一种用于水下目标识别的回波相位特征提取方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及声纳领域，特别涉及一种用于水下目标识别的回波信号相位特征提取方法。
【背景技术】
[0002]在声纳和雷达领域，经常需要对水下目标进行分类识别。用于目标识别的不变特征由内相特征和外相特征组成，其中内相特征是指目标的声谱结构，外相特征是指目标的外形和速度等。目标识别方面，主动目标识别不能像被动识别方法那样利用目标的内相信息，目前的方法多是基于回波的能量特征获得目标的几何特征，也就是目标的亮点结构。依靠这些特征来进行识别和分类，这也同样忽略了反射回波中所包含的另一重要内容一一回波相位信息。
[0003]假设目标反射回波在平面边界以平面波的形式进行反射和透射，水下声波在不同密度的反射界面上回波相位的变化也不相同。即当入射波由密度低(声阻抗低)的介质进入密度高(声阻抗高)的介质时，界面反射回波相位不发生改变；相反则界面反射回波的相位发生反相。基于上述声学原理，不同形状、结构和材质的目标反射回波相位构成了主动声纳目标识别的识别特征。为了能够实现目标回波相位特征提取，需要完成从主动发射信号的波形设计，以及相应的回波后置信号处理。在现有技术中尚不存在此类方法。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提高现有主动声纳目标识别概率，在目前能量特征识别方法基础上提供一种回波相位识别特征及其特征提取方法。
[0005]为了实现上述目的，本发明提供了一种用于水下目标识别的回波相位特征提取方法，包括:
[0006]步骤I)、构建双频发射信号；所述双频发射信号包括两个具有相同相位的频率分量，两个频率分量的中心频率间有确定的比例关系；
[0007]步骤2)、根据步骤I)所构建的双频发射信号生成所对应相关运算的双频子带复本信号；
[0008]步骤3)、双频发射信号到达目标，产生目标反射回波；所述目标反射回波包括两个频率分量；
[0009]步骤4)、接收目标反射回波，对所述反射回波中的两个频率分量分别做带通滤波，然后将所得到的两个带通滤波结果分别与步骤2)得到的双频子带复本信号进行子带相关运算；
[0010]步骤5)、依据步骤4)所得到的子带相关运算结果获得目标反射回波的截取位置，分别截取两个频率分量的脉冲信号，再计算反射回波双频信号的相位值。
[0011]上述技术方案中，步骤5)进一步包括:
[0012]步骤5-1)、依据步骤4)所得到的子带相关运算结果中的相关峰位置作为反射回波双频信号的截取位置，利用窗函数分别截取目标反射回波中两个频率分量的脉冲信号；
[0013]步骤5-2)、利用步骤I)中的两个频率分量的中心频率间的比例关系对目标反射回波中一个频率分量的脉冲信号做频率比例变换，目标反射回波中另一个频率分量的脉冲信号保持不变；
[0014]步骤5-3)、将目标反射回波中经过频率比例变换的一个频率分量的脉冲信号与目标反射回波中另一个未经频率比例变换的频率分量做复共轭相乘；
[0015]步骤5-4)、对步骤5-3)所得到的复共轭相乘结果利用互谱法计算目标反射回波中两个频率分量的相位值，并以此作为主动声纳目标识别方法的识别特征量。
[0016]本发明的优点在于:
[0017]1、与现有技术中的方法相比，本发明的方法能够在常规主动声纳目标识别的基础上，增加目标反射回波相位特征的识别特征量，进一步提高目标识别概率；
[0018]2、本发明的方法采用双频发射信号，不增加任何硬件上的开销，通过选择合理的参数可以有效抑制目标识别中的相位噪声。
【附图说明】
[0019]图1是在一个实施例中的双频信号的一个频率分量的时间波形图；
[0020]图2是在一个实施例中的双频信号的一个频率分量的幅频响应图；
[0021]图3是在一个实施例中的双频信号的另一个频率分量的时间波形图；
[0022]图4是在一个实施例中的双频信号的另一个频率分量的幅频响应图；
[0023]图5是两个频率分量叠加后的发射信号的时间波形图；
[0024]图6是两个频率分量叠加后的发射信号的幅频响应图；
[0025]图7是在一个实施例中所接收的目标反射回波的时域波形图；
[0026]图8是图7所示目标反射回波做子带相关后的结果示意图；
[0027]图9是对反射回波信号进行处理的流程图；
[0028]图10是信噪比SNR为25.5dB时的相位特征提取结果的示意图；
[0029]图11是信噪比SNR为5.5dB时的相位特征提取结果的示意图。
【具体实施方式】
[0030]现结合附图对本发明作进一步的描述。
[0031]本发明的方法的原理是:在信号发射阶段发射双频信号，所发射的双频信号的相位相同，两信号间的频率具有一定的比例关系；所发射的双频信号到达目标并产生目标反射回波，接收并计算目标反射回波中两个频率分量的相位差。目标反射回波中两个频率分量的相位差也就是主动声纳目标识别中所需要的识别特征。
[0032]下面结合实例，对本发明的方法的具体步骤描述如下:
[0033]步骤I)、根据系统参数确定待发射的双频信号的中心频率、脉冲长度T和双频中心频率间的比例关系，构建待发射的双频信号；
[0034]所述系统参数描述了双频信号的中心频率、脉冲长度T和双频中心频率间的比例关系。图1-图6是在一个实施例中所设计的待发射的双频信号的示意图；其中，图1和图2分别为双频信号中一个频率分量的时间波形图和幅频响应图，该频率分量的中心频率为162kHz ;图3和图4分别为双频信号中另一个频率分量的时间波形图和幅频响应图，该频率分量的中心频率为202. 5kHz?图5和图6为两个频率分量叠加后的发射信号的时间波形图和幅频响应图，其中两个频率分量的比例关系为5/4，这一比例关系也被称为子带比例因子。
[0035]步骤2)、根据步骤I)所构建的待发射的双频信号，生成所对应相关运算的双频子带复本信号；
[0036]步骤3)、双频信号发射后到达目标，产生目标反射回波；
[0037]步骤4)、接收目标反射回波，所述目标反射回波包括两个频率分量，对这两个频率分量分别做带通滤波，然后将两个频率分量的带通滤波结果分别与步骤2)得到的双频子带复本信号进行相关运算（简称子带相关）；
[0038]图7和图8是在一个实施例中所接收的目标反射回波的示意图，其中的图7为目标反射回波的时域波形图，其中O. 2ms处为直达波、O. 6ms处为目标反射回波；图8是图7所示目标反射回波做子带相关后的结果示意图，其中的O. 2ms处为直达波的相关峰，O. 6ms处为目标反射回波的相关峰。
[0039]步骤5)、依据步骤4)所得到的相关结果获得反射回波的截取位置，分别截取两个频率分量的脉冲信号，再利用互谱法计算目标反射回波中两个频率分量的相位值。
[0040]参考图9，步骤5)进一步包括：
[0041]步骤5-1)、依据步骤4)所得到相关结果中的相关峰位置作为目标反射回波两个频率分量脉冲的截取位置，利用窗函数分别截取目标反射回波中两个频率分量的脉冲信号;
[0042]步骤5-2)、利用步骤I)中的子带比例因子对目标反射回波中一个频率分量的脉冲信号做频率比例变换，目标反射回波中另一个频率分量的脉冲信号保持不变；
[0043]步骤5-3)、将目标反射回波中经过频率比例变换的一个频率分量的脉冲信号与目标反射回波中另一个未经频率比例变换的频率分量的脉冲信号做复共轭相乘；
[0044]步骤5-4)、对步骤5-3)所得到的复共轭相乘结果利用互谱法计算反射回波双频信号的相位值。
[0045]图10和图11是本发明相位特征提取方法用于水面反射一个实施例的示意图。以水面反射回波作为识别目标，由于水面满足远场平面边界，反射回波相位原理上是180度。图10为信噪比SNR为25. 5dB时的相位特征提取结果，图11为信噪比SNR为5. 5dB时的相位特征提取结果，可以看出在信噪比高的时候明显相位结果会比较集中，相位误差较小。
[0046]最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1.一种用于水下目标识别的回波相位特征提取方法，包括: 步骤I)、构建双频发射信号；所述双频发射信号包括两个具有相同相位的频率分量，两个频率分量的中心频率间有确定的比例关系； 步骤2)、根据步骤I)所构建的双频发射信号生成所对应相关运算的双频子带复本信号; 步骤3)、双频发射信号到达目标，产生目标反射回波；所述目标反射回波包括两个频率分量; 步骤4)、接收目标反射回波，对所述反射回波中的两个频率分量分别做带通滤波，然后将所得到的两个带通滤波结果分别与步骤2)得到的双频子带复本信号进行子带相关运算; 步骤5)、依据步骤4)所得到的子带相关运算结果获得目标反射回波的截取位置，分别截取两个频率分量的脉冲信号，再计算反射回波双频信号的相位值。
2.根据权利要求1所述的用于水下目标识别的回波相位特征提取方法，其特征在于，步骤5)进一步包括: 步骤5-1)、依据步骤4)所得到的子带相关运算结果中的相关峰位置作为反射回波双频信号的截取位置，利用窗函数分别截取目标反射回波中两个频率分量的脉冲信号； 步骤5-2)、利用步骤I)中的两个频率分量的中心频率间的比例关系对目标反射回波中一个频率分量的脉冲信号做频率比例变换，目标反射回波中另一个频率分量的脉冲信号保持不变； 步骤5-3)、将目标反射回波中经过频率比例变换的一个频率分量的脉冲信号与目标反射回波中另一个未经频率比例变换的频率分量做复共轭相乘； 步骤5-4)、对步骤5-3)所得到的复共轭相乘结果利用互谱法计算目标反射回波中两个频率分量的相位值，并以此作为主动声纳目标识别方法的识别特征量。
【专利摘要】本发明涉及一种用于水下目标识别的回波相位特征提取方法，包括：构建双频发射信号；所述双频发射信号包括两个具有相同相位的频率分量，两个频率分量的中心频率间有确定的比例关系；根据双频发射信号生成所对应相关运算的双频子带复本信号；双频发射信号到达目标，产生目标反射回波；所述目标反射回波包括两个频率分量；接收目标反射回波，对所述反射回波中的两个频率分量分别做带通滤波，然后将所得到的两个带通滤波结果分别与双频子带复本信号进行子带相关运算；依据子带相关运算结果获得目标反射回波的截取位置，分别截取两个频率分量的脉冲信号，再计算反射回波双频信号的相位值。
【IPC分类】G01S7-539
【公开号】CN104777474
【申请号】CN201510214019
【发明人】吴永清
【申请人】中国科学院声学研究所
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月29日