专利名称：基于混响协方差矩阵的距离扩展目标的检测方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及声纳技术，尤其涉及一种基于混响协方差矩阵的距离扩展目标的检测的方法和装置
背景技术：
低分辨率主动声纳的距离分辨率远大于军事目标尺寸，实际目标具有点目标的特征，其回波与发射信号具有相同的形式。因此，混响背景下的目标回波检测问题可以归结为具有随机参量的已知波形的检测问题，相应的检测器以发射信号的匹配滤波器为核心。相对于深海环境，工作于浅海的主动声纳受到混响的影响更大，尤其是海底混响。为了补偿检测性能上的损失，高分辨率主动声纳应运而生。由于距离分辨率的提高，当距离分辨单元尺寸明显小于目标尺寸时，目标回波将占据多个距离单元，这种情况下的检测目标被称为距离扩展目标。此时，对发射信号的匹配滤波只是对各径向散射中心回波的最佳检测，而没有充分利用目标回波的全部能量，并不是对整个目标回波的最佳检测方法。要充分体现高分辨率声纳的性能优势，就需要研究适用于距离扩展目标的检测方法。因此，国内外学者针对不同的混响背景，在点目标检测的基础上对距离扩展目标检测进行了深入而又广泛的研究。其中较为经典的是Rao检验方法，该方法假设可以获得均匀的辅助数据来估计待测距离单元(主数据)的混响协方差矩阵，从而构造自适应检测统计量。辅助数据一般从主数据临近的距离单元获得，如果它和主数据具有相同的混响协方差矩阵，则称其为均匀的。如果可以获得充足的辅助数据，Rao检验方法将具有非常好的检测性能。然而，声纳在实际应用中通常工作在非均匀环境。造成非均匀现象的原因有很多种，如多变的海底地表类型、鱼群、孤立干扰等。在这种情况下，均匀的辅助数据很难获得，即使可以获得，其样本数也非常有限，从而导致现有的距离扩展目标的检测性能大大下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够克服上述缺陷的基于先验知识的距离扩展目标检测方法和装置。在本发明的第一方面，提供了一种基于混响协方差矩阵的距离扩展目标的检测方法，包括通过由声纳阵接收的回波获取一组回波数据，选取所述一组回波数据中的多个回波数据作为主数据，选取所述一组回波数据中除所述主数据外的多个回波数据作为辅数据，所述主数据和所述辅数据具有相同的混响协方差矩阵；根据所述主数据、所述辅数据和混响协方差矩阵的伪对称特性来计算采样协方差矩阵的伪对称表示信息，所述主数据的伪对称表示信息和所述混响协方差矩阵的最大似然估计的伪对称表示信息，其中，所述混响协方差矩阵的结构具有预先确定的伪对称特性；以及根据所述采样协方差矩阵的伪对称表示信息、所述主数据的伪对称表示信息、所述混响协方差矩阵的最大似然估计的伪对称表示信息和所述距离扩展目标的标称导向向量，计算检测统计量；以及将所述检测统计量与预定阈值进行比较，并且根据比较结果判断所述距离扩展目标是否存在。
在本发明的第二方面，提供了一种基于混响协方差矩阵的距离扩展目标的检测装置，包括回波数据获取单元，用于通过由声纳阵接收的回波获取一组回波数据，选取所述一组回波数据中的多个回波数据作为主数据，选取所述一组回波数据中除所述主数据外的多个回波数据作为辅数据，所述主数据和所述辅数据具有相同的混响协方差矩阵；第一计算单元，用于根据所述辅数据计算采样协方差矩阵；第二计算单元，用于分别计算所述采样协方差矩阵的伪对称表示信息、所述主数据的伪对称表示信息和混响协方差矩阵的最大似然估计的伪对称表示信息，其中，所述混响协方差矩阵的结构具有预先确定的伪对称特性；以及第三计算单元，用于根据所述采样协方差矩阵的伪对称表示信息、所述主数据的伪对称表示信息、所述混响协方差矩阵的最大似然估计的伪对称表示信息和所述距离扩展目标的标称导向向量，计算检测统计量；以及比较判断单元，用于将所述检测统计量与预定阈值进行比较，并且根据比较结果判断所述距离扩展目标是否存在。在第三方面，本发明提供了一种声纳系统，包括回波数据获取单元，用于通过由声纳阵接收的回波获取一组回波数据，选取所述一组回波数据中的多个回波数据作为主数据，选取所述一组回波数据中除所述主数据外的多个回波数据作为辅数据，所述主数据和所述辅数据具有相同的混响协方差矩阵；第一计算单元，用于根据所述辅数据计算采样协方差矩阵；第二计算单元，用于分别计算所述采样协方差矩阵的伪对称表示信息、所述主数据的伪对称表示信息和混响协方差矩阵的最大似然估计的伪对称表示信息，其中，所述混响协方差矩阵的结构具有预先确定的伪对称特性；以及第三计算单元，用于根据所述采样协方差矩阵的伪对称表示信息、所述主数据的伪对称表示信息、所述混响协方差矩阵的最大似然估计的伪对称表示信息和所述距离扩展目标的标称导向向量，计算检测统计量；比较判断单元，用于将所述检测统计量与预定阈值进行比较，并且根据比较结果判断所述距离扩展目标是否存在；以及声纳阵，所述声纳阵连接到所述回波数据获取单元，所述声纳阵用于发射探测声波并接收回波。本发明充分利用了混响协方差矩阵的先验信息，在小样本辅助数据情况下具有非常好的检测性能，有效地提升了高分辨主动声纳在非均匀环境下的性能。
图1是根据本发明实施例的距离扩展目标的检测流程图；图2是根据本发明实施例的距离扩展目标的检测装置的示意3是根据本发明实施例的第一种情况下检测性能比较的曲线图；以及图4是根据本发明实施例的第二种情况下检验性能比较的曲线图。
具体实施例方式下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。本发明是利用外部环境提供的先验知识，来克服背景的非均匀性，提高声纳系统性能的。众所周知，对于我们常用的等间距线阵，其混响协方差矩阵满足伪对称特性。为此，本发明充分利用这一先验信息，基于Rao检验准则，提出一种知识基距离扩展目标的检测方法。1.问题描述
假设目标回波是由N个阵元组成的等间距线阵接收，则距离扩展目标检测可归结为如下二元假设
权利要求
1.一种基于混响协方差矩阵的距离扩展目标的检测方法，包括通过由声纳阵接收的回波获取一组回波数据，选取所述一组回波数据中的多个回波数据作为主数据，选取所述一组回波数据中除所述主数据外的多个回波数据作为辅数据，所述主数据和所述辅数据具有相同的混响协方差矩阵；根据所述主数据、所述辅数据和混响协方差矩阵的伪对称特性来计算采样协方差矩阵的伪对称表示信息，所述主数据的伪对称表示信息和所述混响协方差矩阵的最大似然估计的伪对称表示信息，其中，所述混响协方差矩阵的结构具有预先确定的伪对称特性；以及根据所述采样协方差矩阵的伪对称表示信息、所述主数据的伪对称表示信息、所述混响协方差矩阵的最大似然估计的伪对称表示信息和所述距离扩展目标的标称导向向量，计算检测统计量；将所述检测统计量与预定阈值进行比较，并且根据比较结果判断所述距离扩展目标是否存在。
2.根据权利要求1所述的检测方法，所述采样协方差矩阵是根据所述辅数据计算得到的。
3.根据权利要求1所述的检测方法，其中，所述混响协方差矩阵的最大似然估计的伪对称表示信息是基于所述主数据的伪对称表示信息和所述采样协方差矩阵的伪对称表示Ih息计算得到的。
4.根据权利要求1所述的检测方法，其中，所述根据所述采样协方差矩阵的伪对称表示信息、所述主数据的伪对称表示信息、所述混响协方差矩阵的最大似然估计的伪对称表示信息和所述距离扩展目标的标称导向向量，计算检测统计量的步骤包括利用酉矩阵将所述采样协方差矩阵的伪对称表示信息、所述主数据的伪对称表示信息、所述混响协方差矩阵的最大似然估计的伪对称表示信息和所述距离扩展目标的标称导向向量从复数域变换至实数域；以及根据所述采样协方差矩阵的伪对称表示信息、所述主数据的伪对称表示信息、所述混响协方差矩阵的最大似然估计的伪对称表示信息和所述距离扩展目标的标称导向向量变换结果，计算所述检测统计量。
5.根据权利要求3所述的检测方法，其中，所述酉矩阵UU= (I+J)/2，其中I为NXN维的单位矩阵，J是一个NXN维的反对角阵
6.根据权利要求1所述的检测方法，其中，所述预定阈值是采用蒙特卡罗仿真得到的。
7.根据权利要求1所述的检测方法，其中，所述距离扩展目标的标称导向向量是通过所述距离扩展目标的目标方向计算得到的。
8.一种基于混响协方差矩阵的距离扩展目标的检测装置，包括回波数据获取单元，用于通过由声纳阵接收的回波获取一组回波数据，选取所述一组回波数据中的多个回波数据作为主数据，选取所述一组回波数据中除所述主数据外的多个回波数据作为辅数据，所述主数据和所述辅数据具有相同的混响协方差矩阵；第一计算单元，用于根据所述辅数据计算采样协方差矩阵；第二计算单元，用于分别计算所述采样协方差矩阵的伪对称表示信息、所述主数据的伪对称表示信息和混响协方差矩阵的最大似然估计的伪对称表示信息，其中，所述混响协方差矩阵的结构具有预先确定的伪对称特性；以及第三计算单元，用于根据所述采样协方差矩阵的伪对称表示信息、所述主数据的伪对称表示信息、所述混响协方差矩阵的最大似然估计的伪对称表示信息和所述距离扩展目标的标称导向向量，计算检测统计量；比较判断单元，用于将所述检测统计量与预定阈值进行比较，并且根据比较结果判断所述距离扩展目标是否存在。
9.一种声纳系统，包括如权利要求8所述的基于混响协方差矩阵的距离扩展目标的检测装置和声纳阵，所述声纳阵连接到所述回波数据获取单元，所述声纳阵用于发射探测声波并接收回波。
全文摘要
本发明涉及一种基于混响协方差矩阵的距离扩展目标的检测方法，包括通过由声纳阵获取一组回波数据并从中选取据有相同的混响协方差矩阵的主数据和辅数据；根据主数据、辅数据和混响协方差矩阵的伪对称特性计算采样协方差矩阵的伪对称表示信息，主数据的伪对称表示信息和混响协方差矩阵的最大似然估计的伪对称表示信息，混响协方差矩阵的结构具有预先确定的伪对称特性，然后辅之以距离扩展目标的标称导向向量计算检测统计量；根据检测统计量与预定阈值的比较结果判断距离扩展目标是否存在。本发明利用了混响协方差矩阵的先验特性，在小样本辅助数据情况下具有非常好的检测性能，有效地提升了高分辨主动声纳在非均匀环境下的性能。
文档编号G01S7/52GK103033815SQ201210556458
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月19日 优先权日2012年12月19日
发明者郝程鹏, 侯朝焕, 马晓川, 鄢社锋, 司昌龙 申请人:中国科学院声学研究所