一种基于阵列的弱线谱目标被动检测方法技术

本发明专利技术提供的是一种基于阵列的弱线谱目标被动检测方法。步骤一、得到各个阵元接收到的信号的频谱；步骤二、得到频率方位输出矩阵形式：步骤三、得到矩阵PT；步骤四、形成空间谱输出值；步骤五、判定为探测目标的方位；步骤六、得到线谱目标；步骤七、判断频谱曲线中是否存在线谱等步骤实现的。本发明专利技术应用于弱线谱目标被动检测领域，解决了阵列信号处理领域的常规波束形成(CBF)技术不具备针对线谱目标的检测优势、CBF线谱检测器需要四维显示、不直观和不利于观察、多种不需要四维显示的方法又都需要统计的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种弱线谱目标被动检测方法，特别涉及一种基于阵列的弱线谱目标被动检测方法。
技术介绍
线谱特征是水下航行器所具有的一类固有特征，而且目标线谱强度往往会高于连续谱强度，线谱检测既有利于发现远距离低信噪比目标又有利于对目标的分辨识别。采用阵列的线谱检测方法可以获得空间处理增益，有利于对弱目标的检测，通常宽带阵列信号处理技术是将各频点的波束形成空间谱输出结果做加法处理得到总的宽带波束形成空间谱输出曲线的，将这种方法简称为一般加法波束形成处理。最常见的是常规波束形成(CBF)线谱检测器利用波束形成得到对线谱目标的空间增益，因此跟单阵元相比提高了对线谱目标的检测能力。但是这种阵列信号处理领域的常规波束形成(CBF)技术对于接收机工作频带内等信噪比强度的连续谱目标和线谱目标具有几乎相同的检测能力，并不具备专门针对线谱信号的检测优势。而且CBF线谱检测器需要四维显示，常规显示器都是三维视窗，因此需要开多个三维视窗以达到四维显示的效果，不利于观察。有文献中曾提出了一些针对弱线谱目标的阵列信号处理检测方法。现总结如下。《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.(以下简称文献1)文献1给出了一种基于频率方差加权的线谱目标检测方法，是一种根据检测到的线谱频率方差调节各方位空间谱输出的加权系数，系数大小与频率方差大小成反比。线谱的频率方差小，权系数大，该方位波束输出值大。方法的优点是有效的避免了传统线谱检测需四维显示这一难题，实现了强连续谱干扰条件下的弱线谱目标检测，可同时检测多个线谱目标。方法的缺点是需要进行时间上的统计才能够确定频率方差值进而确定空间谱输出权值，得到空间谱输出，因而方法给出检测结果需要的积分时间长，无法实现一个时间拍即可给出结果的实时处理，而且方法无法确定线谱目标的精确方位，对目标的方位估计精度低，多目标分辨能力差如图10。《瞬时频率方差加权导向最小方差波束形成检测器》.哈尔滨工程大学学报，2011，32(6):730-735.(以下简称文献2)文献2将瞬时频率方差加权技术应用于导向最小方差波束形成检测器，可以利用到导向最小方差波束形成检测器分辨率高，旁瓣低的优点，但是同样无法改变其需要进行时间上的统计，且对线谱目标方位估计精度低的问题，因此大部分时候只能用于针对线谱目标的粗略检测方法，无法进行精确的方位估计如图11。《水下声信号未知频率的目标检测方法研究》。兵工学报.2012，33(4):471-475.(以下简称文献3)文献3提出了一种频率未知情况下基于阵列信号处理的目标检测方法。利用噪声所对应频率单元波束输出的最大值随机，而目标所对应的频率单元波束输出最大值基本一致的特点，统计各频率单元在多个时刻波达方位估计(DOA)结果的稳定性，从而实现对线谱目标的检测。该方法同样需要在时间上进行统计，运算时间长实时性差，且无法进行同频率线谱的多目标分辨，当存在同频率线谱的多目标时方法仅能跟踪获得强目标的方位，对弱目标的检测失效如图12。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种针对性强、直观性好、简单可行的基于阵列的弱线谱目标被动检测方法。上述的专利技术目的是通过以下技术方案实现的：步骤一、对M个阵元接收到的信号x1(t),x2(t),…,xM(t)分别做快速傅里叶变换，得到各个阵元接收到的信号的频谱X1(f),X2(f)…XM(f)；其中，M为阵元个数，f为频率；步骤二、利用各个阵元接收到的信号的频谱X1(f),X2(f)…XM(f)的各频点频谱值做频域波束形成处理，得到各频点的波束输出方位谱，将子带内的L个波束输出方位谱写成如下矩阵模式即频率方位输出矩阵形式：P=p(f1,θ)p(f2,θ)···p(fL,θ)]]>其中，fi表示信号处理频带内的第i个频率点，i的取值范围为1～L，f1为信号处理频率点下限，fL为信号处理频率上限，上标T表示转置；L＝B/Δf，B为信号处理带宽，Δf为频率分辨率；θ为波束扫描角，按照角度扫描分辨率将θ划分为[θ1,θ2,…,θN]共N个角度，N＝180/Δθ，Δθ为角度扫描分辨率；频率方位输出矩阵是关于频率和方位的二维输出矩阵；步骤三、对频率方位输出矩阵P做转置，得到转置后的频率方位输出矩阵PT；步骤四、对转置后的频率方位输出矩阵PT的每个行向量的波束频率输出谱值进行峰选，将波束频率输出谱值峰选得到的最大峰值作为行向量对应角度的波束形成空间谱输出值；步骤五、将每个行向量的峰选值按角度从小到大顺序排列输出得到总的波束形成空间谱输出值Pout(θ)，根据Pout(θ)形成波束形成空间谱输出曲线，将波束形成空间谱输出曲线的各个局部峰值位置对应的方位判定为探测目标的方位(θT1,θT2,…,θTQ)，TQ为目标个数；步骤六、利用步骤五中构成的波束形成空间谱输出曲线与一般加法宽带波束形成输出的空间谱输出曲线做对比；将波束形成空间谱输出曲线的局部峰值明显高于一般加法宽带波束形成空间谱输出值的目标初判为线谱目标；预先设定门限DT1，如果波束形成空间谱输出曲线的局部峰值与一般加法宽带波束形成空间谱输出的峰值的差值大于预先设定门限DT1，则初判该局部峰值所在方位的目标为线谱目标，该方位为线谱目标方位；步骤七、取出初判线谱目标方位的波束输出频谱曲线，观察初判线谱目标方位的波束输出频谱曲线中是否存在线谱；步骤七一、预先设定线谱门限DT2，若初判线谱目标方位的波束输出频谱曲线中的线谱谱级减去初判线谱目标方位对应频率的连续谱背景谱级得到的值大于线谱门限DT2，则认为初判线谱目标的目标频谱中确实存在过门限线谱，初判线谱目标方位的目标为线谱目标；步骤七二、通过波束频率输出谱值峰选的方法得到线谱目标的线谱频率；通过波束频率输出谱值峰选得到的最大峰值以及取得最大峰值位置所对应的线谱频率f0。本专利技术是为了解决阵列信号处理领域的常规波束形成(CBF)技术不具备针对线谱目标的检测优势，CBF线谱检测器需要四维显示，不直观和不利于观察、
技术介绍
部分引用的文献中提到的多种不需要四维显示的方法又都需要统计的问题而提出的一种基于阵列的弱线谱目标被动检测方法。本专利技术的效果包括：1、本专利技术的基于阵列的宽带波束形成线谱目标被动检测方法，利用频域宽带波束形成得到方位频率输出矩阵，取矩阵各个方位对应的频率谱值输出结果，对每个方位频谱输出结果进行峰选，将峰选输出作为该方位的空间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于阵列的弱线谱目标被动检测方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、对M个阵元接收到的信号x1(t),x2(t),…,xM(t)分别做快速傅里叶变换，得到各个阵元接收到的信号的频谱X1(f),X2(f)…XM(f)；其中，M为阵元个数，f为频率；步骤二、利用各个阵元接收到的信号的频谱X1(f),X2(f)…XM(f)的各频点频谱值做频域波束形成处理，得到各频点的波束输出方位谱，将子带内的L个波束输出方位谱写成如下矩阵模式即频率方位输出矩阵形式：P=p(f1,θ)p(f2,θ)···p(fL,θ)]]>其中，fi表示信号处理频带内的第i个频率点，i的取值范围为1～L，f1为信号处理频率点下限，fL为信号处理频率上限，上标T表示转置；L＝B/Δf，B为信号处理带宽，Δf为频率分辨率；θ为波束扫描角，按照角度扫描分辨率将θ划分为[θ1,θ2,…,θN]共N个角度，N＝180/Δθ，Δθ为角度扫描分辨率；频率方位输出矩阵是关于频率和方位的二维输出矩阵；步骤三、对频率方位输出矩阵P做转置，得到转置后的频率方位输出矩阵PT；步骤四、对转置后的频率方位输出矩阵PT的每个行向量的波束频率输出谱值进行峰选，将波束频率输出谱值峰选得到的最大峰值作为行向量对应角度的波束形成空间谱输出值；步骤五、将每个行向量的峰选值按角度从小到大顺序排列输出得到总的波束形成空间谱输出值Pout(θ)，根据Pout(θ)形成的波束形成空间谱输出曲线，将波束形成空间谱输出曲线的各个局部峰值位置对应的方位判定为各个探测目标的方位(θT1,θT2,…,θTQ)，TQ为目标个数；步骤六、利用步骤五中构成的波束形成空间谱输出曲线与一般加法宽带波束形成输出的空间谱输出曲线做对比；将波束形成空间谱输出曲线的局部峰值高于一般加法宽带波束形成空间谱输出值的目标初判为线谱目标；预先设定门限DT1，如果波束形成空间谱输出曲线的局部峰值与一般加法宽带波束形成空间谱输出的峰值的差值大于预先设定门限DT1，则初判该局部峰值所在方位的目标为线谱目标，该方位为线谱目标方位；步骤七、取出初判线谱目标方位的波束输出频谱曲线，观察初判线谱目标方位的波束输出频谱曲线中是否存在线谱；步骤七一、预先设定线谱门限DT2，若初判线谱目标方位的波束输出频谱曲线中的线谱谱级减去初判线谱目标方位对应频率的连续谱背景谱级得到的值大于线谱门限DT2，则认为初判线谱目标的目标频谱中存在过门限线谱，初判线谱目标方位的目标为线谱目标；步骤七二、通过波束频率输出谱值峰选的方法得到线谱目标的线谱频率；通过波束频率输出谱值峰选得到的最大峰值以及取得最大峰值位置所对应的线谱频率f0。...

【技术特征摘要】
1.一种基于阵列的弱线谱目标被动检测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、对M个阵元接收到的信号x1(t),x2(t),…,xM(t)分别做快速傅里叶变换，得到各
个阵元接收到的信号的频谱X1(f),X2(f)…XM(f)；
其中，M为阵元个数，f为频率；
步骤二、利用各个阵元接收到的信号的频谱X1(f),X2(f)…XM(f)的各频点频谱值做频
域波束形成处理，得到各频点的波束输出方位谱，将子带内的L个波束输出方位谱写成如下
矩阵模式即频率方位输出矩阵形式：
P=p(f1,θ)p(f2,θ)···p(fL,θ)]]>其中，fi表示信号处理频带内的第i个频率点，i的取值范围为1～L，f1为信号处理频
率点下限，fL为信号处理频率上限，上标T表示转置；L＝B/Δf，B为信号处理带宽，Δf
为频率分辨率；θ为波束扫描角，按照角度扫描分辨率将θ划分为[θ1,θ2,…,θN]共N个角度，
N＝180/Δθ，Δθ为角度扫描分辨率；频率方位输出矩阵是关于频率和方位的二维输出矩阵；
步骤三、对频率方位输出矩阵P做转置，得到转置后的频率方位输出矩阵PT；
步骤四、对转置后的频率方位输出矩阵PT的每个行向量的波束频率输出谱值进行峰选，
将波束频率输出谱值峰选得到的最大峰值作为行向量对应角度的波束形成空间谱输出值；
步骤五、将每个行向量的峰选值按角度从小到大顺序排列输出得到总的波束形成空间谱
输出值Pout(θ)，根据Pout(θ)形成的波束形成空间谱输出曲线，将波束形成空间谱输出曲线的
各个局部峰值位置对应的方位判定为各个探测目标的方位(θT1,θT2,…,θTQ)，TQ为目标个数；
步骤六、利用步骤五中构成的波束形成空间谱输出曲线与一般加法宽带波束形成输出的
空间谱输出曲线做对比；将波束形成空间谱输出曲线的局部峰值高于一般加法宽带波束形成
空间谱输出值的目标初判为线谱目标；
预先设定门限DT1，如果波束形成空间谱输出曲线的局部峰值与一般加法宽带波束形成
空间谱输出的峰值的差值大于预先设定门限DT1，则初判该局部峰值所在方位的目标为线谱
目标，该方位为线谱目标方位；
步骤七、取出初判线谱目标方位的波束输出频谱曲线，观察初判线谱目标方位的波束输

\t出频谱曲线中是否存在线谱；
步骤七一、预先设定线谱门限DT2，若初判线谱目标方位的波束输出频谱曲线中的线谱
谱级减去初判线谱目标方位对应频率的连续谱背景谱级得到的值大于线谱门限DT2，则认为
初判线谱目标的目标频谱中存在过门限线谱，初判线谱目标方位的目标为线谱目标；
步骤七二、通过波束频率输出谱值峰选的方法得到线谱目标的线谱频率；通过波束频率
输出谱值峰选得到的最大峰值以及取得最大峰值位置所对应的线谱频率f0。
2.根据权利要求1所述一种基于阵列的弱线谱目标被动检测方法，其特征在于：步骤
二中频域波束形成处理计算公式采用CBF或者MVDR处理。
3.根据权利要求2所述一种基于阵列的弱线谱目标被动检测方法，其特征在于：步骤三
中转置后的频率方位输出矩阵PT具体为：
PT=p(θ1,f)p(θ2,f)···p(θN,f]]>其中，频率f由[f1,f2,…fL]共L个频率点构成。
4.根据权利要求3所述一种基于阵列的弱线谱目标被动检测方法，其特征在于：步骤五
中总的波束形成空间谱输出值Pout(θ)具体为：
Pout(θ)=max...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅继丹，孙大军，滕婷婷，朱英慧，薛芙莲，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23