是宽带连续谱与窄带线谱的迭加，窄带谱线主要集中在IkHz以下，而宽带连续谱则覆盖了多个倍频程。在实际检测时，被动合成孔径声呐感兴趣的信号是目标辐射噪声的线谱成分。因此在后续的步骤中，拖曳线列阵主要对窄带线谱信号进行检测。
[0058]在所述步骤2)中所构建的接收模型包括:由拖缆连接的若干个等间距的各向同性水听器形成一线列阵(在线列阵中的水听器也被称为阵元)，该线列阵作匀速直线运动，以某一时刻第I号水听器接收到的被测目标信号为参考，其它水听器相对于被测目标均有不同的距离，即其它水听器接收到的被测目标信号相对于I号水听器接收到的被测目标信号有相应的传播时延，运动一定时间间隔后，各个水听器再次对被测目标信号进行接收处理，根据各水听器与运动目标的距离得到各水听器接收的信号。
[0059]在步骤4)与步骤5)中，需要对各个水听器所接收到的信号做FFT变换，在FFT变换时所需的点数与补偿精度有关。如补偿精度为0.1Hz时，FFT点数为实际采样率fs的10倍。当补偿精度发生变化，则相`应的FFT变换也会对应改变。
[0060]所述的步骤7)具体包括以下步骤:
[0061]步骤7-1)、依据虚拟阵列补偿后波束累加获得的输出结果进行处理，结合各时间段信号处理获得时间方位历程图；
[0062]步骤7-2)、对整个时间方位历程图输出进行检测，得到目标波束对应方位，具体为:将不同频带内目标波束对应的检测方位进行记录，将各频带内存储的方位进行二次拟合，根据计算结果计算方位估计方差，将计算的方位估计方差与设定的检测方差门限进行比较，若小于门限，则检测到的水声目标信号结果属实，接收到水下目标信号确实含有水声目标信号，否则检测结果为虚警，接收到的信号中不含目标信号，继而完成对目标信号的检测；
[0063]步骤7-3)、判断当前的频点补偿次数是否已经达到了步骤3)中预设的频点补偿总数，如果未达到，改变当前频点值的大小，然后重新执行步骤4)-步骤6)，直至当前的频点补偿次数达到预设的频点补偿总数。
[0064]下面结合一个具体的例子，对本发明方法做进一步说明。
[0065]图1为一个实施例中利用拖曳线列阵声呐运动下对水下目标的辐射噪声进行检测的示意图。从图中可以看出，所述拖曳线列阵声呐中有N个水听器，各水听器之间的距离为山整个拖曳线列阵声呐以速度V做匀速直线运动。当舰船或其他类型的被测目标经过该水平拖曳线列阵声呐时，该声呐中的水听器能够对目标辐射噪声信号进行采样，完成对噪声源的检测。拖曳线列阵声呐在检测时，由于声呐中的水听器与被检测目标之间存在相对运动，使得声呐中的各个水听器所接收的信号与辐射声源存在频率不一致的情况，即:相对声源运动接收频率变高，背离声源运动接收频率变低。这一现象就是多普勒频偏。所述多普勒频偏会在孔径合成时造成目标检测性能的下降。
[0066]在下面的描述中就以该拖曳线列阵声呐为例，对如何实现多普勒频偏修正加以说明。
[0067]在图1中，R1与Rn分别表示拖船与I号、N号水听器的距离。进一步细化分析，构建直角坐标系如图2示，单独考虑I号接收水听器，r0与Ti表示移动前后拖船与I号水听器距离，辐射目标视为点声源，所在位置为(x0，y0)，则:
[0068]
【权利要求】
1.一种多普勒频偏修正方法，用于包括多个阵元的拖曳线列阵，该方法包括: 步骤1)、对目标辐射噪声进行特性分析； 步骤2)、根据目标辐射噪声特性分析的结果，构造所述拖曳线列阵运动时对被测目标的信号进行声场空间采样的接收模型，然后为所述拖曳线列阵构建直角坐标系； 其中，在构建直角坐标系时，将所述拖曳线列阵中第一个阵元的初始位置作为直角坐标系的原点，将福射目标作为点声源； 步骤3)、预设频点补偿总数； 步骤4)、某一时刻，所述拖曳线列阵声呐进行采样操作，然后对采样时各个阵元所接收到的信号做FFT变换以及频域波束形成，接着在当前频点上对各个阵元的频域波束形成的输出结果进行累加； 步骤5)、所述拖曳线列阵声呐在运动一定时间后，所述拖曳线列阵声呐进行采样操作，然后对采样时各个阵元所接收到的信号做FFT变换以及频域波束形成，接着在当前频点上对各个阵元的频域波束形成的输出结果进行累加； 步骤6)、根据步骤5)所得到的结果计算空间移动补偿与时间延迟补偿，将空间移动补偿与时间延迟补偿相加，得到所述拖曳线列阵声呐移动前后总的相位修正补偿，然后根据前一次补偿的结果与所述总的相位修正补偿得到扩展虚拟阵列的输出结果； 步骤7)、将步骤6)得到的补偿后的扩展虚拟阵列的输出结果进行相干累加，获得时间方位历程图，利用该时间方位历程图对被测目标信号进行检测，然后判断当前的频点补偿次数是否已经达到了步骤3)中预设的频点补偿总数，如果未达到，改变当前频点值的大小，然后重新执行步骤4)-步骤6)，直至当前的频点补偿次数达到预设的频点补偿总数。
2.根据权利要求1所述的多普勒频偏修正方法，其特征在于，在所述的步骤4)与步骤5)中，所述FFT变换时所需的点数由补偿精度确定。
3.根据权利要求1所述的多普勒频偏修正方法，其特征在于，在所述的步骤7)中，对被测目标信号进行检测包括: 将不同频带内目标波束对应的检测方位进行记录，将各频带内存储的方位进行二次拟合，根据计算结果计算方位估计方差，将计算的方位估计方差与设定的检测方差门限进行比较，若小于门限，则检测到的水声目标信号结果属实，接收到的水下目标信号中确实含有水声目标信号，否则检测结果为虚警，接收到的信号中不含目标信号，继而完成对目标信号的检测。
4.根据权利要求1所述的多普勒频偏修正方法，其特征在于，在所述的步骤6)中，所述空间移动补偿根据移动的距离得到。
5.根据权利要求1所述的多普勒频偏修正方法，其特征在于，在所述的步骤6)中，所述的时间延迟补偿根据移动相应距离的时间得到。
6.一种多普勒频偏修正系统，其特征在于，用于包括多个阵元的拖曳线列阵，该系统包括噪声特性分析模块、预处理模块、频点补偿总数预设模块、信号处理模块、延迟补偿模块、检测模块；其中， 所述的噪声特性分析模块用于对目标辐射噪声进行特性分析； 所述的预处理模块根据目标辐射噪声特性分析的结果，构造所述拖曳线列阵运动时对被测目标的信号进行声场空间采样的接收模型，然后为所述拖曳线列阵构建直角坐标系；其中，在构建直角坐标系时，将所述拖曳线列阵中第一个阵元的初始位置作为直角坐标系的原点，将辐射目标作为点声源； 所述的频点补偿总数预设模块用于预设频点补偿总数； 所述的信号处理模块在某一初始时刻以及拖曳线列阵运动一定时间后的另一时刻分别做如下操作:对拖曳线列阵声呐采样时各个阵元所接收到的信号做FFT变换以及频域波束形成，接着在当前频点上对各个阵元的频域波束形成的输出结果进行累加； 所述的延迟补偿模块根据所述的信号处理模块所得到的结果计算空间移动补偿与时间延迟补偿，将空间移动补偿与时间延迟补偿相加，得到所述拖曳线列阵声呐移动前后总的相位修正补偿，然后根据前一次补偿的结果与所述总的相位修正补偿得到扩展虚拟阵列的输出结果； 所述的检测模块将所述的延迟补偿模块得到的补偿后的扩展虚拟阵列的输出结果进行相干累加，获得时间方位历程图，利用该时间方位历程图对被测目标信号进行检测，然后判断当前的频点补偿次数是否已经达到了所述的频点补偿总数预设模块所预设的频点补偿总数，如果未达到，改变当前频点值的大小，然后重新启动信号处理模块，直至当前的频点补偿次数达 到预设的频点补偿总数。
【文档编号】G01S7/539GK103809170SQ201210451109
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年11月12日 优先权日:2012年11月12日
【发明者】赵闪, 陈新华, 孙长瑜 申请人:中国科学院声学研究所