【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及主动声呐探测领域，尤其涉及一种基于对称hfm信号的目标检测方法及系统。
技术介绍
1、主动声呐工作时，由发射机经水声换能器发射脉冲，脉冲到达目标后形成散射回波，接收机接收到混杂在混响、噪声、干扰等背景下的目标回波。经过了时间、空间、频率上的扩展和变化，回波到达时间、初相与多普勒频移均未知，只有回波信号的形式是已知的，并与发射信号相同。此外，由于海面、海底和水体的散射产生了混响，混响与发射的波形强相关。根据接收到的数据估计目标参数。不同波形的空间、时间、频率分辨能力不同；不同波形的处理流程不同；对于不同的声呐系统，需要估计信号参数的不同，如振幅、相位、频谱等，相应的处理流程不同，直接影响声呐的性能。
2、cw/lfm等脉冲均为主动声呐常用的波形。cw波的时间带宽积为常数，因此时间和频率上的分辨力是矛盾的：脉宽t增大时，频率分辨力提高但是时间分辨力降低；反之，t减小时(脉冲的等效带宽增大)，频率分辨力降低但时间分辨力提高。相同脉宽的cw和lfm波频率分辨力相同，但lfm波可通过提高带宽b的方式提高时间分辨力，从而实现更精确的距离估计。当前涌现了更多新型波形，例如ptfm、bpsk等。这些新型波形往往通过编码的形式突破时间带宽积的制约，或具有更高的时频分辨力，或具有更优秀的抗混响能力，然而对系统的计算能力要求大幅提升，在雷达和声呐系统中，这些新型波形难以实时应用。受限于平台的计算速度，在实际应用中广泛使用的仍然是cw/lfm脉冲。
3、针对强噪声/干扰背景下弱目标的探测需求，增加带宽是一条可行之路
4、1.lfm存在range-doppler coupling问题，即时延和多普勒在某种意义上是等效的。lfm信号在时频平面上是一条直线。如果我们通过匹配滤波去估计回波参数，匹配滤波的方法将会在时频平面上得到一条直线(斜率与调频斜率成正比)，多普勒频移等效于一定的时延而造成匹配误差，这个误差正比例于多普勒频移并且反比例于调频速度，必须已知多普勒频移才能正确估计时延。因此在时延和多普勒都未知的情况下无法得到准确的结果。
5、2.在存在多普勒的情况下，lfm波形匹配滤波的增益降低。尽管lfm信号的多普勒宽容性较高，只需要0多普勒的副本或者少量几个多普勒副本就可以予以匹配。但当存在高多普勒，或者在大带宽的情况下，相关峰将变得平坦。
6、在大带宽积条件下应用lfm信号时，目标的速度会带来明显的匹配误差，匹配滤波器的输出强度将明显下降，波峰明显展宽。因而在大带宽应用场景下，有必要寻求一种对目标运动不敏感的波形，并尽可能保留lfm信号的性质。满足这些条件的信号是对数相位调制信号，也就是双曲线调频(hfm)信号。
7、对于lfm信号而言，调频系数会因多普勒变换发生改变，导致其多普勒副本与原信号不可避免地发生失配。而双曲线频率经过线性的伸缩之后，尽管扫频频率范围发生一定改变，但瞬时频率仍为双曲线且调频系数保持不变，能够与原波形形成很好的匹配。因此，hfm波形是高多普勒大带宽场景下的优选波形。但是，hfm波形同样存在距离-多普勒模糊，当需要对目标同时进行速度和距离估计的时候将存在问题。
8、lfm信号的多普勒频移等效于一定的时延而造成匹配误差，这个误差正比例于多普勒频移并且反比例于调频速度，必须已知多普勒频移才能正确估计时延。
9、图1(a)和图1(b)分别给出了多普勒系数k为1.02和1.1时，lfm信号与hfm信号的多普勒变换副本与原信号进行相关的结果。由于hfm信号经过多普勒变换后的接收波形与发射波形几乎完美匹配，其差异仅仅体现在频谱范围的微小差异上，因此相关的结果仍为尖锐的峰值，且非常接近1。尽管在时间带宽积较小及多普勒效应不太显著时，lfm信号和hfm信号的性质几乎是一样的，但在大时间带宽积和较大的目标运动速度条件下，只有hfm信号保持着对多普勒效应理想的宽容特性。
10、由上述分析可知相比较于lfm波形，hfm具有更优越的多普勒宽容性，适合于大时间带宽积及大多普勒的场景。单hfm与单lfm类似，都存在距离-多普勒耦合问题，我们将同样采用对称调频的方法来消除耦合误差。
11、目前，对称hfm和对称lfm，或称为升降hfm和升降lfm信号作为同步信号，已应用于水声通信中，通过多普勒估计以补偿数据帧中的多普勒频移。但在声呐探测领域，这类波形尚未有应用。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种基于对称hfm信号的目标检测方法及系统。
2、为了实现上述目的，本专利技术提出了一种基于对称hfm信号的目标检测方法，包括：
3、步骤1)接收主动声呐发出的对称hfm信号，进行包括放大和自动增益控制的前端处理；
4、步骤2)对前端处理后的信号分窗进行快速傅里叶变换和匹配滤波处理，再对每个窗下的匹配滤波处理进行峰值检测，确定时延和目标回波所处的窗，在目标回波所处的窗得到目标距离的估计值；
5、步骤3)采用迭代的扩展相关峰匹配法得到目标速度的估计值；
6、步骤4)采用u域比幅法、角度域比幅法或分裂波束法得到目标的方位角估计值和俯仰角估计值。
7、优选的，所述对称hfm信号包括正调频信号和负调频信号。
8、优选的，所述步骤2)中对前端处理后的信号分窗进行快速傅里叶变换和匹配滤波处理，包括：
9、设置窗宽为对称hfm信号总脉宽的2倍，以0.5倍的冗余获取每帧数据；即每帧数据长度为窗宽；
10、进行快速傅里叶变换将宽带时域数据转换到频域，第n帧的频域数据为xn；
11、当回波信噪比小于设定阈值时，对主动声呐发射脉冲波束方向进行宽带波束形成，选择发射脉冲频带范围的1.5倍作为感兴趣的频率成分，得到波束形成后的数据yn；将正负调频的副本信号组分别与yn求取相关；
12、当回波信噪比不小于设定阈值时，取主动声呐中间阵元的数据，分别与正负调频的副本信号组求取相关。
13、优选的，所述步骤2)中对每个窗下的匹配滤波处理进行峰值检测，确定时延和目标回波所处的窗，在目标回波所处的窗得到目标距离的估计值；包括：
14、在每个窗下，将两组相关输出分别进行峰值检测，确定两组峰值，并且将该窗出现的目标个数设定为两组峰值个数的最小值p；
15、根据下式得到时延τ1：
16、
17、
18、其中，t为对称hfm信号的单个正调频信号或负调频信号的脉宽，te为正负调频信号之间的间隔，和分别为正负调频峰值位置对应的时延，为正负调频脉冲到达时刻的间隔，α为多普勒压缩系数，v为径向速度，c为声速；
19、由τ1*c/2得到目标距离的估计。
20、优选的，所述步骤3)包括：
21、步骤3-1)由的估计值减去误差冗本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于对称HFM信号的目标检测方法，包括：
2.根据权利要求1所述的基于对称HFM信号的目标检测方法，其特征在于，所述对称HFM信号包括正调频信号和负调频信号。
3.根据权利要求2所述的基于对称HFM信号的目标检测方法，其特征在于，所述步骤2)中对前端处理后的信号分窗进行快速傅里叶变换和匹配滤波处理，包括：
4.根据权利要求3所述的基于对称HFM信号的目标检测方法，其特征在于，所述步骤2)中对每个窗下的匹配滤波处理进行峰值检测，确定时延和目标回波所处的窗，在目标回波所处的窗得到目标距离的估计值；包括：
5.根据权利要求4所述的基于对称HFM信号的目标检测方法，其特征在于，所述步骤3)包括：
6.根据权利要求5所述的基于对称HFM信号的目标检测方法，其特征在于，所述步骤3-7)后还包括：
7.一种基于对称HFM信号的目标检测系统，其特征在于，所述系统包括：
【技术特征摘要】
1.一种基于对称hfm信号的目标检测方法，包括：
2.根据权利要求1所述的基于对称hfm信号的目标检测方法，其特征在于，所述对称hfm信号包括正调频信号和负调频信号。
3.根据权利要求2所述的基于对称hfm信号的目标检测方法，其特征在于，所述步骤2)中对前端处理后的信号分窗进行快速傅里叶变换和匹配滤波处理，包括：
4.根据权利要求3所述的基于对称hfm信号的目标检测方法，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：李璇，郝程鹏，陈模江，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：
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