一種二維振速梯度水聽器的被動目標相關檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種二維振速梯度水聽器的被動目標相關檢測方法。該方法利用振速水聽器的接收數(shù)據(jù)，先計算出中心點處的振速和振速梯度，后對二者進行互相關處理，利用互相關處理器的輸出來檢測是否存在被動目標，并根據(jù)不同角度上檢測概率的分布粗略估計目標的方位。有益效果是：本發(fā)明充分利用了振速和振速梯度的指向性，以及噪聲及目標信號振速與振速梯度信息相關性的差異性特點，降低了被動目標的可檢測信噪比，從而有效的提高被動目標的探測距離。本發(fā)明方法對水下弱目標的遠程探測與參數(shù)估計均有重要意義，可以在浮標、潛標、魚探儀、水下航行器、水下定位與導航等產(chǎn)品中應用。
【專利說明】
-種二維振速梯度水聽器的被動目標相關檢測方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及的是一種二維振速梯度水聽器的被動目標相關檢測方法，具體的說， 是一種利用二維振速梯度水聽器中屯、點處的振速和振速梯度信息，通過互相關處理來檢測 是否存在被動目標的方法。
【背景技術】
[0002] 隨著科學的發(fā)展、技術的進步，軍用、民用海洋裝備對小孔徑、遠程、高精度的水下 探測設備需求增加，運使得水聽器檢測技術不斷發(fā)展進步，也促使新的水下傳感技術發(fā)展， 如近十幾年來快速發(fā)展的矢量水聽器技術。矢量水聽器可同時共點的獲取聲場的聲壓（標 量）、振速（矢量）信息。振速具有與頻率無關的偶極子指向性，且聲壓和振速信息聯(lián)合處 理可W有效地抑制噪聲，提高被動目標的探測能力。在低頻段，矢量水聽器相比于聲壓水聽 器陣具有體積小，重量輕，便于布放等優(yōu)點，廣泛應用于軍事探潛、海洋生物研究、地震監(jiān)測 和環(huán)境噪聲測量等系統(tǒng)中。
[0003] 為了得到指向性更加尖銳的傳感器，很多學者對振速梯度水聽器開展了系列研 究，已經(jīng)通過理論分析和實場實驗證明了振速梯度水聽器可W獲得更好的指向性。如何利 用振速梯度水聽器實現(xiàn)被動目標的遠程檢測和有效參數(shù)估計，還有待開展進一步的研究。 各向同性噪聲的振速和振速梯度是不相關的，而目標信號的振速與振速梯度是相干的。如 果有一種處理方法或技術，能夠?qū)⒄袼倥c振速梯度信息聯(lián)合處理，則可提高振速梯度水聽 器的檢測性能，有效增強其探測距離，運種技術必然會擴展振速梯度水聽器的應用范圍，特 別是在水下小孔徑測量和監(jiān)視系統(tǒng)中的應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是：利用目標信號和環(huán)境噪聲信號振速與振速梯度相關信息的差異 性，提供一種簡單實用、穩(wěn)健可靠、可檢測信噪比低的二維振速梯度水聽器被動目標的相關 檢測方法。 陽〇化]本發(fā)明的技術方案是：一種二維振速梯度水聽器被動目標的相關檢測方法，包括 如下的步驟：
[0006] 步驟一：將二維振速梯度水聽器接收的八個通道實數(shù)信號數(shù)據(jù)V"、Vyi(i = 1，…，4)，通過希爾伯特變換器轉換成復數(shù)信號咬,·、( ?
[0007] 步驟二：對四個通道的X軸復振速信號吃。=1:風永4)求平均，求取振速梯度水 聽器中屯、點處X軸方向振速9。.,；
[000引步驟立：對四個通道的y軸復振速信號( /' = 1、2,3,4 )求平均，求取振速梯度水 聽器中必點處y軸方向振速^
[0009] 步驟四：利用八通道振速復信號€:、(/' = 1，2,3,4 )求振速梯度水聽器中屯、點 處橫向振速梯度洗*,/奴、沸,./卸和縱向振速梯度孤,./郵、沉,/歷Γ;:
[0010] 步驟五：利用引導方向α，對振速梯度水聽器中屯、點處振速分量、^1,進行加權 處理，得到合成振速
W11] 步驟六：利用引導方向α，對振速梯度水聽器中屯、點處橫向振速梯度 挪1./如、36,/妙和縱向振速梯度W、./卸、進行加權處理，得到合成振速梯度
陽〇1引步驟屯：對Μ個采樣點的合成振速(β)與合成振速梯度是(α)進行相關處理，得 到被動目標的檢測統(tǒng)計量
[0013] 步驟八：根據(jù)系統(tǒng)要求的最大虛警概率和上述檢驗統(tǒng)計量D(a，Μ)，在噪聲環(huán)境 中計算出不同引導方位上的檢測口限Dth ( α，Μ);
[0014] 步驟九：實時計算D(a，Μ)，將D(a，Μ)與Dth(a，Μ)進行比較，如果D(a，Μ) > Dth(a，M)，則目標存在，反之目標不存在，并在不同的α上進行掃描，根據(jù)成功檢測概率的 分布粗略估計目標的方位區(qū)域。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供了一種穩(wěn)健、低信噪比的振速梯度水聽器被動 目標檢測方法，根據(jù)水聽器的接收數(shù)據(jù)，計算出中屯、點處組合振速和組合振速梯度，對二者 進行互相關處理，利用互相關處理器的輸出來檢測被動弱目標有無，并粗略估計目標的方 位區(qū)域，對水聲探測與通信均有重要意義。
[0016] 本發(fā)明充分利用了振速和振速梯度的指向性，W及噪聲和目標信號振速與振速梯 度相關信息的差異性特點，降低了被動目標的可檢測信噪比，從而有效的提高被動目標的 探測距離。本發(fā)明方法對水下弱目標檢測與參數(shù)估計具有重要意義，可W在浮標、潛標、魚 探儀、水下航行器、水下定位與導航等產(chǎn)品中應用。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明提出的二維振速梯度水聽器被動目標檢測的信號處理流程圖。
[0018] 圖2是二維振速梯度水聽器的結構示意圖。
[0019] 圖3為實施例中目標信號中屯、頻率fu= 1曲Ζ，系統(tǒng)采樣頻率為f ,= 8f。，噪聲為 數(shù)值模擬的各向同性噪聲，系統(tǒng)地虛警概率Pf= 0.05,目標在90°方位時，振速梯度水聽 器振速與振速梯度互相關檢測器檢測成功概率統(tǒng)計結果圖。
[0020] 圖4為實施例中目標信號中屯、頻率fu= 1曲Z，系統(tǒng)采樣頻率為f ,= 8f。，噪聲為 數(shù)值模擬的各向同性噪聲，系統(tǒng)地虛警概率Pf= 0. 05,目標在45°方位時，振速梯度水聽 器振速與振速梯度互相關檢測器檢測成功概率統(tǒng)計結果圖。
【具體實施方式】
[0021] 現(xiàn)結合實施例、附圖對本發(fā)明做進一步描述：
[0022] 如圖1所示，本發(fā)明利用四個對角振速傳感器的平均和差分運算，計算出中屯、點 處的振速和振速梯度，并通過兩者的互相關處理來檢測是否存在目標。振速梯度水聽器是 由對角布放的四個振速傳感器組成，如圖2所示。
[0023] 本實施例中振速梯度水聽器通過振速與振速梯度相關處理進行被動目標檢測的 方法，包括如下的步驟： W24] 步驟一：二維振速梯度水聽器八個通道的接收信號用Vxl、Vyl、Vx2、Vy2、Vx3、Vy3、 Vw和Vy4來表示，通過希爾伯特變換器將接收的實信號變換成復信號f、l、^,.1、f、2、 巧d、％、起4和％4;
[0025] 步驟二：由四通道x軸復振速信號'^,、*、4求振速梯度水聽器中屯、點 處X軸方向振廷
[0026] 步驟Ξ:由四通道y軸復振速信號P,.:、Cy3、f,4求振速梯度水聽器中屯、點 處y軸方向振速
[0027] 步驟四：利用％、求解X軸橫向振速梯度如-奴=j代，利用f，.3、巧Μ 求解y軸橫向振速梯度
[00測步驟五：利用V求解縱向振速梯度滿,/觀=]於2-峰4巧，利用iW、起4求 解縱向振速梯適
[0029] 步驟六：利用引導方向α，對振速梯度水聽器中屯、點處振速分量??、C。,進行加 權處理，得到合成振速
W30] 步驟屯：利用引導方向α，對振速梯度水聽器中屯、點處橫向振速梯度 、W,./妙和縱向振速梯度5C,./卸、進行加權處理，獲得合成振速梯度
[0031] 步驟八：對Μ個采樣點的合成振速V (α)與合成振速梯度進行相關處理，得 到被動目標的檢測統(tǒng)計量
[0032] 步驟九：根據(jù)系統(tǒng)限定最大虛警概率Pf和上述檢測統(tǒng)計量D(a，Μ)，在噪聲環(huán)境 中統(tǒng)計計算出不同引導方向上的檢測口限Dth(a，M);
[003引步驟十：在引導方向α上，實時計算D(a ,Μ)，將D(a ,Μ)與Dth(a ,Μ)進行比較， 如果D(a, Μ)〉Dth(a, Μ),則目標存在，反之目標不存在；在不同的α上進行掃描，根據(jù)檢 測成功概率的大小可粗略估計目標存在的方位區(qū)域。
[0034] 圖3是實施例振速梯度水聽器半徑為0. 01米，目標信號為中屯、頻率為fe= 1曲Ζ 的CW脈沖信號，采樣頻率為8f。，噪聲為數(shù)值模擬的各向同性噪聲，系統(tǒng)地虛警概率Pf =0. 05,目標在90°方位時，單個振速梯度水聽器振速與振速梯度互相關檢測器檢測成功 概率統(tǒng)計結果；圖4是相同條件下，目標從45°方向入射時，單個振速梯度水聽器振速與振 速梯度互相關檢測器檢測成功概率統(tǒng)計結果。為了比較，同時給出了聲壓能量檢測器和矢 量水聽器聲能流檢測器的成功檢測概率隨信噪比的變化曲線。從圖3和圖4可W看出，在 給定的仿真條件下，本發(fā)明方法（振速與振速梯度相關檢測）的可檢測信噪比低于矢量水 聽器的聲強檢測法和聲壓水聽器的能量檢測法。運說明振速梯度水聽器的振速與振速梯度 相關檢測法對被動目標探測距離更遠，在軍用、民用水下探測設備中有廣泛的應用價值。
[0035] 當然，本發(fā)明還可W有其他的實施例，熟悉本領域的技術人員可根據(jù)本發(fā)明做相 應的改變，但運些改變都應該屬于本發(fā)明所附權利要求的保護范圍。
【主權項】
1. 一種二維振速梯度水聽器的被動目標相關檢測方法，包括如下步驟： 步驟一：將二維振速梯度水聽器八個通道的接收數(shù)據(jù)vxl、Vyl(i = 1，2,3,4)，通過希爾 伯特變換器轉換成復數(shù)信號弋、％_ (i = l，2,3,4); 步驟二：對四個通道的X軸復振速信號^ (i = 1，2, 3, 4)求平均，求取振速梯度水聽 器中心點處X軸方向振速t; 步驟三：對四個通道的y軸復振速信號匕（i = 1，2, 3, 4)求平均，求取振速梯度水聽 器中心點處y軸方向振速^; 步驟四：利用八通道振速復信號t^ (i = 1，2, 3, 4)求振速梯度水聽器中心點處 橫向振速梯度、巧./#和縱向振速梯度％/%、; 步驟五：利用引導方向α，對振速梯度水聽器中心點處振速分量I、&進行加權處 理，得到合成振速A (?) = t cos? +1\, sintt: 步驟六：利用引導方向α，對振速梯度水聽器中心點處橫向振速梯度、 A/辦和縱向振速梯度化/w、進行加權處理，得到合成振速梯度 1 {a)-dvx /& c 齡2 α + r )，si it2 α 十0-ν' /以)cos α 沒} 步驟七：對Μ個采樣點的合成振速^ (α)與合成振速梯度< (α):進行相關處理，得到被 動目標的檢測統(tǒng)計量)=Σ||Μα，《)·0，《 )||: ?-1 步驟八：根據(jù)系統(tǒng)要求的最大虛警概率Pf和上述檢驗統(tǒng)計量D ( α，Μ)，在噪聲環(huán)境中 計算出不同引導方位上的檢測門限Dth(a，M); 步驟九：實時計算D( α，Μ)，將D( α，Μ)與Dth( α，Μ)進行比較，如果D( α，Μ) > Dth(a，M)，則目標存在，反之目標不存在，并在不同的α上進行掃描，根據(jù)成功檢測概率的 分布粗略估計目標的方位。
【文檔編號】G01S5/18GK106066472SQ201510606683
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2015年9月22日 公開號201510606683.X, CN 106066472 A, CN 106066472A, CN 201510606683, CN-A-106066472, CN106066472 A, CN106066472A, CN201510606683, CN201510606683.X
【發(fā)明人】王緒虎, 張群飛, 吉愛國, 吳則舉
【申請人】青島理工大學