水下目标微弱回波亮点增强检测方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种水下目标微弱回波亮点增强检测方法及系统，包括：步骤S1：声纳系统接收微弱的目标回波信号时域波形；步骤S2：采用频移变尺度随机共振方法增强微弱的目标回波信号；步骤S3：构建微弱目标回波亮点增强检测指标，基于构建的微弱目标回波亮点增强检测指标实现水下目标微弱回波亮点的增强检测。本发明专利技术能够有效检测低信噪比下的水下目标微弱回波亮点，准确定位目标回波所在位置，抗噪声干扰性能优越，鲁棒性好。鲁棒性好。鲁棒性好。

【技术实现步骤摘要】
水下目标微弱回波亮点增强检测方法及系统


[0001]本专利技术涉及主动声呐探测水下目标的回波信号检测领域，具体地，涉及水下目标微弱回波亮点增强检测方法及系统。

技术介绍

[0002]主动声呐是目前水下目标探测的主要手段，在水下安全防御与海洋资源开发方面应用广泛。主动声呐探测水下目标时，由于目标强度小、双程传播损失大，且受到复杂海洋环境噪声与混响干扰的影响，声呐接收的目标回波信号往往比较微弱，信噪比较低，容易被噪声淹没，使得水下目标回波亮点难以检测，这严重制约了主动声呐对水下目标的探测性能。
[0003]传统的微弱目标回波亮点检测方法大多适用于较高信噪比下的目标检测，例如经典的匹配滤波算法，当目标回波信号十分微弱、信噪比很低时，匹配滤波算法容易发生失配问题，导致杂波亮点干扰众多，无法有效检测出隐藏在背景噪声中的微弱目标回波亮点。此外，对于低信噪比下的微弱目标回波检测问题，现有方法大多需要长时间的信号积累，以此获得一定时间处理增益，提高输出信噪比。但是，信号积累方法需要长时间采集信号数据，当信号积累时间较短或者检测高速机动目标时无法适用。
[0004]针对低信噪比下的微弱目标回波亮点检测问题，需要结合微弱信号检测方法，增强微弱的目标回波信号。在微弱信号检测方面，随机共振理论可以有效增强低信噪比下的微弱周期信号。但是，在低信噪比下，仅靠随机共振增强的微弱目标回波信号进行亮点检测，仍在存在较多背景噪声干扰，对微弱目标回波的检测能力有限，难以直观发现微弱目标回波亮点的位置。因此，发展低信噪比下的微弱目标回波亮点增强检测方法，构建微弱目标回波亮点增强检测指标，同时有效抑制背景噪声与杂波亮点干扰，准确定位目标回波亮点所在位置，对于提升水下目标的主动探测性能具有重要意义。
[0005]现有技术所存在的缺陷如下：
[0006]1)当目标回波信号十分微弱、信噪比很低时，现有算法容易发生失配问题或者需要长时间信号积累，检测结果包含众多杂波亮点干扰，无法有效检测出隐藏在背景噪声中的微弱目标回波亮点。
[0007]2)现有的微弱目标回波检测算法对噪声抑制能力不足，微弱目标亮点集中性不明显，检测效果不直观。

技术实现思路

[0008]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种水下目标微弱回波亮点增强检测方法及系统。
[0009]根据本专利技术提供的一种水下目标微弱回波亮点增强检测方法，包括：
[0010]步骤S1：声纳系统接收微弱的目标回波信号时域波形；
[0011]步骤S2：采用频移变尺度随机共振方法增强微弱的目标回波信号；
[0012]步骤S3：构建微弱目标回波亮点增强检测指标，基于构建的微弱目标回波亮点增强检测指标实现水下目标微弱回波亮点的增强检测。
[0013]优选地，所述步骤S1采用：利用主动声呐向水下目标所在方位发射一定频率的探测信号，水下目标产生微弱的目标回波，声呐接收阵接收到回波信号，并采用波束形成算法获得目标方位的回波信号时域波形。
[0014]优选地，所述步骤S2采用：将微弱的目标回波信号进行下变频和尺度变换处理得到低频信号，并将低频信号输入到随机共振系统进行增强，然后对随机共振系统输出的微弱回波信号进行尺度恢复和上变频处理，获得随机共振增强的微弱目标回波信号。
[0015]优选地，所述步骤S2采用：
[0016]所述下变频处理：
[0017]x
c
(t)＝x(t)
·
υ
c
(t)
ꢀꢀ
(15)
[0018]其中，x
c
(t)表示下变频后输出的时域信号波形；x(t)表示输入的微弱回波信号时域波形；υ
c
(t)＝cos(2πf
c
t)表示混频器的本振信号；f
c
表示混频器的本振频率，t为采样时间；下变频后对x
c
(t)进行低通滤波，保留差频信号部分；
[0019]所述尺度变换处理是将信号波形进行时域扩展：
[0020]x
R
(t)＝x
c
(t/R)
ꢀꢀ
(16)
[0021]其中，x
R
(t)表示尺度变换后的时域信号波形，R表示尺度变换因子；
[0022]所述随机共振系统：
[0023][0024]其中，y(t)表示随机共振输出的回波信号时域波形；a和b为随机共振系统参数；
[0025]所述尺度恢复处理为尺度变换的逆变换：
[0026]y
R
(t)＝y(t
·
R)
ꢀꢀ
(17)
[0027]其中，y
R
(t)为恢复尺度的回波信号，R为相同的尺度变换因子；
[0028]所述上变频是将低频回波信号恢复到原始频率：
[0029][0030]其中，表示经过频移变尺度随机共振增强的微弱目标回波信号，υ
c
(t)表示相同的混频器；完成后对进行高通滤波，去掉低频成分。
[0031]优选地，所述步骤S3采用：基于随机共振和谱峭度的微弱目标回波亮点增强检测指标，该指标定义为：
[0032][0033]P
x
＝|F{x(t)}|2ꢀꢀ
(19)
[0034][0035][0036]其中，P
x
和分别表示输入微弱回波信号和输出微弱回波信号的功率谱；F{
·
}表示傅里叶变换；SK表示输出微弱回波信号功率谱的谱峭度；N
B
表示目标回波频率所在带宽B内的采样点数，为带宽B内功率谱的平均值；β为指数参数，具有增强微弱目标回波亮点集中性的能力，且值越大，集中性越强。
[0037]根据本专利技术提供的一种水下目标微弱回波亮点增强检测系统，包括：
[0038]模块M1：声纳系统接收微弱的目标回波信号时域波形；
[0039]模块M2：采用频移变尺度随机共振方法增强微弱的目标回波信号；
[0040]模块M3：构建微弱目标回波亮点增强检测指标，基于构建的微弱目标回波亮点增强检测指标实现水下目标微弱回波亮点的增强检测。
[0041]优选地，所述模块M1采用：利用主动声呐向水下目标所在方位发射一定频率的探测信号，水下目标产生微弱的目标回波，声呐接收阵接收到回波信号，并采用波束形成算法获得目标方位的回波信号时域波形。
[0042]优选地，所述模块M2采用：将微弱的目标回波信号进行下变频和尺度变换处理得到低频信号，并将低频信号输入到随机共振系统进行增强，然后对随机共振系统输出的微弱回波信号进行尺度恢复和上变频处理，获得随机共振增强的微弱目标回波信号。
[0043]优选地，所述模块M2采用：
[0044]所述下变频处理：
[0045]x
c
(t)＝x(t)
·
υ
c
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下目标微弱回波亮点增强检测方法，其特征在于，包括：步骤S1：声纳系统接收微弱的目标回波信号时域波形；步骤S2：采用频移变尺度随机共振方法增强微弱的目标回波信号；步骤S3：构建微弱目标回波亮点增强检测指标，基于构建的微弱目标回波亮点增强检测指标实现水下目标微弱回波亮点的增强检测。2.根据权利要求1所述的水下目标微弱回波亮点增强检测方法，其特征在于，所述步骤S1采用：利用主动声呐向水下目标所在方位发射一定频率的探测信号，水下目标产生微弱的目标回波，声呐接收阵接收到回波信号，并采用波束形成算法获得目标方位的回波信号时域波形。3.根据权利要求1所述的水下目标微弱回波亮点增强检测方法，其特征在于，所述步骤S2采用：将微弱的目标回波信号进行下变频和尺度变换处理得到低频信号，并将低频信号输入到随机共振系统进行增强，然后对随机共振系统输出的微弱回波信号进行尺度恢复和上变频处理，获得随机共振增强的微弱目标回波信号。4.根据权利要求3所述的水下目标微弱回波亮点增强检测方法，其特征在于，所述步骤S2采用：所述下变频处理：x
c
(t)＝x(t)
·
υ
c
(t)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，x
c
(t)表示下变频后输出的时域信号波形；x(t)表示输入的微弱回波信号时域波形；υ
c
(t)＝cos(2πf
c
t)表示混频器的本振信号；f
c
表示混频器的本振频率，t为采样时间；下变频后对x
c
(t)进行低通滤波，保留差频信号部分；所述尺度变换处理是将信号波形进行时域扩展：x
R
(t)＝x
c
(t/R)
ꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，x
R
(t)表示尺度变换后的时域信号波形，R表示尺度变换因子；所述随机共振系统：其中，y(t)表示随机共振输出的回波信号时域波形；a和b为随机共振系统参数；所述尺度恢复处理为尺度变换的逆变换：y
R
(t)＝y(t
·
R)(3)其中，y
R
(t)为恢复尺度的回波信号，R为相同的尺度变换因子；所述上变频是将低频回波信号恢复到原始频率：其中，表示经过频移变尺度随机共振增强的微弱目标回波信号，υ
c
(t)表示相同的混频器；完成后对进行高通滤波，去掉低频成分。5.根据权利要求1所述的水下目标微弱回波亮点增强检测方法，其特征在于，所述步骤S3采用：基于随机共振和谱峭度的微弱目标回波亮点增强检测指标，该指标定义为：
P
x
＝F{x(t)}2(5)(5)其中，P
x
和分别表示输入微弱回波信号和输出微弱回波信号的功率谱；F{
·
}表示傅里叶变换；SK表示输出微弱回波信号功率谱的谱峭度；N
B
表示目标回波频率所在带宽B内的采样点数，为带宽B内功率谱的平均值；β为指数参数，具有增强微弱目标回波亮点集中性的能力，且值越大，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘振，杜选民，孙纯，周胜增，孙德龙，
申请(专利权)人：上海船舶电子设备研究所中国船舶集团有限公司第七二六研究所，
类型：发明
国别省市：