一种基于空域相位方差加权的目标检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及声纳信号处理领域，特别涉及一种基于空域相位方差加权的目标检测 方法。
【背景技术】
[0002] 在阵列信号处理中，由于被动声纳不主动对外辐射信号，隐蔽性较强，一直是对水 下目标进行检测、定位、跟踪、识别的重要手段之一。但随着降噪技术的不断提高，被动声纳 接收数据的信噪比随之在不断降低，对被动声纳的性能需求也越来越严格。被动声纳常用 的检测技术一一能量累积检测方法，现已不能满足远程目标检测需求。学者通过理论和实 验证明了：水下目标辐射噪声中含有丰富的单频分量，特别是在低频段，螺旋桨转动会切割 水体产生低频信号，一部分低频分量直接以加性形式出现在目标辐射信号中，另有部分被 船体自身振动调制到较高频带，线谱谱级通常比连续谱平均谱级高出10~25dB。这为被动 声纳实现水下目标远程探测提供一种可能，也促使了线谱检测技术的进一步发展。
[0003] 在线谱检测检测方面，国内外学者做了不少研究，并取得了一定的研究成果，尤其 是在相位差分补偿、对齐方面。有的学者利用线谱信号与背景噪声间的时间相关半径与相 位起伏均匀性差异，提出了一种基于信号起伏相位差分对齐的相干检测方法，抑制了背景 噪声能量干扰。有的学者利用相位起伏特性，改善了对目标的监测性能和线谱信号与背景 噪声的时间相关半径。有的学者提出了一种差分二次平均修正的频域相位补偿线谱检测方 法。同样，有的学者给出了正弦信号的直接FFT参数估计与相位差分法对比研究结果。这 些方法基于相位差分一阶矩信息进行相位对齐或补偿来提高FFT参数估计效果。同时，有 的学者依据单频信号与背景噪声的相位差分前后的相位方差二阶矩信息，进一步增强单频 信号能量、抑制噪声、提高信噪比。
[0004] 另外，依据水下目标辐射噪声含有稳定线谱这一特征，国内外学者在不同方面进 行了有效、有针对性应用研究，提高了被动声纳性能。在阵列信号处理方法，有的学者提出 了一种基于瞬时频率方差加权的阵列信号处理方法，有的学者提出了一种基于瞬时方位方 差加权的阵列信号处理方法，有的学者提出了一种基于幅值加权的阵列信号处理方法，它 们均克服了传统线谱检测四维显示难点，改善了能量累积检测法在远程目标检测方面的性 能。有的学者提出了一种基于瞬时频率方差加权的时延估计方法，有的学者提出了一种基 于瞬时时延差方差加权的时延估计方法，它们均提高了互相关法在远程目标定位方面的性 能。
[0005] 根据上述文献所提出的思想，在某一频率单元的窄带波束形成中，当目标方位只 占据某一个或某几个方位角时，经多次窄带波束形成累加取最终空间谱，常规波束形成则 会将所有方位角对应空间谱等价地加权到最终空间谱中。在低信噪比情况下，受背景噪声 影响，空间谱中各方位处谱值起伏较大，不便于最后目标检测和方位估计。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术中的目标检测方法在低噪声情况下受背景噪声 影响，空间谱中各方位处谱值起伏较大，不便于最后目标检测和方位估计的缺陷，从而提供 一种能够抑制非目标方位处噪声干扰、增强目标检测信噪比增益的目标检测方法。
[0007] 为了实现上述目的，本发明提供了一种基于空域相位方差加权的目标检测方法， 包括：
[0008] 步骤1)、对拖线阵声纳中各阵元所拾取的数据进行滤波放大，然后对所拾取的数 据进行采样，得到离散数据；
[0009] 步骤2)、对步骤1)所得到的离散数据做FFT分析，得到频谱数据；将所述频谱数 据中各频率单元相关的各阵元数据做相位补偿、累加与求和，完成频域窄带波束形成；在各 频率单元的窄带波束形成中，求取各方位空域相位值；
[0010] 步骤3)、更新接收信号，重复进行步骤1)、步骤2)，直到重复次数达到预先设定值 M，则各频率单元均得到M个空域相位值；
[0011] 步骤4)、对步骤3)所得到的所有方位角的空域相位值进行方差计算；
[0012] 步骤5)、由步骤4)所得到的方差生成加权因子，利用所述加权因子对所有方位进 行空域相位方差加权统计，得到最终空间谱和方位估计值。
[0013] 上述技术方案中，在所述的步骤2)中，频域窄带波束形成以及求取各方位空域相 位值的计算公式如下：
[0014]
?：
[0015] 其中，BF(m，Θ )为频域窄带波束形成的结果，X1 (m，Iws)为目标线谱所对应频率单 元Iws的频谱数据，w s= 2 π /KT 3是FFT分析中的频率采样间隔，为目标线谱所对应 频率单元的空域相位值；i = 1，2,…，I，m = 1，2,…，Μ ; Θ = 〇, 1，…，179 ;1为阵元数，M 为统计次数，K为FFT分析所得频率单元数；d为阵间距，c为有效声速；
[0016] Xi (m, Iws)的计算公式如下：
[0017]
[0018] Θ。为目标方位角，τ。为第i阵元相对参考阵元接收信号时延差，爲为目标辐射信 号初始相位，^ 为第i阵元第m次接收背景噪声产生的相位误差，A1为个阵元信号幅度。
[0019] 上述技术方案中，在步骤4)中，所述方差的计算公式为：
[0020]
[0021 ] 其中~⑷为所得到的方差。
[0022] 上述技术方案中，在步骤5)中，所述加权因子1=1/?，空域相位方差的计算公式 为：
[0023]
[0024] 其中，1^0就是所要求取的最终空间谱；
[0025] 由中最大值对应方位得到方位估计值。
[0026] 本发明的优点在于：
[0027] 本发明的方法利用目标方位与非目标方位对应的空域相位在二阶矩上的差别，对 各方位角进行加权求和，削弱噪声对最终空间谱的影响，增强目标检测信噪比增益，抑制非 目标方位噪声干扰、提高信噪比。
【附图说明】
[0028] 图1是一拖线阵声纳的结构示意图；
[0029] 图2是拖线阵声纳中的接收阵的接收信号示意图；
[0030] 图3是本发明的基于空域相位方差加权的目标检测方法的流程图；
[0031 ] 图4是输入平均谱级比SLR从-30dB到20dB，每个平均谱级比下做200次独立统 计所得目标1方位处与非目标方位处空域相位标准差的示意图；
[0032] 图5是输入平均谱级比SLR从-30dB到20dB，每个平均谱级比下做200次独立统 计所得目标2方位处与非目标方位处空域相位标准差的示意图；
[0033] 图6是采用常规波束形成方法所得最终空间谱，所得目标检测正确概率的示意 图；
[0034] 图7是依据本发明方法所得最终空间谱，所得目标检测正确概率的示意图；
[0035] 图8是输入平均谱级比为-IOdB时，常规波束形成所得方位历程图；
[0036] 图9是输入平均谱级比为-IOdB时，本发明方法所得方位历程图；
[0037] 图10是输入平均谱级比为-IOdB时，两种方法所得某一时刻空间谱的对比图；
[0038] 图11是输入平均谱级比为_15dB时，常规波束形成方法所得方位历程图；
[0039] 图12是输入平均谱级比为_15dB时，本发明方法所得方位历程图；
[0040] 图13是输入平均谱级比为-15dB时，两种方法所得某一时刻空间谱的对比图。
【具体实施方式】
[0041] 现结合附图对本发明作进一步的描述。
[0042] 在对本发明的方法做详细说明前，首先对本发明的方法所适用的接收阵加以描 述。图1为一拖线阵声纳的结构示意图，该拖线阵声纳