一种自适应水下目标声学测速装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种自适应水下目标声学测速装置及方法，包括线谱多频段估计模块，自适应降噪模块，频谱细化模块，频谱校正模块，多普勒频移计算模块，水下目标参数计算模块，分批解算模块。本发明专利技术的装置及方法能够提高水下目标声学测速的自适应性能、频谱分辨精度和实时性。对于以任意频率采样所得的输入信号均能输出频谱分辨率为0.01Hz的频谱图，极大提高了通用性与适应性；可自动对目标进行分批处理，将输出结果中速度相同而频率不同的信号来源划分为同一集合，提高了对水下航行器的分辨能力及抗干扰能力。及抗干扰能力。及抗干扰能力。

【技术实现步骤摘要】
一种自适应水下目标声学测速装置及方法


[0001]本专利技术涉及海洋测量
，特别是涉及一种自适应水下目标声学测速装置及方法。

技术介绍

[0002]声波是目前唯一能在海洋中远距离传播的信息载体，也是水下探测所依赖的媒介。因此，水声探测技术逐步成为了世界各国研究和开发的重点。该技术通过对被动接受的水声辐射信号进行运算处理来获得水下目标的运动参数，如速度、加速度等。而后可以对水下目标的运动参数进行估计，得到关于目标的运动分析结果，并对目标的运动轨迹进行拟合跟踪。低频段水声被动监测技术相较于其他水声探测技术具有：依托于水听器的被动式监测方法相较于传统的主动式监测方法，具有隐蔽性好，适应性强等特点。
[0003]针对水下航行器难以消除的低频段上的辐射噪声进行过滤提取，有效性与针对性更强。
[0004]虽然现有的低频段水声被动监测技术对比以往水声探测技术有一定优势，但是相较于计算机技术以及水下航行器技术的充分发展，现有的被动水声探测技术仍存在反应时间长，自动化程度低，通用性弱等缺点。不同于实验室的理想环境，在实际环境中，过长的反应时间会给水下目标更大的逃逸可能。同时现代技术发展的方向也在朝着自动化、标准化前进。故提出一种可解决自适应性能、频谱分辨精度、实时性等方面问题的方法迫在眉睫。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于针对自适应性能、频谱分辨精度、实时性等方面问题，通过对单通道采集信号进行自适应解算，提出一种自适应水下目标声学测速方法及装置。该方法以水听器的输出信号为输入，对信号进行降噪处理，从中提取出包含目标信号噪源的多个频段，并进行频谱细化，得到统一的高精度频谱；最后利用多普勒频移计算公式、速度计算公式、加速度计算公式、分批解算方法等解算出水下目标的相对径向速度、加速度、分批结果等目标参数。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供一种自适应水下目标声学测速装置，所述装置包括线谱多频段估计模块、自适应降噪模块、频谱细化模块、频谱校正模块、多普勒频移计算模块、水下目标参数计算模块和分批解算模块；其中，所述线谱多频段估计模块，用于接收原始输入信号并将包含目标辐射噪声的频段选取出来；所述自适应降噪模块，用于接收原始输入信号并自适应地进行降噪处理；所述频谱细化模块，用于接收目标频段选取结果与降噪后的信号；所述频谱校正模块，用于接收频谱细化后输出的信号，并将校正后的频谱信号并输出；
所述多普勒频移计算模块，用于接收频谱校正模块输出的信号，对该信号进行自适应的平滑处理，最后将频偏公式带入平滑后的多普勒频移曲线，计算出多普勒频偏并输出；所述水下目标参数计算模块，用于接收目标信号的多普勒频移，根据速度和加速度计算公式计算并输出目标的速度和加速度；所述分批解算模块，用于接收目标信号的速度，根据不同信号源的速度，将同一速度不同频率的信号源划分为同一目标，输出分批结果。
[0007]进一步，所述线谱多频段估计模块输入为WAV格式原始信号，输出与频谱细化模块相连接；所述自适应降噪模块输入为WAV格式原始信号，输出与频谱细化模块输入相连接；所述频谱细化模块输出与频谱校正模块输入相连接；所述频谱校正模块输出与多普勒频移计算模块输入相连接；所述多普勒频移计算模块输出与水下目标参数计算模块输入相连接；所述水下目标参数计算模块输出为水下目标的速度、加速度并与分批解算模块输入相连接。
[0008]进一步，所述线谱多频段估计模块将原始信号通过STFT后得到时频图，并采用自适应的能量门限，得到一系列线谱频率值，利用多普勒频移计算公式拓宽其上下限，得到一系列的第一频段集合；再取时频图作时域积分，并采用自适应的能量门限，得到一系列的线谱频率值，利用多普勒频移计算公式拓宽其上下限，得到一系列的第二频段集合；取第一频段集合和第二频段集合的频段交集作为目标频段选取结果输出。
[0009]进一步，自适应降噪模块先将原始信号通过截止频率为100Hz的高通滤波器，再利用变分模态分解的方法、小波阈值的方法或时域积分降噪的方法对信号进行降噪处理，过滤掉加性噪声后输出。
[0010]进一步，频谱细化模块用于接收目标频段选取结果与降噪后的信号，以目标频段选取结果作为上下限，将降噪后的信号通过Chirp
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Z变换进行频谱细分或对降噪后的信号选用ZOOM
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FFT进行频谱细化，输出频谱精度为0.01Hz的频谱，且对于任意频率的采集信号均能输出频谱精度为0.01Hz的信号。
[0011]进一步，频谱校正模块用于接收频谱细化后输出的信号，并依次找出该信号中各频段的功率峰值点作为中心频率点，将中心频率点左右0.5Hz范围内的频段选取出来，作为校正后的频谱信号并输出。
[0012]进一步，多普勒频移计算模块用于接收频谱校正模块输出的信号，对该信号进行自适应的平滑处理，最后将频偏公式带入平滑后的多普勒频移曲线，计算出多普勒频偏并输出。
[0013]另一方面，本专利技术提供一种自适应水下目标声学测速方法，所述方法包括以下步骤：S1. 接收WAV格式的原始信号，输入到线谱多频段估计模块中，输出目标频段选取结果；S2. 将原始信号输入到自适应降噪模块中，输出降噪后的信号；S3. 将目标频段选取结果与降噪后的信号输入到频谱细化模块中，输出细化后的时频谱；S4. 将细化后的频谱图输入到频谱校正模块，输出频谱校正后的时频图；
S5. 将频谱校正后的时频图输入到多普勒频移计算模块，输出多普勒频移曲线图；S6. 将多普勒频移曲线图输入到水下目标参数计算模块，输出水下目标的速度和加速度；S7. 根据水下目标的速度解算出分批情况，输出分批结果。
[0014]进一步，步骤S1中，还包括以下子步骤：S11. 接收由水听器输出的WAV格式的信号，是一段包含目标辐射噪声在内的时域信号;S12. 线谱多频段估计模块对接收的信号进行STFT处理，处理完成后保存处理结果，其中STFT的变换公式为：式中为原始信号，为窗函数，随着的变化在时间轴上平移；S13. 将时频图上每一时刻的的频率进行叠加，得到叠加后的频谱，并将该频谱的峰值作为门限，筛选得到一系列的第一频率值集合；S14. 按照频段选取公式对第一频率值集合进行排序分组，将同一组的频率极值作为该频段的上下限，得到一系列的第一频段集合；频段选取公式为：多普勒频移公式：式中为频段内的频率值，为中心频率，为当前时刻目标的运动速度，为目标与声纳夹角，为声速；得到的每一个频段的频率上限为，频率下限为；根据多普勒频移计算公式，取中心频率为，拓宽频段下界，取中心频率为，拓宽频段上界；S15. 将原始的时频图频谱的峰值作为门限，对原始的时频图进行滤波处理，得到一系列的第二频率值集合；S16. 按照频段选取公式对第二频率值集合进行排序分组，将同一组的频率极值作为该频段的上下限，得到一系列的第二频段集合；S17. 取第一频段集合与第二频段集合的交集作为最终的目标频段。
[0015]进一步，步骤S3中，对降噪后的频谱图进行Chirp
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自适应水下目标声学测速装置，其特征在于，所述装置包括线谱多频段估计模块、自适应降噪模块、频谱细化模块、频谱校正模块、多普勒频移计算模块、水下目标参数计算模块和分批解算模块；其中，所述线谱多频段估计模块，用于接收原始输入信号并选取包含目标辐射噪声线谱成分的频段；所述自适应降噪模块，用于接收原始输入信号并自适应地进行降噪处理；所述频谱细化模块，用于接收目标频段选取结果与降噪后的信号；所述频谱校正模块，用于接收频谱细化后输出的信号，并输出校正后的频谱信号；所述多普勒频移计算模块，用于接收频谱校正模块输出的信号，对该信号进行自适应的平滑处理，同时将频偏公式带入平滑后的多普勒频移曲线，计算出多普勒频偏并输出；所述水下目标参数计算模块，用于接收目标信号的多普勒频移，根据速度和加速度计算公式计算并输出目标的速度和加速度；所述分批解算模块，用于接收目标信号的速度，根据不同信号源的速度，将同一速度不同频率的信号源划分为同一目标，输出分批结果。2.根据权利要求1所述的自适应水下目标声学测速装置，其特征在于，所述线谱多频段估计模块输入为WAV格式原始信号，输出与频谱细化模块相连接；所述自适应降噪模块输入为WAV格式原始信号，输出与频谱细化模块输入相连接；所述频谱细化模块输出与频谱校正模块输入相连接；所述频谱校正模块输出与多普勒频移计算模块输入相连接；所述多普勒频移计算模块输出与水下目标参数计算模块输入相连接；所述水下目标参数计算模块输出为水下目标的速度、加速度并与分批解算模块输入相连接。3.根据权利要求1或2所述的自适应水下目标声学测速装置，其特征在于，所述线谱多频段估计模块将原始信号通过STFT后得到时频图，并采用自适应能量门限，得到一系列线谱频率值，利用多普勒频移计算公式拓宽其上下限，得到一系列的第一频段集合；再取时频图作时域积分，并采用自适应的能量门限，得到一系列的线谱频率值，利用多普勒频移计算公式拓宽其上下限，得到一系列的第二频段集合；取第一频段集合和第二频段集合的频段交集作为目标频段选取结果输出。4.根据权利要求3所述的自适应水下目标声学测速装置，其特征在于，自适应降噪模块先将原始信号通过截止频率为100Hz的高通滤波器，再利用变分模态分解的方法、小波阈值的方法或时域积分降噪的方法对信号进行降噪处理，过滤掉加性噪声后输出。5.根据权利要求4所述的自适应水下目标声学测速装置，其特征在于，频谱细化模块用于接收目标频段选取结果与降噪后的信号，以目标频段选取结果作为上下限，将降噪后的信号通过Chirp
‑
Z变换进行频谱细分或对降噪后的信号选用ZOOM
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FFT进行频谱细化，输出频谱精度为0.01Hz的频谱，且对于任意频率的采集信号均能输出频谱精度为0.01Hz的信号。6.根据权利要求5所述的自适应水下目标声学测速装置，其特征在于，频谱校正模块用于接收频谱细化后输出的信号，并依次找出该信号中各频段的功率峰值点作为中心频率点，选取出中心频率点左右0.5Hz范围内的频...

【专利技术属性】
技术研发人员：于化鹏，方宇晨，贺钦源，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：