一种加权的鲁棒性宽带波束形成目标检测方法技术

本发明专利技术涉及一种加权的鲁棒性宽带波束形成目标检测方法，包括理论分析、推导和数值仿真、改善算法和结果验证。依据水下目标辐射噪声含有高强度稳定线谱这一特征，利用目标线谱频率单元波束形成主副瓣幅值差别比较大，且比较稳定；而噪声频率单元波束形成主副瓣幅值差别比较小，且比较随机的特点。首先用二阶锥优化各频带波束形成，得到低旁瓣高增益波束形成；其次利用各频率单元波束形成主副瓣差异形成加权因子；然后利用加权因子对各频率单元波束形成进行加权统计，可以抑制背景噪声能量干扰，增强目标检测信噪比增益，克服传统线谱检测四维显示难点，改善能量累积检测法在远程目标检测方面的性能，提高了一般宽带波束形成鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种加权的鲁棒性宽带波束形成目标检测方法
本专利技术涉及声纳信号处理领域，特别涉及一种加权的鲁棒性宽带波束形成目标检测方法。
技术介绍
由于被动声纳不对外辐射信号，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——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的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。本专利技术依据水下目标辐射噪声含有高强度稳定线谱这一特征，利用目标线谱频率单元波束形成主副瓣幅值差别比较大，且比较稳定；而噪声频率单元波束形成主副瓣幅值差别比较小，且比较随机的特点，提出一种基于波束形成主副瓣比加权的鲁棒性宽带波束形成目标检测方法。该方法可以有效抑制背景噪声能量干扰，增强目标检测信噪比增益，克服传统线谱检测四维显示难点。并通过理论分析和实验结果验证了本专利技术方法可以有效地增强目标线谱单元能量、抑制噪声、提高信噪比，改善能量累积检测法在远程目标检测方面的性能，提高了一般宽带波束形成鲁棒性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于为了能够得到鲁棒性宽带波束形成方法，通过现有宽带波束形成进行相应处理来改变信号频率单元和噪声频率单元的加权值，以便抑制背景噪声能量干扰，增强目标检测信噪比增益，克服传统线谱检测四维显示难点。提高宽带波束形成鲁棒性，实现对水下目标的检测和方位估计，其包括理论分析、推导和数值仿真，改善算法和验证结果。为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供一种加权的鲁棒性宽带波束形成目标检测方法，包括：步骤1)对M个阵元拾取信号xm(t),1≤m≤M，以采样率fs进行采样得到离散信号xm(nTs),1≤m≤M，Ts为采样间隔，然后按下式做快速傅里叶变换(FFT)；式中，ws＝2π/N'Ts是FFT分析中的频率采样间隔；步骤2)基于二阶锥优化对各频率单元的各阵元信号进行最低旁瓣波束形成，得到K个空间谱R(k,θj)，k＝1,…,K，j＝1,…,L；步骤3)对每个频率单元空间谱求取极大值，该极大值中最大值位置为该频率单元的主瓣位置，次极大值位置为该频率单元的副瓣位置，分别记为θk,main与θk,side，k＝1,…,K；步骤4)提取各频率单元主副瓣幅值，然后按下式得到加权因子，Wk＝(R(fk,θk,main)/R(fk,θk,side))α,1≤k≤K式中，0≤α≤10为正常数；步骤5)按下式对各频率单元空间谱进行加权求和，得到最终空间谱和目标方位估计值，优选地，在所述步骤4)中，所述加权因子中α的值根据信噪比的需要设定。第二方面本专利技术提供一种加权的鲁棒性宽带波束形成目标检测设备，包括：傅里叶变换单元，对M个阵元拾取信号xm(t),1≤m≤M，以采样率fs进行采样得到离散信号xm(nTs),1≤m≤M，Ts为采样间隔，然后按下式做快速傅里叶变换(FFT)；式中，ws＝2π/N'Ts是FFT分析中的频率采样间隔；旁瓣波束形成单元，基于二阶锥优化对各频率单元的各阵元信号进行最低旁瓣波束形成，得到K个空间谱R(k,θj)，k＝1,…,K，j＝1,…,L；极大值求取单元，对每个频率单元空间谱求取极大值，该极大值中最大值位置为该频率单元的主瓣位置，次极大值位置为该频率单元的副瓣位置，分别记为θk,main与θk,side，k＝1,…,K；提取单元，提取各频率单元主副瓣幅值，然后按下式得到加权因子，Wk＝(R(fk,θk,main)/R(fk,θk,side))α,1≤k≤K式中，0≤α≤10为正常数；加权求和单元，对各频率单元空间谱进行加权求和，得到最终空间谱和目标方位估计值，本专利技术有益效果包括：依据水下目标辐射噪声含有高强度稳定线谱这一特征，利用目标线谱频率单元波束形成主副瓣幅值差别比较大，且比较稳定；而噪声频率单元波束形成主副瓣幅值差别比较小，且比较随机的特点，形成加权因子；然后利用加权因子对各频率单元波束形成进行加权统计，提高一般宽带波束形成鲁棒性。本专利技术专利所述算法简单有效，可满足实际工程应用需要。附图说明图1为本专利技术实施例的接收阵；图2为本专利技术实施例鲁棒性宽带波束形成目标检测流程图；图3为本专利技术实施例对每个频率单元空间谱求取极大值；图4为本专利技术实施例线谱信号频带波束形成结果图；图5为本专利技术实施例噪声频带波束形成结果图；图6为本专利技术实施例稳定线谱下所有频带波束形成累加结果；图7为本专利技术实施例只有线谱信号两种方法的目标检测概率；图8为本专利技术实施例SLR＝20dB时两种方法的目标检测概率；图9为本专利技术实施例SLR＝5dB时两种方法的目标检测概率；图10为本专利技术实施例实验线阵及目标所得目标方位历程图；图11为本专利技术实施例一般带宽波束形成法所得目标方位历程图；图12为本专利技术实施例根据本专利技术方法所得目标方位历程图。具体实施方式下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。本专利技术依据水下目标辐射噪声含有高强度稳定线谱这一特征，利用目标线谱频率单元波束形成主副瓣幅值差别比较大，且比较稳定；而噪声频率单元波束形成主副瓣幅值差别比较小，且比较随机的特点，提出一种基于波束形成主副瓣比加权的鲁棒性宽带波束形成目标检测方法。该方法可以有效抑制背景噪声能量干扰，增强目标检测信噪比增益，克服传统线谱检测四维显示难点。并通过理论分析和实验结果验证了本专利技术方法可以有效地增强目标线谱单元能量、抑制噪声、提高信噪比，改善能量累积检测法在远程目标检测方面的性能，提高了一般宽带波束形成鲁棒性。本专利技术的优点在于特征在于依据水下目标辐射噪声含有高强度稳定线谱这一特征，利用目标线谱频率单元波束形成主副瓣幅值差别比较大，且比较稳定；而噪声频率单元波束形成主副瓣幅值差别比较小，且比较随机的特点，形成加权因子；然后利用加权因子对各频率单元波束形成进行加权统计，提高一般宽带波束形成鲁棒性。本专利技术专利所述算法简单有效，可满足实际工程应用需要。图1为本专利技术实施例的接收阵；如图1所示：该接收阵为阵元数为N的等间距水平拖线阵，θ0为目标相对水平拖线阵辐射信号方向，各阵元接收拾取数据xm(t)可表示为：xm(t)＝x(t-τm(θ0))+nm(t)(1)式中，xm(t)为第m个阵元信号，x(t-τm(θ0))相对参考阵元1经τm(θ0)＝(1-m)dsinθ0/c延时后信号，d为阵间距，θ0为目标入射角，c为有效声速，nm(t)为第m个阵元接收背景噪声，1≤m≤M为阵元号。目标辐射数据x(t)为式中，An为线谱信号幅度，fn为线谱信号频率，为线谱信号随机相位，t为目标辐射信号时刻，bs(t)为宽带信号；N为假定的独立分量数，和bs(t)相互独立，服从[0～2π]均匀分布。令以式(2)中第n个根线谱为例，其与宽带信号平均谱级比(SpectrumLevelRatio：SLR)为：式中，B为宽带信号的带宽，10log(·)是以10为底的对数函数。同时，令式(1)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种加权的鲁棒性宽带波束形成目标检测方法，其特征在于，该方法包括：步骤1)对M个阵元拾取信号xm(t),1≤m≤M，以采样率fs进行采样得到离散信号xm(nTs),1≤m≤M，Ts为采样间隔，然后按下式做快速傅里叶变换(FFT)；X1(kws)=FFT(x1(nTs))···XM(kws)=FFS(xM(nTs))1≤k≤K]]>式中，ws＝2π/N'Ts是FFT分析中的频率采样间隔；步骤2)基于二阶锥优化对各频率单元的各阵元信号进行最低旁瓣波束形成，得到K个空间谱R(k,θj)，k＝1,…,K，j＝1,…,L；步骤3)对每个频率单元空间谱求取极大值，该极大值中最大值位置为该频率单元的主瓣位置，次极大值位置为该频率单元的副瓣位置，分别记为θk,main与θk,side，k＝1,…,K；步骤4)提取各频率单元主副瓣幅值，然后按下式得到加权因子，Wk＝(R(fk,θk,main)/R(fk,θk,side))α,1≤k≤K式中，0≤α≤10为正常数；步骤5)按下式对各频率单元空间谱进行加权求和，得到最终空间谱和目标方位估计值；R(θj)=ΣfK=flfKWk·R(fk,θj),j=1,...,L.]]>...

【技术特征摘要】
1.一种加权的鲁棒性宽带波束形成目标检测方法，其特征在于，该方法包括：步骤1)对M个阵元拾取信号xm(t),1≤m≤M，以采样率fs进行采样得到离散信号xm(nTs),1≤m≤M，Ts为采样间隔，然后按下式做快速傅里叶变换FFT；式中，ws＝2π/N'Ts是FFT分析中的频率采样间隔，N'为xm(nTs),1≤m≤M尾部补0后，序列的长度，N'＞2M(d·fs/c)+1，其中，d为阵间距，c为有效声速；步骤2)基于二阶锥优化对各频率单元的各阵元信号进行最低旁瓣波束形成，得到K个空间谱R(k,θj)，k＝1,…,K，j＝1,…,L,L为一个空间谱的方位角数目；步骤3)对每个频率单元空间谱求取极大值，该极大值中最大值位置为该频率单元的主瓣位置，次极大值位置为该频率单元的副瓣位置，分别记为θk,main与θk,side，k＝1,…,K；步骤4)提取各频率单元主副瓣幅值，然后按下式得到加权因子，Wk＝(R(fk,θk,main)/R(fk,θk,side))α,1≤k≤K式中，0≤α≤10为正常数,R(fk,θk,main)为第fk个频率单元主瓣位置的空间谱,R(fk,θk,side)为第fk个频率单元副瓣位置的空间谱；步骤5)按下式对各频率单元空间谱进行加权求和，得到最终空间谱和目标方位估计值；式中,R(fk,θj)为第fk个频率单元空间谱,f1为频率单元起始值,fK为频率单元结束值。2.根据权利要求1所述的一种加权的鲁棒性宽带波束形成目标检测方法，其特征在于，在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑恩明，陈新华，余华兵，李媛，孙长瑜，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11