一种小孔径声压水听器阵的被动目标空间谱检测方法技术

本发明专利技术公开了一种小孔径声压水听器阵的被动目标空间谱检测方法。该方法根据声压水听器阵的尺寸和系统工作频率，计算出“精确方向矢量”，利用精确方向矢量进行空间扫描形成小孔径声压阵输出空间谱，利用归一化空间谱的平均值作为检验统计量，实现对微弱目标的有效检测。该方法可以使小孔径声压阵在半径r

【技术实现步骤摘要】
一种小孔径声压水听器阵的被动目标空间谱检测方法
本专利技术涉及的是一种小孔径声压水听器阵被动目标空间谱检测方法，具体的说是一种在对角阵元间距小于λ/2(λ为系统工作最高频率对应的波长)的小孔径声压平面阵的被动目标空间谱检测方法。
技术介绍
压差型矢量水听器具有价格低廉，结构简单，对机械运动扰动不敏感，便于安装固定等特点，因而在浮标，潜标和超短基线水声定位等系统中使用较多。压差型矢量水听器本质上是一个小孔径的复合声压水听器阵，在工程应用中，通常要求压差型矢量水听器的阵元间距足够小，半径满足r≤0.1λ，其中λ为信号的波长。而实际应用环境中，信号频带较宽时，通常很难满足r≤0.1λ的限制条件。不满足这个限制条件，压差型矢量水听器的性能则会迅速下降，此时可以看作一个小孔径的声压水听器阵。从另外一个角度来讲，上述条件限制了压差型矢量水听器的工作频带。专利ZL201310185716.9(一种单个二维压差式矢量水听器方位估计的方法)通过优化矢量水听器的方向矢量，实现了高信噪比条件下压差型矢量水听器半径r稍大于0.1λ时，依然能准确的估计出目标。随着信噪比的降低及阵元间距的增加，该专利方法显然不能正确的估计目标的方位。微弱目标信号的检测是实现目标参数估计的前提，如果能利用低信噪比时无规的空间谱信息检测目标，则会扩大这种小孔径声压水听器阵的应用范围，尤其是在水下移动平台上进行目标探测、定位与导航技术中会有重要的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是：提供一种简单、实用、稳健的基于小孔径声压水听器阵的被动目标空间谱检测方法。本专利技术的技术方案是：一种小孔径声压水听器阵的被动目标空间谱检测方法，包括如下步骤：步骤一：将二维的小孔径声压水听器阵四个通道的接收数据pi(n)(其中i＝1,2,3,4表示阵元序号，n表示数据的采样值序号)通过希尔伯特变换转换成复信号步骤二：对四个通道的复声压信号求和，然后再除以2，求取声压水听器阵中心点出的声压信号值步骤三：对同一坐标轴上的两个阵元声压信号进行相减，然后将其差值移相-90°，求得声压水听阵中心点的差分信号步骤四：将步骤二、步骤三求出的声压水听器阵中心点处的信号罗列在一起，得出小孔径声压水听器阵的输出向量其中符号“T”表示矩阵的转置，再利用输出信号Y(n)求解协方差矩阵N表示数据采样点总数。步骤五：根据阵列的配置和系统的工作频段，计算小孔径声压水听器阵的精确方向矢量其中λ表示工作信号的波长，r表示对角阵元间距的一半，θm为扫描角度值，m表示扫描角度序号。步骤六：利用步骤五中的精确方向矢量U(θm)和步骤四中的数据协方差矩阵计算空间谱，然后求解空间谱的归一化值，对所有归一化空间谱值求平均，得到空间谱检验统计量其中，M表示空间角度采样数量，N表示数据样本采样数量，θm表示第m个空间扫描角度值。步骤七：根据系统要求的最大虚警概率Pf和环境噪声数据协方差矩阵根据步骤六中的空间谱检验统计量公式，采用蒙特卡罗统计方法计算检测门限值Dth(N,M)。步骤八：利用采集数据，实时计算D(N,M)，将D(N,M)与Dth(N,M)比较，如果D(N,M)<Dth(N,M)，则目标存在，反之目标不存在。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供了一种稳健的基于小孔径声压水听器阵的微弱目标空间谱被动检测技术，根据声压水听器阵的尺寸和系统工作频率，计算出“精确方向矢量”，利用精确方向矢量进行空间扫描形成空间谱，利用归一化空间谱的平均值作为检验统计量，实现对微弱目标的有效检测。该技术对水下声探测、水下定位与导航均有重要意义。本专利技术方法在小孔径声压水听器阵半径r<0.25λ的范围内，保持较好的微弱目标检测性能，可扩展小孔径声压水听器阵在浮标、潜标、水下航行器、水下定位与导航产品和鱼探仪等产品中的应用。附图说明图1是小孔径声压水听器阵的阵列配置结构图。图2是本专利技术提出的小孔径声压水听器阵被动目标检测方法的信号处理流程图。图3为实施例中小孔径声压水听器阵半径(或对角阵元间距)为0.2米，信号频率为1kHz时，系统采样频率为8kHz，系统带宽为200Hz，目标从45°方位(入射方向与图1中x轴的正半轴夹角为45°)入射到声压水听器阵时，小孔径声压水听器阵检测成功概率随信噪比变化的统计结果图。图4为实施例中小孔径声压水听器阵半径(或对角阵元间距)为0.2米，信号频率为1kHz时，系统采样频率为8kHz，目标在90°方位时，小孔径声压水听器阵检测成功概率随信噪比变化的统计结果图。具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：本专利技术技术基础是小孔径二维声压水听器阵，声压水听器阵的结构如图1所示。根据声压水听器阵的阵列尺寸和系统工作频带计算阵列的精确方向矢量，然后计算输出空间谱，利用归一化空间谱的平均值作为检验统计量，判定是否存在目标。本实施例中小孔径声压水听器阵微弱目标的空间谱检测方法，包括如下步骤：步骤一：对小孔径声压水听器阵的通道接收信号p1(n)、p2(n)、p3(n)和p4(n)(其中，n表示数据的采样值序号)进行希尔伯特变换，将接收的实信号变换成复信号和步骤二：由四路复信号和求出小孔径声压水听器阵中心点处虚拟声压步骤三：将1号阵元和3号阵元的复声压信号相减，求出小孔径声压水听器阵在x轴上的声压差分量将2号阵元和4号阵元的复声压信号相减，求出小孔径声压水听器阵y轴上差分量步骤四：利用移相器将两坐标轴上声压差分量分别移相-90°，得到和步骤五：将步骤二和步骤四中求出的信号罗列在一起，得到小孔径声压水听器阵的输出利用N次采集数据求出小孔径声压水听器阵的输出协方差矩阵步骤六：根据小孔径声压水听器阵的阵列尺寸和系统中心频率，利用公式求出声压水听器阵输出的精确方向矢量。步骤七：根据步骤五中求出的协方差矩阵和步骤六中求出的精确方向矢量U(θm)，利用公式计算声压水听器阵的输出空间谱。步骤八：对空间谱P(θm)进行归一化，然后求其平均值，得到空间谱检验统计量其中，M表示空间角度采样数量，N表示数据样本采样数量，θm表示第m个空间扫描角度值。步骤九：根据系统要求的最大虚警概率Pf和环境噪声数据协方差矩阵利用蒙特卡罗统计方法计算检测门限值Dth(N,M)。步骤十：利用采集数据，实时计算D(N,M)，将D(N,M)与Dth(N,M)进行比较，如果D(N,M)<Dth(N,M)，则目标存在，反之目标不存在。结合图1所示阵列结构和图2所示的信号处理方法，给出了一个实施例：小孔径声压水听器阵的半径r＝0.2米，信号频率为1kHz时，目标在45°方位，图3给出了利用本专利技术方法、常规压差型矢量水听器利用单位方向矢量进行处理得到的空间谱进行检测的统计结果。图4是目标在45°方位时的检测统计结果，从检测概率随信噪比的变化曲线可以看出，本专利技术方法可以使小孔径声压水听器阵的可检测信噪比降低1分贝。通过实施例的统计结果可以得出：本专利技术方法可以使小孔径声压水听器阵在阵元间距较小时可获得比常规压差型矢量水听器更好的检测性能，可以有效的提高小孔径声压水听器阵的探测距离；或者，从另一个角度来说，可以有效的扩展压差型矢量水听器的工作频带和探测性能。当然，本专利技术还可以有其他的实施例，熟悉本领域的技术人员可以根据本专利技术做出相应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种小孔径声压水听器阵的被动目标空间谱检测方法，包括如下步骤：步骤一：将二维的小孔径声压水听器阵四个通道的接收数据pi(n)(其中i＝1,2,3,4表

【技术特征摘要】
1.一种小孔径声压水听器阵的被动目标空间谱检测方法，包括如下步骤：步骤一：将二维的小孔径声压水听器阵四个通道的接收数据pi(n)(其中i＝1,2,3,4表示阵元序号，n表示数据的采样值序号)通过希尔伯特变换转换成复信号步骤二：对四个通道的复声压信号求和，然后再除以2，求取声压水听器阵中心点出的声压信号值步骤三：对同一坐标轴上的两个阵元声压信号进行相减，然后将其差值移相-90°，求得声压水听器阵中心点的差分信号步骤四：将步骤二、步骤三求出的声压水听器阵中心点处的信号罗列在一起，得出小孔径声压水听器阵的输出向量其中符号“T”表示矩阵的转置，再利用输出信号Y(n)求解协方差矩阵N表示数据采样点总数；步骤五：根据阵列的配置和系统的工作频段，计算小孔径声压水听...

【专利技术属性】
技术研发人员：王绪虎，张群飞，李恩玉，刘碧龙，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37