一种基于多帧空间谱联合处理的目标自动检测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多帧空间谱联合处理的目标自动检测方法及系统。该方法包括：采用复域压缩感知方法对拖线阵接收数据进行空间谱合成，得到每帧数据对应的空间谱；对多帧空间谱进行联合处理，实现目标方位轨迹能量的增强，以得到满足低信噪比下检测目标所需的检测阈；对空间谱累积结果进行检测阈判决处理，实现对目标的自动检测。在空间谱关联处理中，本发明专利技术将复杂的多阶段决策问题划分为一系列单阶段的简单问题，把空间谱中的信息通过方位跟踪形式完成数据关联，实现提升目标检测所需检测阈的目的，在目标方位轨迹变化较快时，基于该检测阈实现了目标自动检测，克服了对采用同方位能量累加方式实现目标在时间历程上能量累积的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多帧空间谱联合处理的目标自动检测方法及系统
本专利技术涉及声纳信号处理领域，特别涉及一种基于多帧空间谱联合处理的目标自动检测方法及系统。
技术介绍
现有的声纳系统进行目标检测与方位提取时均是有人干预的，声纳员可根据空间谱或方位历程图上目标方位的轨迹来进行目标检测，对检测阈需求较低。在无人干预情况下，要对目标实现高检测概率(检测概率>95.4％)的检测，需要检测阈DT大于6dB。在一定信噪比情况下，如果只采用单帧处理所得空间谱对目标实现检测，则检测阈小于6dB，严重影响系统的自动检测目标性能，此时需要通过多帧处理使目标能量在其时间历程上累积，提升空间谱中目标峰值与空间背景噪声均值差异。受目标和线阵相对运动影响，目标方位轨迹在时间历程上存在方位随时间变化，如果采用同方位能量累加方式实现目标在时间历程上能量累积，则能量累积效果较差，空间谱中目标峰值与空间背景噪声均值差异提升有限，且也会增加目标方位在时间历程上的宽度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术缺陷，提出一种基于多帧空间谱联合处理的目标自动检测方法及系统。为了实现上述目的，本专利技术提出了一种基于多帧空间谱联合处理的目标自动检测方法，所述方法包括：采用复域压缩感知方法对拖线阵接收数据进行空间谱合成，得到每帧数据对应的空间谱；对多帧空间谱进行联合处理，通过目标方位轨迹能量的增强以提升检测阈，得到满足低信噪比下检测目标所需的检测阈；对空间谱累积结果进行检测阈判决处理，实现对目标的自动检测。作为上述方法的一种改进，所述方法具体包括：步骤1)对阵列第l帧数据进行复解析变换，在复域构造各阵元信号复解析数据，其中，第m个阵元的复解析数据为：其中，1≤l≤L，L表示阵列总帧数，xm(t),分别为实部和虚部数据，t表示时域，j为虚部符号；步骤2)在第n个扫描角度θn上，对第m个阵元的复解析数据按进行时延补偿，得到经时延补偿后的第m个阵元的复解析数据为：其中，d为阵元间距，c为声速，n＝1,2,…N，N为扫描角度个数，m＝1,2,…M，M为阵元个数；步骤3)在复域构建经时延补偿后的协方差矩阵对主对角线元素置零，得到置零后的并对协方差矩阵步骤4)按压缩感知方式构建观测序列I＝[1,1,…,1]，构建复域感知矩阵其中，复域感知矩阵的第n个元素A(θn)为：其中，[·]T为矩阵转置；步骤5)通过求解以下凸优化问题得到空间信号稀疏系数S(θ)：步骤6)对空间信号稀疏系数S(θ)进行处理，得到阵列第l帧数据对应空间谱Pl(θ)为：Pl(θ)＝|S(θ)|2；步骤7)当l＜L，l+1，转至步骤1)，当l＝L，转至步骤8)；步骤8)令关联处理后空间谱P(θ)＝0，P(θ)＝[P(θ1),P(θ2),…,P(θN-1),P(θN)]，设置目标方位变化范围为Δθ，l从1开始，直到l＝L-1，分别读入第l帧和第l+1帧数据对应空间谱Pl(θ)和Pl+1(θ)，并进行如下关联处理：将P(θn)+max(Pl+1(θn)+Pl(θn-Δθ),Pl+1(θn)+Pl(θn-Δθ+1),…,Pl+1(θn)+Pl(θn+Δθ-1),Pl+1(θn)+Pl(θn+Δθ))赋值给新的P(θn)，θn∈θ,n＝1,2,…,N，max(·)为最大值求取函数；n＝1,2,…,N，这样得到：Pl(θ)＝[Pl(θ1),Pl(θ2),…,Pl(θN-1),Pl(θN)]，Pl+1(θ)＝[Pl+1(θ1),Pl+1(θ2),…,Pl+1(θN-1),Pl+1(θN)]；步骤9)l从1到L，由Pl(θ)得到L帧空间谱关联处理后数据P(θ)；步骤10)根据L帧空间谱关联处理后数据P(θ)得到检测指数提取dT为：其中，Pmax为空间谱最大值，θ0为空间谱最大值对应的方位，Δθ0为波束宽度，E[·]为均值求取函数，σ[·]为标准差求取函数；步骤11)根据检测指数提取dT得到相应检测阈DT为：DT＝20lg(dT)当DT≥6dB时，即可判定θ0方位即为目标方位，从而实现对目标自动检测。一种基于多帧空间谱联合处理的目标自动检测系统，所述系统包括：空间谱合成模块、空间谱联合处理模块和目标自动检测模块；其中，所述空间谱合成模块，用于采用复域压缩感知方法对拖线阵接收数据进行空间谱合成，得到每帧数据对应的空间谱；所述空间谱联合处理模块，用于对多帧空间谱进行联合处理，通过目标方位轨迹能量的增强以提升检测阈，得到满足低信噪比下检测目标所需的检测阈；所述目标自动检测模块，用于对空间谱累积结果进行检测阈判决处理，实现对目标的自动检测。作为上述系统的一种改进，所述空间谱合成模块的具体处理过程包括：对阵列第l帧数据进行复解析变换，在复域构造各阵元信号复解析数据，其中，第m个阵元的复解析数据为：其中，1≤l≤L，L表示阵列总帧数，xm(t),分别为实部和虚部数据，t表示时域，j为虚部符号；在第n个扫描角度θn上，对第m个阵元的复解析数据按进行时延补偿，得到经时延补偿后的第m个阵元的复解析数据为：其中，d为阵元间距，c为声速，n＝1,2,…N，N为扫描角度个数，m＝1,2,…M，M为阵元个数；在复域构建经时延补偿后的协方差矩阵对主对角线元素置零，得到置零后的并对协方差矩阵按压缩感知方式构建观测序列I＝[1,1,…,1]，构建复域感知矩阵其中，复域感知矩阵的第n个元素A(θn)为：其中，[·]T为矩阵转置；通过求解以下凸优化问题得到空间信号稀疏系数S(θ)：对空间信号稀疏系数S(θ)进行处理，得到阵列第l帧数据对应空间谱Pl(θ)为：Pl(θ)＝|S(θ)|2；l从1到L，从而得到每帧数据对应的空间谱。作为上述系统的一种改进，所述空间谱联合处理模块的具体处理过程包括：令关联处理后空间谱P(θ)＝0，P(θ)＝[P(θ1),P(θ2),…,P(θN-1),P(θN)]，设置目标方位变化范围为Δθ，l从1开始，直到l＝L-1，分别读入第l帧和第l+1帧数据对应空间谱Pl(θ)和Pl+1(θ)，并进行如下关联处理：将P(θn)+max(Pl+1(θn)+Pl(θn-Δθ),Pl+1(θn)+Pl(θn-Δθ+1),…,Pl+1(θn)+Pl(θn+Δθ-1),Pl+1(θn)+Pl(θn+Δθ))赋值给新的P(θn)，θn∈θ,n＝1,2,…,N，max(·)为最大值求取函数；n＝1,2,…,N，这样得到：Pl(θ)＝[Pl(θ1),Pl(θ2),…,Pl(θN-1),Pl(θN)]，Pl+1(θ)＝[Pl+1(θ1),Pl+1(θ2),…,Pl+1(θN-1),Pl+1(θN)]；l从1到L，由Pl(θ)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多帧空间谱联合处理的目标自动检测方法，所述方法包括：/n采用复域压缩感知方法对拖线阵接收数据进行空间谱合成，得到每帧数据对应的空间谱；/n对多帧空间谱进行联合处理，通过目标方位轨迹能量的增强以提升检测阈，得到满足低信噪比下检测目标所需的检测阈；/n对空间谱累积结果进行检测阈判决处理，实现对目标的自动检测。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多帧空间谱联合处理的目标自动检测方法，所述方法包括：
采用复域压缩感知方法对拖线阵接收数据进行空间谱合成，得到每帧数据对应的空间谱；
对多帧空间谱进行联合处理，通过目标方位轨迹能量的增强以提升检测阈，得到满足低信噪比下检测目标所需的检测阈；
对空间谱累积结果进行检测阈判决处理，实现对目标的自动检测。


2.根据权利要求1所述的一种基于多帧空间谱联合处理的目标自动检测方法，其特征在于，所述方法具体包括：
步骤1)对阵列第l帧数据进行复解析变换，在复域构造各阵元信号复解析数据，其中，第m个阵元的复解析数据为：



其中，1≤l≤L，L表示阵列总帧数，xm(t),分别为实部和虚部数据，t表示时域，j为虚部符号；
步骤2)在第n个扫描角度θn上，对第m个阵元的复解析数据按进行时延补偿，得到经时延补偿后的第m个阵元的复解析数据为：



其中，d为阵元间距，c为声速，n＝1,2,…N，N为扫描角度个数，m＝1,2,…M，M为阵元个数；
步骤3)在复域构建经时延补偿后的协方差矩阵对主对角线元素置零，得到置零后的并对协方差矩阵
步骤4)按压缩感知方式构建观测序列I＝[1,1,…,1]，构建复域感知矩阵其中，复域感知矩阵的第n个元素A(θn)为：



其中，[·]T为矩阵转置；
步骤5)通过求解以下凸优化问题得到空间信号稀疏系数S(θ)：



步骤6)对空间信号稀疏系数S(θ)进行处理，得到阵列第l帧数据对应空间谱Pl(θ)为：
Pl(θ)＝|S(θ)|2；
步骤7)当l＜L，l+1，转至步骤1)，当l＝L，转至步骤8)；
步骤8)令关联处理后空间谱P(θ)＝0，P(θ)＝[P(θ1),P(θ2),…,P(θN-1),P(θN)]，设置目标方位变化范围为Δθ，l从1开始，直到l＝L-1，分别读入第l帧和第l+1帧数据对应空间谱Pl(θ)和Pl+1(θ)，并进行如下关联处理：
将P(θn)+max(Pl+1(θn)+Pl(θn-Δθ),Pl+1(θn)+Pl(θn-Δθ+1),…,Pl+1(θn)+Pl(θn+Δθ-1),Pl+1(θn)+Pl(θn+Δθ))赋值给新的P(θn)，θn∈θ,n＝1,2,…,N，max(·)为最大值求取函数；n＝1,2,…,N，这样得到：
Pl(θ)＝[Pl(θ1),Pl(θ2),…,Pl(θN-1),Pl(θN)]，
Pl+1(θ)＝[Pl+1(θ1),Pl+1(θ2),…,Pl+1(θN-1),Pl+1(θN)]；
步骤9)l从1到L，由Pl(θ)得到L帧空间谱关联处理后数据P(θ)；
步骤10)根据L帧空间谱关联处理后数据P(θ)得到检测指数提取dT为：



其中，Pmax为空间谱最大值，θ0为空间谱最大值对应的方位，Δθ0为波束宽度，E[·]为均值求取函数，σ[·]为标准差求取函数；
步骤11)根据检测指数提取dT得到相应检测阈DT为：
DT＝20lg(dT)
当DT≥6dB时，即可判定θ0方位即为目标方位，从而实现对目标自动检测。


3.一种基于多帧空间谱联合处理的目标自动检测系统，其特征在于，所述系统包括：空间谱合成模块、空间谱联合处理模块和目标自动检测模块；其中，
所述空间谱合成模块，...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑恩明，陈新华，
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