一种矢量水听器线谱自动检测与判决方法技术

本发明专利技术公开了一种矢量水听器线谱自动检测与判决方法，涉及水声信号处理与信号检测技术领域，是能够通过幅度与方位的变化判断运动目标的存在，有效发挥水下目标线谱检测的应有效果，其检测技术可靠、虚警率低。本发明专利技术的技术方案包括如下步骤：获取矢量水听器接收的每一帧矢量数据，求解每一帧数量数据的平均声强谱，采用斜率门限与峰高门限从平均声强谱中提取线谱，线谱由线谱频率组成。从第2帧矢量数据开始，将每一帧矢量数据的线谱频率与之前帧矢量数据的线谱频率相比较，其中满足多普勒容限的线谱频率归为同一目标的线谱。对属于同一目标的线谱频率进行比较判断，若存在正向幅度变化以及单调方位变化，则判断目标存在，发出报警信号。

An automatic detection and decision method for line spectrum of vector hydrophone

【技术实现步骤摘要】
一种矢量水听器线谱自动检测与判决方法
本专利技术涉及水声信号处理与信号检测
，具体涉及一种矢量水听器线谱自动检测与判决方法。
技术介绍
水声监测小平台如噪声监测潜标一般利用水下目标的宽带信号检测目标。随着消声降噪技术的发展，水下目标辐射的宽带能量越来越低，给传统监测小平台采用的宽带检波积分检测方法带来很大困难。而水下目标低频线谱特征很难消除，所以低频线谱检测方法受到重视。现有的小平台线谱检测技术存在的主要问题是：线谱检测方法通过在某一窄带在连续一段时间内存在稳定的能量来判断线谱存在，容易把浅海环境下常见的稳定干扰判决为目标，导致虚警率较高，严重影响监测效果。因此目前缺少一种可靠的、虚警率较低的针对小平台线谱检测技术。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种矢量水听器线谱自动检测与判决方法，是能够通过幅度与方位的变化判断运动目标的存在，有效发挥水下目标线谱检测的应有效果，其检测技术可靠、虚警率低。为达到上述目的，本专利技术的技术方案包括如下步骤：获取矢量水听器接收的每一帧矢量数据，求解每一帧数量数据的平均声强谱，采用斜率门限与峰高门限从平均声强谱中提取线谱，线谱由线谱频率组成。从第2帧矢量数据开始，将每一帧矢量数据的线谱频率与之前帧矢量数据的线谱频率相比较，其中满足多普勒容限的线谱频率归为同一目标的线谱。对属于同一目标的线谱频率进行比较判断，若存在正向幅度变化以及单调方位变化，则判断目标存在，发出报警信号。进一步地，获取矢量水听器接收的每一帧矢量数据，求解每一帧数量数据的平均声强谱，采用斜率门限与峰高门限从平均声强谱中提取线谱，线谱由线谱频率组成，具体为：S0、对矢量水听器接收的一帧矢量数据包括声压p(n)、振速vx(n)、振速vy(n)，其中n＝0,…,N-1，n为采样点，N为一帧数据的长度。矢量水听器的振速轴包括x轴y轴和z轴，其中x轴和y轴为水平面上的轴、z轴为垂直方向的轴。顺次取每一帧矢量数据作为当前处理帧，执行如下步骤S1～S3：S1、把当前处理帧的N点数据分为L段，每段M点，段与段之间有重叠，重叠部分占每段设定比例如50％，则分段数为式中符号表示向下取整；当前处理帧的第l段(l＝0,1,…,L-1)数据的互功率谱为式中Pl(k)是p(n)数据第l段(l＝0,1,…,L-1)的快速傅里叶变换(FFT)结果，Vxl(k)是vx(n)数据第l段的FFT结果，Vyl(k)是vy(n)数据第l段的FFT结果。分别对L段Cxl(k)与Cyl(k)做平均，得到x轴与y轴方向的平均互功率谱为Cx(k)与Cy(k)，k为频率点；分别取Cx(k)与Cy(k)实部，得到Ix(k)与Iy(k)。S2、对当前处理帧求平均声强谱I0。S3、求平均声功率谱I0(k)的连续谱背景B(k),k＝0,1,…,M-1；求平均声功率谱I0(k)的差分得到Y(k),k＝0,1,…,M-2。对Y(k),k＝0,1,…,M-2逐点与设定的斜率门限进行比较，记录所有Y(k-1)>C0且Y(k)<-C0的点的序号ki和相应的声功率谱幅度I0(ki)，其中C0为斜率门限，为正数。取满足条件I0(ki)/B(ki)≥C1的ki，得到共K个满足条件的ki，记为序列k’0,k’1,…,k'K-1。其中C1为设定的峰高门限。k’0,k’1,…,k'K-1为当前处理帧中线谱的数字频率，转换为实际频率为：其中fs是矢量水听器所处的水声监测系统对接收信号采样频率。fj为线谱频率，j＝0,1,…,K-1，则K个组成当前处理帧的线谱。进一步地，从第2帧矢量数据开始，将每一帧矢量数据的线谱频率与之前帧矢量数据的线谱频率相比较，其中满足多普勒容限的线谱频率归为同一目标的线谱，具体为：S4、取矢量水听器接收的第2帧矢量数据，第2帧数量数据的线谱中频率数量为K2，将第2帧矢量数据得到的每个线谱频率均与第1帧的K1个频率比较，在设定多普勒容限范围内的保留并归为同一目标的线谱，剩下的作为新出现的线谱保留；设定多普勒容限为其中v为目标运动速度，c是水下声速，f是根据水听器探测目标的类型估计的线谱频率。S5、取矢量水听器接收的第3帧矢量数据，第3帧数量数据的线谱中频率数量为K3，将第3帧矢量数据得到的每个线谱频率均与第2帧的K2个频率比较，在设定多普勒容限范围内的保留并归为同一目标的线谱，剩下的作为新出现的线谱保留。S6、取矢量水听器接收的第R帧矢量数据，R＝4,5,…，长度为N点，第R帧矢量数据的线谱中频率数量为KR，把线谱频率依次与第R-1～R-p帧数据的线谱频率比较，在多普勒容限范围内的保留并归为同一目标的线谱，剩下的作为新出现的线谱保留。p为设定比较帧数量门限，当R-p-1≥1时，对R-p-1帧数据的线谱，如果在后续R-p,…,R-2,R-1,R帧未再出现，则舍弃。对于保留的线谱，记录其幅度I0(k0)，同时根据下式计算方位进一步地，对属于同一目标的线谱频率进行比较判断，若存在正向幅度变化以及单调方位变化，则判断目标存在，发出报警信号，具体为：S7、针对同一目标A的线谱，从获得第q帧线谱结果开始，在每一帧中均有目标A的线谱频率时，如果第q-8、q-7以及q-6帧中对应该目标A的幅度均值为I1，方位均值为φ1，第q-5、q-4以及q-3帧中对应该目标A幅度均值为I2，方位均值为φ2，第q-2、q-1以及q帧中对应目标A幅度均值为I3，方位均值为φ3。q至少取9。且满足如下条件：I3>I2>I1，且φ3>φ2>φ1或者φ3<φ2<φ1，则可判决目标A存在，可发出报警信号。进一步地，S7之后还包括：S8、若所有目标均不存在，则删掉第q-8帧的线谱结果，后续帧的线谱结果的帧序号依次前移。继续获取矢量水听器的下一帧数据，按照S1～S4的方法提取下一阵数据的线谱，并将该帧的线谱结果作为第q帧线谱结果。返回S7，直至能判决到存在目标为止。有益效果：本专利技术所述矢量水听器线谱自动检测与判决方法利用单个矢量水听器，采用线谱自动提取与相邻数据帧中线谱的关联性实现线谱检测，根据目标接近正横时线谱频率的幅度正向变化与方位单调变化特征，实现目标存在与否的判决，实现简单，且能有效防止传统线谱检测方法不考虑幅度与方位变化时虚警较高的缺点。附图说明图1为本专利技术提供的矢量水听器线谱自动检测与判决方法流程示意图；图2为自动提取的若干帧数据线谱时间历程；图3为目标方位变化历程；图4为目标幅度变化历程；图5为根据线谱方位与幅度变化给出判决启动信号。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术提供了一种矢量水听器线谱自动检测与判决方法，其流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种矢量水听器线谱自动检测与判决方法，其特征在于，包括如下步骤：/n获取所述矢量水听器接收的每一帧矢量数据，求解每一帧数量数据的平均声强谱，采用斜率门限与峰高门限从所述平均声强谱中提取线谱，线谱由线谱频率组成；/n从第2帧矢量数据开始，将每一帧矢量数据的线谱频率与之前帧矢量数据的线谱频率相比较，其中满足多普勒容限的线谱频率归为同一目标的线谱；/n对属于同一目标的线谱频率进行比较判断，若存在正向幅度变化以及单调方位变化，则判断目标存在，发出报警信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种矢量水听器线谱自动检测与判决方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取所述矢量水听器接收的每一帧矢量数据，求解每一帧数量数据的平均声强谱，采用斜率门限与峰高门限从所述平均声强谱中提取线谱，线谱由线谱频率组成；
从第2帧矢量数据开始，将每一帧矢量数据的线谱频率与之前帧矢量数据的线谱频率相比较，其中满足多普勒容限的线谱频率归为同一目标的线谱；
对属于同一目标的线谱频率进行比较判断，若存在正向幅度变化以及单调方位变化，则判断目标存在，发出报警信号。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述矢量水听器接收的每一帧矢量数据，求解每一帧数量数据的平均声强谱，采用斜率门限与峰高门限从所述平均声强谱中提取线谱，线谱由线谱频率组成，具体为：
S0、对所述矢量水听器接收的一帧矢量数据包括声压p(n)、振速vx(n)、振速vy(n)，其中n＝0,…,N-1，n为采样点，N为一帧数据的长度；
所述矢量水听器的振速轴包括x轴y轴和z轴，其中x轴和y轴为水平面上的轴、z轴为垂直方向的轴；
顺次取每一帧矢量数据作为当前处理帧，执行如下步骤S1～S3：
S1、把当前处理帧的N点数据分为L段，每段M点，段与段之间有重叠，重叠部分占每段设定比例，则分段数为



式中符号表示向下取整；
当前处理帧的第l段(l＝0,1,…,L-1)数据的互功率谱为
Cxl(k)＝Pl*(k)Vxl(k)
Cyl(k)＝Pl*(k)Vyl(k),k＝0,1,…,M-1
式中Pl(k)是p(n)数据第l段(l＝0,1,…,L-1)的快速傅里叶变换(FFT)结果，Vxl(k)是vx(n)数据第l段的FFT结果，Vyl(k)是vy(n)数据第l段的FFT结果。
分别对L段Cxl(k)与Cyl(k)做平均，得到x轴与y轴方向的平均互功率谱为Cx(k)与Cy(k)，k为频率点；分别取Cx(k)与Cy(k)实部，得到Ix(k)与Iy(k)；
S2、对当前处理帧求平均声强谱I0；



S3、求平均声功率谱I0(k)的连续谱背景B(k),k＝0,1,…,M-1；求平均声功率谱I0(k)的差分得到Y(k),k＝0,1,…,M-2。对Y(k),k＝0,1,…,M-2逐点与设定的斜率门限进行比较，记录所有Y(k-1)>C0且Y(k)<-C0的点的序号ki和相应的声功率谱幅度I0(ki)，其中C0为斜率门限，为正数；
取满足条件I0(ki)/B(ki)≥C1的ki，得到共K个满足条件的ki，记为序列k’0,k’1,…,k'K-1；
其中C1为设定的峰高门限；
k’0,k’1,…,k'K-1为当前处理帧中线谱的数字频率，转换为实际频率为：

【专利技术属性】
技术研发人员：陈韶华，姚海涛，汶宏刚，刘彦强，张光明，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团有限公司第七一零研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42