本发明专利技术针对双基地成像声呐系统中强直达波干扰导致的探测盲区问题，提出了一种基于分数阶傅里叶变换域的窄带滤波方法。利用线性调频信号在其最佳变换阶次的分数阶傅里叶变换域表现为一个冲激的特性，对阵元域信号进行最佳阶次的分数阶傅里叶变换，分离直达波与回波，然后在分数阶变换域消除直达波，最后利用分数阶傅里叶反变换重构海底前向散射时域信号。进一步对分数阶滤波处理过的信号进行声成像处理，最终得到经直达波抑制后的声成像结果。与传统双基地声呐成像相比，该方法可以有效抑制直达波，减小双基地声成像图中的直达波掩蔽区域，改善了传统双基地声呐成像中由直达波带来的探测盲区问题。波带来的探测盲区问题。波带来的探测盲区问题。
【技术实现步骤摘要】
一种基于分数阶傅里叶变换的双基地声呐直达波抑制方法
[0001]本专利技术涉及一种基于分数阶傅里叶变换的双基地声呐直达波抑制方法，适用于海底测绘、海底目标探测领域，属于声呐成像领域。
技术介绍
[0002]目前针对海底地形地貌测量通常采用收发共置的单基地声呐，如多波束测深声呐、侧扫声呐和地质层析仪。它们通过接受海底反向散射信号，获取海底地形地貌声学图像，探测距离和范围有限，针对大范围海底地形地貌测量时效率不足，耗时费力。在这样的背景下，双基地声呐系统利用能量更强的前向散射信号，在声呐作用距离和抗干扰能力上有显著提高(Edwards J R,Schmidt H,Lepage K D.Bistatic synthetic aperture target detection and imaging with an AUV[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,2001,26(4):690
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699.)。张婷等人在“大范围海底地貌遥测的双基地声学成像方法”(浙江省：CN110456361A,2019
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15.)提出的双基地地貌成像系统，发射端为位置固定的垂直发射阵，垂直阵控制发射指向角照亮预定海底区域，同时一个移动的水平接收阵以发射阵为中心按预定路线走航接收海底前向散射信号，对散射信号进行声成像后处理得到海底散射强度分布图。但在双基地声呐成像系统中，以发射端和接收端为焦点的一个椭圆直达波掩蔽区域内，直达波信号幅度远大于目标或海底散射信号幅度，这会造成直达声区的海底散射回波被直达波淹没的现象，从而严重影响双基地声呐成像质量,无法真实反应海底地貌特征，存在双基地成像声呐的探测盲区。
技术实现思路
[0003]要解决的技术问题
[0004]为了克服现有双基地成像声呐系统中直达波探测盲区问题，本专利技术提出一种基于分数阶傅里叶变换的双基地直达波抑制方法。
[0005]技术方案
[0006]一种基于分数阶傅里叶变换的双基地声呐直达波抑制方法，其特征在于步骤如下：
[0007]步骤1：根据发射端和接收端分置的应用场景进行声呐回波建模；发射信号采用线性调频信号，将海底待探测区域划分为k个矩形网格，根据射线理论，设声源位于(0,z0)，则该声源激发的声波在位于(r
t
,z)处散射体的声压可表示为
[0008][0009]其中r
t
为散射体的水平位置，z为海深，N为入射声线总数，A
n
(s)为第n条声线的幅度，为声线束幅度的函数，ω为发射声源角频率，τ
n
(s)为声线从声源到散射点的传播时间，s为声线传播的路程；
[0010]根据互易原理，距离声源水平距离为r的水听器接收到单位面积上散射体对应的
散射声压可以表示为
[0011][0012]式中，N和M分别为入射和出射声线总条数，p
inc,n
为入射声波传递函数，p
scatt,m
为出射声波传递函数，r
n
为第n条声线从声源到散射体的水平距离，r
m
为第m条声线从散射体到接收端的水平距离；g(a
inc,n
,a
scatt,m
,θ)为三维散射函数，表示平面波作用下单位面积海底散射的平面波幅值，a
inc,n
和a
scatt,m
分别表示声线入射掠射角出射掠射角，θ为出射方位角；
[0013]通过遍历待成像区域内所有需要计算的海底散射点，来得到接收端水听器在时域上对所有散射声波的叠加，最终获得收发分置时域海底散射信号；设发射信号为S(t)，在不考虑干扰因素的情况下，接收端第L个阵元回波信号可表示为：
[0014][0015]式中，K为划分的海底网格个数，τ
n
为第n条声线从声源到散射体的传播时间，τ
m
为第m条声线从散射体到接收端的传播时间，θ
k
为第k个网格声线在接收阵的入射角度，d为阵元间距，f
d
为接收阵平台与海底散射体的相对运动引起的多普勒频移量，为海底散射体散射信号的随机相位扰动；
[0016]步骤2：利用分数阶傅里叶变换在u域消除直达波；
[0017]子步骤一：根据α＝
‑
arccotk计算最佳FrFT变换阶次p
opt
＝2α
opt
/π，其中k为LFM信号的调频斜率；
[0018]子步骤二：对单通道接收信号作p
opt
阶FrFT，得到接收信号在u域的一系列冲激信号，其中最大峰值点u0对应直达波位置；
[0019]对于信号X
l
(t)，它的分数阶傅里叶变换可定义为
[0020][0021]其中p为分数阶傅里叶变换的阶数，α＝pπ/2为变换角度，K
p
(t,u)为FrFT的核函数：
[0022][0023]子步骤三：对变换后的信号在u域对u0‑
Δu之后的区间置零；
[0024]子步骤四：对子步骤三处理后的信号进行阶次为
‑
p
opt
的分数阶傅里叶变换，得到直达波抑制后的单通道时域信号为
[0025][0026]步骤3：接收信号共K个阵元，对K个阵元信号重复步骤2；
[0027]步骤4：经上述步骤处理得到直达波抑制后的阵元信号，做波束形成处理，估计海
底散射信号的波达角度；对各角度波束输出信号做匹配滤波处理，估计海底散射信号的到达时延；
[0028]步骤5：采用成像算法进行海底地貌成像，得到直达波抑制后的海底散射强度分布图。
[0029]一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。
[0030]一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。
[0031]有益效果
[0032]本专利技术提供的一种基于分数阶傅里叶变换的双基地直达波抑制方法，利用线性调频信号在其最佳变换阶次的分数阶傅里叶变换域表现为一个冲激的特性，对阵元域信号进行最佳阶次的分数阶傅里叶变换，分离直达波与回波，然后在分数阶变换域消除直达波，最后利用分数阶傅里叶反变换重构海底前向散射时域信号。进一步对分数阶滤波处理过的信号进行声成像处理，最终得到经直达波抑制后的声成像结果。与传统双基地声呐成像相比，该方法可以有效抑制直达波，减小双基地声成像图中的直达波掩蔽区域，改善了传统双基地声呐成像中由直达波带来的探测盲区问题。有益效果体现在：
[0033]1.固定垂直发射阵—移动接收水平阵组成的双基地模式，克服传统单基地声成像模式中探测距离本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于分数阶傅里叶变换的双基地声呐直达波抑制方法，其特征在于步骤如下：步骤1：根据发射端和接收端分置的应用场景进行声呐回波建模；发射信号采用线性调频信号，将海底待探测区域划分为k个矩形网格，根据射线理论，设声源位于(0,z0)，则该声源激发的声波在位于(r
t
,z)处散射体的声压可表示为其中r
t
为散射体的水平位置，z为海深，N为入射声线总数，A
n
(s)为第n条声线的幅度，为声线束幅度的函数，ω为发射声源角频率，τ
n
(s)为声线从声源到散射点的传播时间，s为声线传播的路程；根据互易原理，距离声源水平距离为r的水听器接收到单位面积上散射体对应的散射声压可以表示为式中，N和M分别为入射和出射声线总条数，p
inc,n
为入射声波传递函数，p
scatt,m
为出射声波传递函数，r
n
为第n条声线从声源到散射体的水平距离，r
m
为第m条声线从散射体到接收端的水平距离；g(a
inc,n
,a
scatt,m
,θ)为三维散射函数，表示平面波作用下单位面积海底散射的平面波幅值，a
inc,n
和a
scatt,m
分别表示声线入射掠射角出射掠射角，θ为出射方位角；通过遍历待成像区域内所有需要计算的海底散射点，来得到接收端水听器在时域上对所有散射声波的叠加，最终获得收发分置时域海底散射信号；设发射信号为S(t)，在不考虑干扰因素的情况下，接收端第L个阵元回波信号可表示为：式中，K为划分的海底网格个数，τ
n
为第n条声线从声源到散射体的传播时间，τ
m
为第m条声线从散射体到接收端的传播...
【专利技术属性】
技术研发人员：卓颉，石路，苏照华，孙超，侯香宇，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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