基于COSTAS波形的主动声呐处理方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于COSTAS波形的主动声呐处理方法及系统，通过频率间隔以及频率跳变个数实现COSTAS波形信号的生成；基于导向向量以及快速傅里叶变换实现频域波束形成，提升接收信号信噪比，同时增加方位信息；通过最大频率模值选取以及噪声估计，实现归一化匹配滤波；通过近似相干加权融合，获得方位历程图。本发明专利技术能够有效克服信道频率选择性衰落，明显提升信号检测性能。同时，本发明专利技术充分利用了各个频率中的相干成分，并结合基于信噪比加权的融合方法，有效地提升了方位历程图下的回波增益，提高了探测的准确性与可靠性。提高了探测的准确性与可靠性。提高了探测的准确性与可靠性。

【技术实现步骤摘要】
基于COSTAS波形的主动声呐处理方法及系统


[0001]本专利技术涉及水声信号生成与处理领域，特别是一种基于COSTAS波形的主动声呐处理方法及系统。

技术介绍

[0002]主动声呐通过回波定位的方式来对目标进行探测，从而实现对水下目标的检测和定位。其中，水声信道作为声信号的传输通道，结构复杂、影响因素诸多：传播速度低、传输损耗随频率增加、海洋噪声高等因素都是水声信道的不利条件，同时水声信道还具有时变性强、多径传播复杂等特点(M.Stojanovic and J.Preisig,"Underwater acoustic communication channels:Pro
‑
pagation models and statistical characterization,"in IEEE Communications Magazine,vol.47,no.1,pp.84
‑
89,January 2009.)。当声波通过水声信道后，将发生严重的信号畸变，不利于对探测回波的后续处理。其中，最为明显的现象是频率选择性衰落和时间选择性衰落，这些现象进一步加重了信号的畸变程度，对探测接收信号处理提出了更高要求。
[0003]传统的主动声呐普遍采用单频波进行探测，结合窄带滤波、快速傅里叶变换和脉冲压缩技术进行回波处理。近些年，一些新型的主动声呐信号相继出现，如线性调频信号(Line Frequency Modulation,LFM)、双曲调频信号(Hyperbolic Frequency Modulation,HFM)、编码调相脉冲(Pulse Code Modulation,PCM)、伪随机信号(Pseudo
‑
Random,PR)、脉间调制信号(Interpulse Modulated signal,IM)、复合信号等。这些信号各具特点，但信号的各项性能之间通常是相互矛盾的，比如速度估计能力与时延估计能力之间；测量精度、不同目标分辨能力与多值性模糊之间(张瑶.浅海条件下主动声呐目标探测若干方法研究[D].哈尔滨工程大学,2013.)。在远距离目标探测中，速度、分辨率一般不是首要目标，检测出回波才是主要目标，因此亟需一种能够在时变、频率选择性衰落的水声信道下适用的主动声呐信号以及相关的处理方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于COSTAS波形的主动声呐处理方法及系统，提升传统COSTAS(科斯塔斯波形)处理波形的增益。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于COSTAS波形的主动声呐处理方法，包括以下步骤：
[0006]S1、对接收阵列的多通道数据进行波束形成，采用频域波束形成方法获取频域波束形成结果，结合导向向量，实现单一波束方向的波束形成，通过对导向向量修改，实现对其他方向的波束形成；
[0007]S2、选择波束形成后的最大谱线，得到匹配滤波结果；
[0008]S3、将单一方向、单一跳频、单一快拍的匹配滤波结果除以噪声标准差的估计，得到更新后的输出结果；
[0009]S4、对L个快拍、M个波束方向，重复执行步骤S1～S3，所有更新后的输出结果构成第n跳频率的复数方位历程图；0≤n≤N
‑
1，N为COSTAS编码序列的长度；
[0010]S5、计算各跳频率的复数方位历程图信噪比，根据所述信噪比对各跳频率的复数方位历程图进行延时加权求和，使复数方位历程图对应的1～L快拍数据变为1+ΔL～L+ΔL快拍数据，得到复数方位历程图矩阵Q；L为快拍数据数量，ΔL＝(n
‑
1)T
sp
/T
L
,T
L
为快拍之间的时间间隔，T
sp
为单个COSTAS码元持续的时长；
[0011]S6、对复数方位历程图矩阵Q中的每个元素进行模值平方，得到方位历程图矩阵E。
[0012]本专利技术充分利用了接收数据的空间阵增益以及时间增益提升了接收信噪比，且能有效对抗多普勒效应；同时，本专利技术利用了各跳频率的复数方位历程图的相干性，使得加权相加之后信噪比相比与传统的非相干处理方式有着更大信噪比输出，提升了传统COSTAS处理波形的增益。
[0013]步骤S1中，第m个波束方向、第p根谱线、第l个快拍的频域波束形成结果R
m,p,l
表示为：R
m,p,l
＝g
p
(A
m,p
,Fr
l
)；其中，r
l
表示接收阵列的D个通道接收的第l个快拍数据组成的矩阵，大小为P*D，P为每个快拍包含的采样点数量；F表示大小为P*P的傅里叶变换矩阵，F中第(k,u)个元素表示为1≤k≤P，1≤u≤P；A
m,p
表示第m个波束方向、第p根谱线对应的导向向量，为1*D的矩阵，其中1≤m≤M，1≤p≤P，A
m,p
的第(1,k)个元素为d为线列阵阵元间距，θ
m
为第m个波束方向的角度，c为声速，f(p)为第p根谱线对应的频率，f(p)＝(p
‑
1)
·
f
s
/P；g
p
(A
m,p
,Fr
l
)表示将Fr
l
的第p行与A
m,p
进行内积操作。
[0014]步骤S2中，第m方向、第n跳频、第l快拍的匹配滤波结果表示为：
[0015][0016]其中，complexmax{
·
}表示求矩阵中所有元素中模值最大的元素的操作，R
m,p,l
为第m个波束方向、第p根谱线、第l个快拍的频域波束形成结果，为第m个波束方向、第p
1,n
根谱线、第l个快拍的频域波束形成结果，为第m个波束方向、第p
2,n
根谱线、第l个快拍的频域波束形成结果，p
1,n
～p
2,n
表示f
n
‑
f
window
到f
n
+f
window
频率范围对应的谱线序号，f
n
为经过COSTAS序列调制后的第n个码元所对应的单频信号频率，即第n号跳频，f
window
为设定频率。
[0017]上述的处理方法，能够处理移动目标带来的多普勒效应，从而有效地检测出频移的回波。
[0018]步骤S4中，第n跳频率的复数方位历程图用矩阵Q
n
表示为：
[0019][0020]其中，M为波束方向数量，为第m方向、第n跳频、第l快拍的更新后的输出结果。
[0021]步骤S5中，第n跳频率的信噪比SNR
n
的计算公式为：其中，Q
n
(i,本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于COSTAS波形的主动声呐处理方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、对接收阵列的多通道数据进行波束形成，采用频域波束形成方法获取频域波束形成结果，结合导向向量，实现单一波束方向的波束形成，通过对导向向量修改，实现对其他方向的波束形成；S2、选择波束形成后的最大谱线，得到匹配滤波结果；S3、将单一方向、单一跳频、单一快拍的匹配滤波结果除以噪声标准差的估计，得到更新后的输出结果；S4、对L个快拍、M个波束方向，重复执行步骤S1～S3，所有更新后的输出结果构成第n跳频率的复数方位历程图；0≤n≤N
‑
1，N为COSTAS编码序列的长度；S5、计算各跳频率的复数方位历程图信噪比，根据所述信噪比对各跳频率的复数方位历程图进行延时加权求和，使复数方位历程图对应的1～L快拍数据变为1+ΔL～L+ΔL快拍数据，得到复数方位历程图矩阵Q；L为快拍数据数量，ΔL＝(n
‑
1)T
sp
/T
L
,T
L
为快拍之间的时间间隔，T
sp
为单个COSTAS码元持续的时长；S6、对复数方位历程图矩阵Q中的每个元素进行模值平方，得到方位历程图矩阵E。2.根据权利要求1所述的基于COSTAS波形的主动声呐处理方法，其特征在于，步骤S1中，第m个波束方向、第p根谱线、第l个快拍的频域波束形成结果R
m,p,l
表示为：R
m,p,l
＝g
p
(A
m,p
,Fr
l
)；其中，r
l
表示接收阵列的D个通道接收的第l个快拍数据组成的矩阵，大小为P*D，P为每个快拍包含的采样点数量；F表示大小为P*P的傅里叶变换矩阵，F中第(k,u)个元素表示为1≤k≤P，1≤u≤P；A
m,p
表示第m个波束方向、第p根谱线对应的导向向量，为1*D的矩阵，其中1≤m≤M，1≤p≤P，A
m,p
的第(1,k)个元素为d为线列阵阵元间距，θ
m
为第m个波束方向的角度，c为声速，f(p)为第p根谱线对应的频率，f(p)＝(p
‑
1)
·
f
s
/P；g
p
(A

【专利技术属性】
技术研发人员：王雷，彭聪，杨驰，龙慧波，季浩然，张舒皓，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：