一种基于分裂阵互谱相位差方差加权的被动探测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及阵列信号处理的水声被动探测领域，具体涉及水下拖曳线列阵探测过 程中克服海洋环境噪声干扰的基于分裂阵互谱相位差方差加权的被动探测方法。
【背景技术】
[0002] 作用距离是衡量声呐性能最重要的战术指标之一，作用距离指在一定条件下能有 效发现目标并测量相关参数的最大距离。不同用途声呐对作用距离的要求不同，如警戒声 呐比探雷声呐要有更远的作用距离，岸基声呐比舰用声呐的作用距离更远。现代海洋战场 上，具有更远作用距离声呐系统的一方占有先机，因此在现有基础上进一步提高声呐的作 用距离具有极其重要的现实意义。本发明关注提高拖曳线列阵声呐（被动）的作用距离， 关键是改善其在低信噪比条件下的弱目标探测能力。
[0003] 改善低信噪比条件下的弱目标探测能力，一种途径是基于频域滤波的线谱检测 (参见：高精度测频与舰船线谱频率稳定性研究，《海洋技术》，2012, 31 (2) : 32-35, 44)，相比 连续谱成分，感兴趣的目标一般有更强线谱辐射，且线谱频率稳定。另一种途径是提高声呐 在低信噪比条件的信噪比增益（处理增益）。低信噪比条件下提高被动声呐的处理增益主 要有以下三大思想：一是空域的基于阵列的各种波束形成技术（参见：阵列信号处理中波 束形成算法研究，浙江工业大学硕士学位论文，2012:25-33 ;基于声矢量阵的高分辨方位估 计技术研究，哈尔滨工程大学博士论文，2004:15-134);二也是空域的基于分裂阵的互相关 或互谱接收处理（参见：微弱信号源的和波束定向方法与分裂波束定向方法的性能比较， 《应用声学》，2007, 26 (3) :129-134);三是采用时域的平方积分器（参见：《声呐技术》，哈尔 滨工程大学出版社等，2010:226-231)。
[0004] 把线谱检测与其它提高处理增益的方法结合是提高声呐作用距离的必然选择，如 选用感兴趣目标辐射线谱的工作频段，采用频率方差加权处理（参见：一种基于频率方差 加权的线谱目标检测方法，《声学学报》，2010, 35 (1) : 76-80)不仅可以改善低信噪比条件下 弱线谱目标探测能力，还能抗其他多目标强干扰（与线谱目标工作频段不重叠）。利用线 谱信号的相位起伏小且具有线性斜率而环境噪声相位起伏大且随机分布的差异，基于相位 旋转的差分对齐处理（参见：基于目标辐射噪声的信号起伏检测算法研究，《电子与信息学 报》，2013, 35 (4) :844-851)可抑制环境噪声提高处理增益。
[0005] 针对复杂海洋信道、非平稳且极低信噪比的海洋环境，模基信号处理（参见：模基 水声信号处理技术的研究现状和展望，《声学技术》，2012,31 (3) :245-251)引入物理模型且 尽可能利用先验信息，先学习再实时调整模型参数，以复杂模型为代价换取处理增益。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种不仅抑制无目标方向波束输出，而且增强有目标方向 波束输出，此外可应用于水平阵，适合装载在运动平台或海底固定式使用的基于分裂阵互 谱相位差方差加权的被动探测方法。
[0007] 本发明的目的是这样实现的：
[0008] (1)由声速仪测量声波在水中传播的速度c ;
[0009] (2)采用半波间距布放水平均匀直线阵，设阵元间距为d，水听器阵元个数为M ;
[0010] (3)半波间距直线阵接收声场中各声源的辐射信号，接收的信号包括需要探测的 弱目标辐射的信号和各阵元接收的本地海洋环境噪声，设目标信号来自Θ方向，各阵元接 收信号分别为X 1 (t)，i为阵元序号，i = 1，…，M ;
[0011] (4)将半波间距M元阵均匀地划分为左子阵和右子阵，若M为偶数，则等效的2元 阵间距D为Md/2,若M为奇数，则中间阵元为两子阵共用，间距D为（M-I) d/2 ;
[0012] (5)对左子阵和右子阵分别同时进行常规波束形成，设M为偶数，则左子阵的波束 输出为
·右子阵的波束输出为
其中τ为两 阵元补偿的时延差，有
[0013] (6)计算左子阵波束输出与右子阵波束输出的共辄互谱：
式 中Y1 (f)和Y2 (f)分别为两子阵波束输出Y1⑴和y2⑴的傅里叶变换；
[0014] (7)取共辄互谱的正实部Re {Y (f)}和互谱相位差Φ，Y (f) = IY (f) I ej φ;
[0015] (8)多次计算，统计互谱相位差的方差D ( Φ );
[0016] (9)用互谱相位差方差的非负减函数值
作为权值对互谱正实部输出加权；
[0017] (10)设置引导方位角Θ。，输出加权后的预成多波束图。
[0018] 本发明的有益效果在于：
[0019] 本发明充分利用分裂阵互谱处理及互谱相位差方差的方位域特征，适用于水声工 程中低信噪比条件下克服海洋环境噪声影响提高信噪比增益进而提高拖线阵声呐被动探 测的作用距离，并且工程上可采用水平阵，更适合装载在运动平台上或海底固定使用。本发 明与已有被动探测弱目标方法的不同之处如下：
[0020] (1)本发明首次将分裂阵互谱处理用于探测过程。
[0021] (2)本发明提出用分裂阵互谱的相位差方差来构造权值。有目标方向的信噪比更 高，相位差方差值更小，无目标方向的信噪比更低，相位差方差值更大，因此构造相位差方 差的非负减函数作为权值，能在抑制无目标方向噪声功率输出的同时增强有目标方向的波 束输出。
[0022] 举例来说，海况较差时，海洋环境噪声级较高，阵元级的输入信噪比很低，常规波 束形成和平方积分处理均能带来一定的信噪比增益，本发明将分裂阵互谱处理和互谱相位 差方差加权结合，使得低信噪比条件下无目标波束的噪声功率被抑制，同时有目标波束的 信号功率被增强，于是可以提高被动探测的作用距离。可以看出，本发明具有光明的应用前 景，且具有极其重要的现实意义。
【附图说明】
[0023] 图1为平面波声场中水平均匀直线分裂阵的几何关系图；
[0024] 图2为分裂阵互谱并取正实部的预成多波束覆盖图；
[0025] 图3为相位差方差随信噪比变化的理论曲线；
[0026] 图4为分裂阵互谱相位差方差加权的实现框图；
[0027] 图5为基于分裂阵互谱相位差方差加权实施被动探测的几何态势图；
[0028] 图6(a)为互谱法和互谱相位差方差加权法被动线谱检测的预成多波束输出图 (信噪比-IOdB);
[0029] 图6(b)为互谱相位差方差加权法和互谱相位差方差频率方差联合加权法被动线 谱检测的预成多波束输出图（信噪比-IOdB);
[0030] 图6(c)为互谱法和互谱相位差方差加权法被动线谱检测的预成多波束输出图 (信噪比_25dB);
[0031] 图7(a)为互谱法和互谱相位差方差加权法宽带连续谱检测的预成多波束输出图 (信噪比-IOdB);
[0032] 图7 (b)为时互谱法和互谱相位差方差加权法宽带连续谱检测的预成多波束输出 图（信噪比_20dB)。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合附图对本发明做更详细地描述：
[0034] 本发明提供的是一种基于分裂阵互谱相位差方差加权以克服低信噪比下非相干 海洋环境噪声影响的被动探测方法。按半波间距布阵，接收阵对接收水声信号放大滤波， 然后进行数据采集。在数字信号处理器件中处理接收信号：左右子阵分别进行常规波束形 成，计算两子阵波束输出的共辄互谱，并取互谱的正实部和相位，根据多次快拍结果统计互 谱相位差的方差，取方差的非负减函数对互谱正实部加权，最后给出扫描扇面内的预成多 波束输出。本发明充分利用分裂阵互谱处理及互谱相位差方差的方位域特征，适用于水声 工程中低信噪比条件下克服海洋环境噪声影响提高信噪比增益进而提高拖线阵声呐被动 探测的作用距离，并且工程上可采用水平阵，更适合装载在运动平台上或海底固定使用。本 发明包括：
[0035] (1)由声速仪测量声波在水中传播的速度c ;
[0036] (2)采用半波间距布放水平均匀直线阵，设阵元间距为d，水听器阵元个数为M ;
[0037] (3)半波间距直线阵接收声场中各声源的辐射信号，接收的信号包括需要探测的 弱目标辐射的信号和各阵元接收的本地海洋环境噪声，设目标信号来自Θ方向，各阵元接 收信号分别为X 1 (t)，i为阵元序号，i = 1，…，M ;
[0038] (4)将半波间距M元阵均匀地划分为左子阵和右子阵，若M为偶数，则等效的2元 阵间距D为Md/2,若M为奇数，则中间阵元为两子阵共用，间距D为（M-I) d/2 ;
[0039] (5)对左子阵和右子阵分别同时进行常规波束形成，设M为偶数，则左子阵的波束 输出为
右子阵的波束输出为
其中τ为两 阵元补偿的时延差，有
[0040] (6)计算左子阵波束输出与右子阵波束输出的共辄互谱：
式 中Y1 (f)和Y2 (f)分别为两子阵波束输出Y1⑴和y2⑴的傅里叶变换；
[0041] (7)取共辄互谱的正实部Re{Y(f)}和互谱相位差Φ，Y(f) = |Y(f) IeilN
[0042] (8)多次计算，统计互谱相位差的方差D ( Φ );
[0043] (9)用互谱相位差方差的非负减函数值
作为权值对互谱正实部输出加 权；
[0044] (10)设置引导方位角Θ。，输出加权后的预成多波束图。
[0045] 本发明的目