一种水平阵主动声纳目标回波检测方法及系统

本发明属于水声信号处理，具体涉及一种水平阵主动声纳目标回波检测方法及系统。

背景技术：

1、近年来，各类水下航行器在海域中活动频繁，水下目标的探测能力提升方面需求迫切。然而，随着水下航行器减震降噪技术的提升和消声瓦的普及装备，被动声呐和高频主动声呐的探测效能严重下降，低频主动探测成为探测安静型水下航行器的重要方式。

2、目标回波检测是主动探测信号处理链条中的重要环节。水平阵主动探测信号处理中，通常对波束形成后的波束输出进行匹配滤波，然后采用固定阈值或根据背景自适应调整阈值的恒虚警检测器来检测目标回波信号。然而，经过上述处理后的检测结果远超过实际目标数量，原因如下：首先，当静态阈值设置较低或者恒虚警检测器的期望虚警概率设置较高时，检测器输出中包含了大量的杂波；其次，目标回波信号强度较高时，可以跨越多个时延分辨率单元；再次，经过双程声传播的回波信号存在多途效应，单个目标回波会形成连续的脉冲串，形成多个检测输出；最后，当阵列孔径较短、方位扫描较密时，回波的方位扩展可能跨越方位分辨单元。

3、因此，目前常规的主动声呐回波检测方法的检测器输出结果无法正确反映目标数量，且受杂波影响严重，难以稳健的在真实海洋环境中输出正确的检测结果。现有的方法中，部分检测算法考虑了回波的多途效应，但还是无法处理跨分辨单元的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术主动声呐回波检测方法的检测器输出结果无法正确反映目标数量，且受杂波影响严重，难以稳健的在真实海洋环境中输出正确的检测结果的缺陷。

2、为了实现上述目的，本发明提出了一种水平阵主动声纳目标回波检测方法，所述方法包括：

3、步骤1：利用水平阵接收主动声呐信号，对各阵元接收的声压数据进行傅里叶变换得到声压频域数据；

4、步骤2：对各阵元声压频域数据进行频域波束形成，获取各扫描方位的波束输出；再根据发射信号对各方位的波束输出进行匹配滤波，得到各个方位的匹配滤波输出，即时延-方位二维扫描结果；

5、步骤3：对时延-方位二维扫描结果进行固定门限检测或者恒虚警检测，得到检测器的输出集合；

6、步骤4：对检测器输出集合执行密度聚类，剔除低分布密度的杂波检测结果，并且对高分布密度的目标回波信号进行分类，完成水平阵主动声纳目标回波检测。

7、作为上述方法的一种改进，所述步骤1具体为：

8、将水平阵接收的声压数据x(t)进行傅里叶变换得到各个阵元的频域信号x(ω)：

9、x(ω)＝[x1(ω)，x2(ω)，...，xl(ω)]

10、其中，ω＝2πf为角频率，f为频率，l为水平阵的阵元数。

11、作为上述方法的一种改进，所述步骤2具体为：

12、根据波束形成的加权系数w(ω，θ)计算各个方位的波束输出pb(ω，θ)：

13、pb(ω，θ)＝w(ω，θ)hx(ω)

14、其中，h表示向量的共轭转置，θ表示扫描方位；

15、将发射的探测波形作为拷贝信号对各个方位的波束输出进行匹配滤波，得到各个方位的匹配滤波输出，即时延-方位扫描结果pb，mf(t，θ)：

16、

17、其中，ωmax为探测信号的频率上限，ωmin为探测信号的频率下限，s*(ω)表示发射信号傅里叶变换的共轭，i表示虚数单位，t表示时间，|·|表示虚数的模。

18、作为上述方法的一种改进，所述步骤3具体为：

19、将时延-方位扫描结果pb，mf(t，θ)输入检测器，得到的检测器输出集合表示为s＝[(θ1，τ1)，(θ2，τ2)，...，(θn，τn)]，其中θn是第n个检测器输出的方位，τn是第n个检测器输出点的时延。

20、作为上述方法的一种改进，所述步骤4具体为：

21、初始化核心点集合ω为空，目标回波序号k＝0，设定最小邻域点数m；遍历s中的检测点，如果相邻检测点数量小于m，则标记为杂波；如果检测点为新的核心检测点，则将其加入核心点集合ω，目标回波序号加1，并将其所有密度相连的检测点都标记为当前回波序号，表示这些核心点都来自同一个回波；

22、遍历所有检测点后，根据检测点的标记对检测结果进行分类；被标记为杂波的检测点分配到杂波类；未被标记为杂波的检测点，按照标记的回波序号分配到对应的回波类。

23、作为上述方法的一种改进，所述相邻检测点和核心检测点的判断标准为：

24、设定密度聚类参数最小邻域范围∈；

25、对于检测器输出集合s，第n个检测点与第i个检测点之间的距离定义为：

26、

27、其中，i≠n，a和b为标准化系数；若dn，i＜∈，则第i个检测点是第n个检测点的相邻检测点；若第n个检测点的相邻检测点的数量大于等于m，则该检测点为核心检测点，将检测点中与该点密度相连的点归为该类；

28、作为上述方法的一种改进，所述检测器为单元平均恒虚警检测器，处理过程为：

29、首先，根据信道多途长度的先验信息设置保护单元长度；然后，设置训练单元长度，估计待检测单元附近的噪声强度；最后，根据背景噪声和期望的虚警概率得到待检测单元的检测阈值，与待检测单元的幅度对比检测信号，超过阈值的待检测单元认为有信号。

30、作为上述方法的一种改进，所述密度聚类算法为dbscan。

31、本发明还提供一种水平阵主动声纳目标回波检测系统，所述系统包括：

32、信号采集模块，用于利用水平阵接收主动声呐信号，对各阵元接收的声压数据做傅里叶变换得到声压频域数据；

33、信号处理模块，用于对各阵元声压频域数据进行频域波束形成，获取各扫描方位的波束输出；再根据发射信号对各方位的波束输出进行匹配滤波，得到各个方位的匹配滤波输出，即时延-方位二维扫描结果；

34、检测器模块，用于对时延-方位二维扫描结果进行固定门限检测或者恒虚警检测，得到检测器的输出集合；

35、密度聚类模块，用于对检测器输出集合执行密度聚类，剔除低分布密度的杂波检测结果，并且对高分布密度的目标回波信号进行分类，完成水平阵主动声纳目标回波检测。

36、与现有技术相比，本发明的优势在于：

37、1.本发明的方法通过对时延-方位二维检测结果进行密度聚类，可充分利用时延和方位两个维度的信息，相对传统的时延维度的检测，利用了回波空间维度的分布信息；

38、2.本发明的方法可以有效判别阈值检测输出结果中的杂波和目标回波，进而剔除杂波干扰。

39、3.本发明的方法通过密度聚类，将跨分辨单元的检测结果进行融合，很好的处理了跨越时延或方位分辨率单元导致单目标回波多检测结果的问题。

技术特征：

1.一种水平阵主动声纳目标回波检测方法，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的水平阵主动声纳目标回波检测方法，其特征在于，所述步骤1具体为：

3.根据权利要求2所述的水平阵主动声纳目标回波检测方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

4.根据权利要求3所述的水平阵主动声纳目标回波检测方法，其特征在于，所述

5.根据权利要求4所述的水平阵主动声纳目标回波检测方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

6.根据权利要求5所述的水平阵主动声纳目标回波检测方法，其特征在于，所述相邻检测点和核心检测点的判断标准为：

7.根据权利要求1所述的水平阵主动声纳目标回波检测方法，其特征在于，所述检测器为单元平均恒虚警检测器，处理过程为：

8.根据权利要求1所述的水平阵主动声纳目标回波检测方法，其特征在于，所述密度聚类算法为dbscan。

9.一种水平阵主动声纳目标回波检测系统，所述系统包括：

技术总结
本发明提供一种水平阵主动声纳回波检测方法及系统，所述方法包括：使用水平阵接收主动声呐的阵元域数据；获取主动声纳的时延‑方位二维扫描结果；将扫描结果输入固定门限或恒虚警检测器获取检测输出集合；对检测器输出集合进行密度聚类，剔除低分布密度的杂波检测结果，并且对高分布密度的目标回波信号进行分类。本发明的优势在于：相对传统的时延维度的检测，利用了回波空间维度的分布信息；可以有效判别阈值检测输出结果中的杂波和目标回波，进而剔除杂波干扰；很好的处理了跨越时延或方位分辨率单元导致单目标回波多检测结果的问题。

技术研发人员：顾怡鸣,秦继兴,吴双林,王梦圆,王海斌
受保护的技术使用者：中国科学院声学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13