本發(fā)明屬于水聲目標輻射噪聲線譜特征提取與識別，具體地說是一種頻域加權(quán)相移規(guī)約線譜增強方法。

背景技術(shù)：

1、水聲目標檢測是一種通過對聲吶接收到的信息進行目標檢測的方法，是水下信息獲取和水下信息對抗的重要支撐，是水聲領(lǐng)域的重要研究方向之一。依照獲取信息的方式，水聲目標檢測可以分為主動檢測和被動檢測兩種。被動檢測過程無需發(fā)射聲波信號，通過被動聲吶接受到的水聲目標輻射噪聲信號來判斷目標是否存在。水聲目標輻射噪聲信號是艦船等水聲目標在航行過程中通過艦船殼體對外輻射的噪聲，包含寬帶連續(xù)譜、窄帶離散線譜和調(diào)制譜等成分，其中線譜成分與艦船機械設(shè)備工作狀態(tài)關(guān)聯(lián)緊密，攜帶了水聲目標的重要特征信息。低頻離散線譜傳播距離遠、穩(wěn)定性強、信噪比高，是被動檢測過程中的重要探測對象。

2、如今，針對水聲目標輻射噪聲的線譜檢測技術(shù)仍面臨許多困難。隨著艦船隱身技術(shù)和減振降噪技術(shù)的廣泛應(yīng)用，水聲目標的輻射噪聲譜級日益降低，其輻射噪聲逐漸淹沒在海洋環(huán)境噪聲中，難以進行探測識別，因而使得水聲目標的特征提取變得更加困難。此外，垂直陣因具有布放回收的便利性，成為浮標、潛標等水下無人平臺的常用陣列形式，廣泛應(yīng)用于水下目標探測。但是，垂直陣因為受到聲速剖面和海底海面反射的多途效應(yīng)的影響，陣元之間目標信號的空域相關(guān)性、陣列信號處理增益相較水平線陣有所降低，對弱目標輻射噪聲的檢測能力不強。因此，如何通過垂直陣多陣元的信息提高噪聲信號的空間處理增益，從而有效利用垂直陣進行目標輻射噪聲的線譜檢測是水聲信號處理的一大技術(shù)難點。

3、本發(fā)明提出了一種頻域加權(quán)相移規(guī)約線譜增強方法，輸入信號為水聲目標輻射噪聲數(shù)據(jù)，輸出信號為實現(xiàn)線譜增強后的噪聲信號。該方法相較于傳統(tǒng)的波束形成處理方法，明顯提高了線譜的信噪比增益，有效實現(xiàn)了線譜增強，有利于后續(xù)過程中的線譜檢測和目標識別。

4、本技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比技術(shù)區(qū)別如下；

5、與專利cn107886068a“一種基于時空域線譜增強器的未知線譜目標檢測方法”的技術(shù)對比

6、一、專利cn107886068a中采用了空時二維線譜增強處理，對處理得到的每一新陣元數(shù)據(jù)分別按設(shè)定參數(shù)進行分段并作離散傅里葉變換，取出各新陣元在相同段序號上的離散傅里葉變換輸出值，對同一頻率點上的各離散傅里葉變換輸出值進行頻域波束形成，對頻域波束形成結(jié)果在頻域和時間上進行積分求和，最終得到方位譜輸出結(jié)果。而本發(fā)明沒有使用傳統(tǒng)頻域波束形成和時頻域積分求和方法來增強線譜，而是采用低通濾波擬合法對相鄰兩陣元的平均功率譜進行背景均衡處理，對背景均衡后的對數(shù)差值譜幅度作非線性映射，從而計算相鄰兩陣元歸約處理時的頻域復(fù)加權(quán)值，根據(jù)復(fù)加權(quán)值對接收信號的頻譜序列進行加權(quán)歸約處理，最終得到增強后的線譜。

7、二、專利cn107886068a中將線譜增強器處理所得數(shù)據(jù)的劃分為q段，每一段的數(shù)據(jù)點數(shù)為n，進而對每一段數(shù)據(jù)作離散傅里葉變換，再進行后續(xù)的頻域波束形成以及時頻域的積分求和。而本發(fā)明采用兩兩分組的方式，對相鄰兩陣元接收到的輻射噪聲信號進行處理，計算每組兩路接收信號的平均功率譜以及相位差，從而進行后續(xù)的加權(quán)規(guī)約處理。

8、與專利cn116755097a“一種用于仿蝠鲼航行器的多通道頻域線譜增強方法及系統(tǒng)”的技術(shù)對比

9、一、專利cn116755097a在仿蝠鲼航行器平臺兩翼上搭載兩條夾角為α度的線陣，共m個水聽器陣元，通過水聽器陣列在航行器滑動過程中采集數(shù)據(jù)。而本發(fā)明中主要針對水下垂直陣列而非線陣，旨在提高噪聲信號的空間處理增益。

10、二、專利cn116755097a中對采集數(shù)據(jù)進行低通濾波、降采樣和數(shù)據(jù)分塊后，對兩條相鄰線陣的相同分塊數(shù)據(jù)兩兩互譜求平均值并歸一化，計算得到線譜增強模塊的先驗頻域權(quán)值向量，再結(jié)合上一陣元的頻域權(quán)值向量得到更新后的頻域權(quán)值向量，最終將各個陣元的分塊數(shù)據(jù)輸入到線譜增強模塊，采用頻域權(quán)值和分塊數(shù)據(jù)直接相乘的方法得到多通道線譜增強的結(jié)果。而本發(fā)明中對接收信號兩兩分組后，計算每組兩路接收信號的平均功率譜而非兩兩求互譜，再對平均功率譜進行背景均衡、非線性映射等處理，從而得到頻域復(fù)加權(quán)值。此外，本發(fā)明將相鄰兩個陣元兩兩按照哈達瑪積運算而非直接相乘來進行相移疊加，直至最后輸出單個通道的線譜增強數(shù)據(jù)。

11、與專利cn109799495a“一種用于高保真陣列處理的寬帶時延估計方法”的技術(shù)對比

12、一、專利cn109799495a中通過計算波束能量圖、預(yù)重構(gòu)源信號、計算頻域信噪比和相位差、加權(quán)融合等步驟，最終實現(xiàn)寬帶時延矢量的估計和源信號的二次重構(gòu)。而本發(fā)明通過兩兩分組計算每組兩路接收信號的平均功率譜和相位差、背景均衡、非線性映射得到頻域復(fù)加權(quán)進而等步驟，最終對接收信號的頻譜序列進行加權(quán)歸約處理，實現(xiàn)線譜增強和信號檢測。本發(fā)明無需計算基陣采集數(shù)據(jù)不同方位的預(yù)成波束數(shù)據(jù)，也無需進行對源信號進行預(yù)重構(gòu)。

13、二、專利cn109799495a強調(diào)在陣形畸變和近場源條件下的保真增強源信號重構(gòu)，主要處理的是寬帶信號，重點在于時延估計，目的是獲取保真增強的重構(gòu)源信號。而本發(fā)明主要處理在遠場源條件下的窄帶信號，重點在于提高線譜的信噪比增益，目的是對弱目標線譜進行線譜增強。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對空域相關(guān)性較低的垂直陣列下的水聲目標線譜特征提取的問題，本發(fā)明提供了一種頻域加權(quán)相移規(guī)約線譜增強方法。該方法將垂直陣各水聽器接收信號兩兩分組，計算每組兩路接收信號的平均功率譜以及相鄰兩陣元接收信號不同頻率處的相位差，將得到的相位差修正至主值區(qū)間；用低通濾波擬合法對平均功率譜進行背景均衡處理，對背景均衡后的對數(shù)差值譜幅度作非線性映射，計算相鄰兩陣元規(guī)約處理時的頻域復(fù)加權(quán)值；對接收信號的頻譜序列進行加權(quán)規(guī)約處理，直到得到1路頻譜序列，線譜增強過程結(jié)束，輸出的數(shù)據(jù)可進一步用于線譜的檢測。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

3、一種頻域加權(quán)相移規(guī)約線譜增強方法，其特征在于：包括以下步驟：

4、(1)初始化參數(shù)；

5、(2)讀入水聽器接收的輻射噪聲的采樣序列，對采樣序列做離散傅里葉變換；

6、(3)將各水聽器接收信號兩兩分組，計算每組兩路接收信號的平均功率譜以及每組兩路接收信號不同頻率處的相位差，將得到的相位差修正至主值區(qū)間；

7、(4)用低通濾波擬合法對得到的平均功率譜進行背景均衡處理，對背景均衡后的對數(shù)差值譜幅度作非線性映射，計算相鄰兩陣元規(guī)約處理時的頻域復(fù)加權(quán)值；

8、(5)對接收信號的頻譜序列進行加權(quán)規(guī)約處理，直到得到1路頻譜序列，線譜增強過程結(jié)束，輸出的數(shù)據(jù)可進一步用于線譜的檢測與提取。

9、作為本發(fā)明進一步改進，步驟(1)具體包括如下步驟：

10、(1.1)初始化參數(shù)，設(shè)定采樣頻率fs，采樣點數(shù)n，計算分辨率

11、作為本發(fā)明進一步改進，步驟(2)具體包括如下步驟：

12、(2.1)讀入m個水聽器各自接收的輻射噪聲的采樣序列xm(n)，m＝1,2,…,m，n＝0,1,…,n-1；

13、(2.2)對水聲目標輻射噪聲的采樣序列xm(n)做離散傅里葉變換，得到m個長度為n的序列x'm(k)，k＝0,1,…,n-1。

14、作為本發(fā)明進一步改進，步驟(3)具體包括如下步驟：

15、(3.1)將各水聽器接收信號兩兩分組，計算每組兩路接收信號的平均功率譜，得到個長度為n的平均功率譜序列di'(k)：

16、

17、其中，

18、(3.2)記相鄰兩個陣元的n點采樣序列的離散傅里葉變換為x'm(k)和x'm+1(k)，將x'm(k)和x'm+1(k)寫成復(fù)指數(shù)形式為：

19、

20、其中，和分別表示兩陣元信號在頻率點k處的相位，相位取主值區(qū)間[-π,π]，由下式計算和

21、

22、其中，im(·)表示復(fù)數(shù)的虛部，re(·)表示復(fù)數(shù)的虛部；

23、(3.3)計算兩兩相鄰兩陣元在頻率點k處的相位差：

24、

25、(3.4)通過加減2π將兩陣元在頻率點k處的相位差調(diào)整到主值區(qū)間[-π,π]上：

26、

27、作為本發(fā)明進一步改進，步驟(4)具體包括如下步驟：

28、(4.1)利用低通濾波擬合法對平均功率譜序列di'(k)進行背景均衡處理，記擬合后的平均功率譜序列為di”(k)，則處理后的對數(shù)差值譜幅度序列di(k)為：

29、

30、其中，di(k)的均值為μi，方差為σi2；

31、(4.2)由下式確定參數(shù)λi：

32、

33、其中，ηi為算法的噪聲抑制參數(shù)，ln表示自然對數(shù)運算；

34、(4.3)將平均功率譜序列di(k)非線性映射為αi(k)：

35、

36、(4.4)由下式計算相移量ψi(k)：

37、

38、(4.5)由相移量ψi(k)計算頻域復(fù)加權(quán)值wi(k)：

39、

40、將wi(k)寫成向量形式：

41、wi＝[wi(0),wi(1),...,wi(n-1)]t。

42、作為本發(fā)明進一步改進，步驟(5)具體包括如下步驟：

43、(5.1)分別對m個陣元n點采樣做離散傅里葉變換后的序列x'm(k)乘以縮放因子記為新序列為xm(k)，新序列的頻域向量記為xm，即滿足：

44、

45、(5.2)將相鄰兩個陣元按照下式分別進行相移疊加，將頻域輸出向量記為yi：

46、

47、上式中，x2i-1和x2i為兩個陣元采樣序列的頻域向量，運算(e)表示哈達瑪積；

48、(5.3)若輸出的頻域向量yi的個數(shù)大于1，則將yi作為新的陣元數(shù)據(jù)，重新返回步驟(2)進行運算，繼續(xù)兩兩疊加直至最后輸出單個通道數(shù)據(jù)為止，記最終輸出的頻域向量為y。至此，線譜增強過程結(jié)束，輸出的數(shù)據(jù)可進一步用于線譜的檢測與提取。

49、有益效果：

50、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開的方法具有以下優(yōu)點：相較于傳統(tǒng)的波束形成處理方法，使用基于多陣元頻域加權(quán)相移規(guī)約的線譜增強方法，更為有效地獲取垂直陣的空間增益，提高線譜的信噪比，使得線譜增強效果顯著。