基于频率差分波束形成的栅瓣抑制主动探测方法及装置

1.本发明属于水下主动探测领域，特别是涉及一种基于频率差分波束形成的栅瓣抑制主动探测方法及装置，可以应用于各种线列阵声纳系统，解决探测信号与声纳接收系统频段不匹配而引起的栅瓣问题。


背景技术：

2.本发明以声纳主动探测技术需求为背景，为了提高探测距离，声纳基阵在设计时需要采用更大的阵元间距，更大的阵元间距往往意味着发射声源需要采用更低频率探测信号，这一点往往得不到满足。当发射频率与基阵工作频率不匹配时，会产生严重的栅瓣影响。本发明提出了一种基于频率差分波束形成的匹配滤波方法，该方法可以有效抑制栅瓣的产生，并且可以满足实时计算要求，该方法已在实际工程项目中得到验证。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服目前声纳主动探测技术中栅瓣影响严重的问题，本发明阐述了一种基于频率差分波束形成的栅瓣抑制主动探测方法及装置，本发明所述方法将主动探测中常用算法匹配滤波器与频率差分波束形成(fdb)算法结合起来，首先通过匹配滤波器进行脉冲压缩，然后在由频率差分波束形成算法形成空间指向性确定目标方位。最后通过降采样与平滑可得到探测目标的方位与距离。
4.本发明提出了一种基于频率差分波束形成的栅瓣抑制主动探测方法，该方法将主动探测中常用匹配滤波方法与频率差分波束形成算法结合起来，首先通过匹配滤波器进行脉冲压缩；再由频率差分波束形成算法形成空间指向性确定目标方位；最后通过降采样与平滑得到主动探测显示结果，标记疑似目标，获取探测目标的方位与距离信息。
5.作为上述技术方案的一种改进，本发明提出的一种基于频率差分波束形成的主动探测栅瓣抑制方法，所述方法包括以下步骤：
6.1)首先，通过声源发射探测信号，信号到达待测目标后发生反射，通过线列阵声纳接收目标反射的原始信号数据；
7.2)其次，将线列阵声纳接收到的原始信号数据按照线列阵声纳的阵元数分成多个通道传输到线列阵声纳的每个阵元，并对每个通道的信号数据进行带通滤波与匹配滤波处理，确定目标在单个ping-pang周期内单个阵元域信号上的峰值点，所述ping-pang周期为声源发射信号到接收到目标反射信号所用时间；
8.3)然后，对匹配滤波处理后的阵列信号数据进行频率差分波束形成，抑制栅瓣产生，并得到含有目标方位的空间图像；
9.4)最后，通过采样点的抽取与平滑，在空间图像中得到探测目标的具体方位和距离。
10.作为上述技术方案的又一种改进，所述步骤1)中，声源发射探测信号时采用线性调频技术lfm发射。
11.作为上述技术方案的另一种改进，所述方法在线列阵声纳得到每个阵元的时域信号后，在每个阵元的时域信号中取某一采样点长度的数据形成一个数据快拍，作为每个通道的数据输入，表达式为：
12.x(t)＝[x1(k) x2(k) ... xm(k)]
t
[0013]
其中，x(t)为数据快拍，m为设置的阵元个数，xi(k)为第i个阵元的接收信号，xi(k)＝[xi(1) xi(2) ... xi(l)]，l为数据快拍的采样点长度。
[0014]
作为上述技术方案的再一种改进，所述方法在对信号数据进行匹配滤波处理时，对每个阵元接收信号xi(k)与拷贝信号s(t)进行滑动互相关处理，所述拷贝信号s(t)为发射信号副本，处理后输出结果的表达式为：
[0015][0016]
其中，t为拷贝信号长度，t为时间，pi(t)为每个通道匹配滤波后输出结果。
[0017]
作为上述技术方案的还一种改进，所述方法在对每个通道的信号数据进行频率差分波束形成处理，处理后输出结果表达式为：
[0018][0019]
其中，为波束输出结果，为信号平均频率，δf为频率差，θ为信号入射方向，f
l
为发射信号的下限频率，fh为发射信号的上限频率，为对进行定义范围内的平均值的运算。
[0020]
作为上述技术方案的更一种改进，所述方法对频率差分波束形成的输出结果进行采样点的抽取与平滑，具体操作为：将频率差分波束形成输出的空间图像信号数据分成多个方位，对每一个方位的信号数据进行采样点的抽取与平滑处理，形成ping-pang周期内的瀑布图显示；
[0021]
根据瀑布图显示结果，通过标记得到探测目标的方位与距离。
[0022]
本发明提出了一种基于上述方法之一的基于频率差分波束形成的栅瓣抑制主动探测装置，所述装置包括声源发射器、线列阵声纳、带通滤波器、匹配滤波器、信号处理器、声纳显控；
[0023]
所述声源发射器，用于发射探测原始信号；
[0024]
所述线列阵声纳，用于接收被探测目标反射回来的信号，并将接收到的信号作为原始数据分成多个通道；
[0025]
所述带通滤波器，用于对所述线列阵声纳接收的每个通道的信号进行带通滤波处理；
[0026]
所述匹配滤波器，用于对每个通道经所述带通滤波器处理后的信号进行脉冲压缩处理；
[0027]
所述信号处理器，用于对每个通道经所述匹配滤波器处理后的信号进行差分波束，由频率差分波束形成算法形成空间图像；然后对空间图像中多个方位分别依次进行采样点的抽取与平滑处理，并将处理后的结果传输到所述声纳显控；
[0028]
所述声纳显控，用于将接收到的结果形成瀑布图，在瀑布图中经过标记得到探测
目标的方位与距离。
[0029]
作为上述技术方案的一种改进，所述声源发射器为鱼唇换能器。
[0030]
作为上述技术方案的又一种改进，所述线列阵声纳由多个水听器组成，呈拖曳阵或舷侧阵排列。
[0031]
本发明的优点在于：有效解决了主动探测中发射频率与阵元间距不匹配而导致的栅瓣产生问题，同时满足实时性和稳定性要求。实施例应用中的试验数据证明本发明的方法有效。本发明可以用于各种线列阵声纳主动探测系统。
附图说明
[0032]
图1为本发明所述探测方法整体的算法流程图；
[0033]
图2为本发明所述探测方法的系统流程框图；
[0034]
图3为常规方法与本发明方法仿真结果对比图，其中，图3(a)为常规探测方法结果图，图3(b)为(a)中标记目标距离处瞬时方位幅度图,图3(c)为本发明所述探测方法结果图,图3(d)为(c)中标记目标距离处瞬时方位幅度图；
[0035]
图4为常规方法与本发明方法某次海试数据处理对比结果，其中，图4(a)为常规探测方法结果图,图4(b)为(a)中标记目标距离处瞬时方位幅度图，图4(c)为本发明所述探测方法结果图，图4(d)为(c)中标记目标距离处瞬时方位幅度图。
具体实施方式
[0036]
下面结合某次海上试验数据和附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细描述。
[0037]
本发明所采用的详细流程如图1所示，首先，基于线列阵声纳接收到的原始基阵数据对每个通道进行带通滤波与匹配滤波，确定目标在单个ping-pang周期内的峰值点；然后，对脉冲压缩后的阵列数据进行频率差分波束形成，在得到目标方位的同时可有效抑制栅瓣的产生；最后，通过采样点的抽取与平滑，可得到探测目标的方位与距离。
[0038]
具体步骤描述如下：
[0039]
(1)线列阵数据输入
[0040]
线列阵声纳接收空间信号，得到m个阵元的时域信号，取l采样点长度的数据形成一个数据快拍，作为数据输入：
[0041]
x(t)＝[x1(k) x2(k) ... xm(k)]
t
[0042]
其中，xi(k)＝[xi(1) xi(2) ... xi(l)]；
[0043]
(2)匹配滤波器
[0044]
对每个阵元接收信号xi(k)与拷贝信号s(t)进行滑动互相关处理，输出结果可由下式表示：
[0045][0046]
其中，t为拷贝信号长度，pi(t)为每个通道匹配滤波后输出结果。
[0047]
(3)差分波束形成
[0048]
匹配滤波后，对每个阵元接收的时域信号进行fft变换，得到频域表示式如下：
[0049][0050]
其中，f为信号频率，ai(f)为第i个目标反射信号频谱，d为相邻阵元间距，c为声速，θi为第i个目标来波方向。
[0051]
定义为与的乘积，具体表示式如下：
[0052][0053]
其中，上标*号表示复共轭。δf表示频率差，满足不等式1/t＜δf＜f
h-f
l
，同时为了抑制旁瓣的产生还需要满足不等式δf≤c/(2d)。f表示待检测频率,满足不等式f
l
≤f≤f
h-δf，f
l
与fh分别发射探测信号上限与下限频率。
[0054]
差分波束形成的导向矢量如下式所示：
[0055]
wm(δf,sinθ)＝exp(-j2πδf(m-1)dsinθ/c)
[0056]
频率处的复数波束输出与频率差δf的关系如下式所示：
[0057][0058]
联立以上几个方程，可得：
[0059][0060]
对于给定的δf，fdb的宽带波束输出可以通过非相干的方式获得的平局值，即频率差分波束形成的最终输出结果：
[0061][0062]
根据空间采样定理，栅瓣产生的原因在于d/lambd》1/2,d是阵元间距，lambd是波长，减小阵元间距或者降低声源频率都可以抑制栅瓣。但是当阵元间距固定，声源频率固定时，可以通过这种频率差的方式降低频率，从而避免栅瓣的产生。
[0063]
(4)对频率差分波束形成的输出结果进行采样点的抽取与平滑，形成ping-pang周期内的瀑布图显示，得到探测目标的方位与距离。
[0064]
降采样具体处理为：通过一个低通滤波器，带宽为f/(2m),f为原始信号带宽，m为样点抽取间隔。通过滤波器后进行第二次采样，抽取间隔为m。
[0065]
本次实施例中的输入数据为某线列阵声纳的海上试验数据，基阵水听器数目m＝16，水听器间距d＝7.5m，阵长120m，采样率fs＝128khz，声速c＝1450m/s。主动发射声源带宽b＝600-800hz，脉宽是tao＝0.5秒，脉冲重复周期为t＝60秒，波束形成间隔设置为1
°
，做1～180
°
范围的波束形成。
[0066]
如图1所示，为本发明所述探测方法整体的算法流程图；
[0067]
本发明提出了基于频率差分波束形成的栅瓣抑制主动探测方法，具体步骤如下：
[0068]
步骤1：对应图1中的步骤101，对m＝16个阵元中每个阵元的采样信号，取l＝tao*fs采样点长度的阵列数据形成一个快拍，作为数据输入。
[0069]
x(t)＝[x1(k) x2(k) ... xm(k)]
t
[0070]
其中，xi(k)为第i个阵元的接收信号，xi(k)＝[xi(1) xi(2) ... xi(l)]，l为数据快拍的采样点长度。
[0071]
步骤2：对应图1中的步骤102，对数据快拍x(t)做时域匹配滤波，具体过程如下。
[0072][0073]
其中，t为拷贝信号长度，pi(t)为每个通道匹配滤波后输出结果。
[0074]
步骤3：对应图1中的步骤103，匹配滤波后，对每个阵元匹配滤波后的输出结果pi(t)进行fft变换，频域表示式可进行如下模型假设：
[0075][0076]
其中，f为信号频率，ai(f)为第i个目标反射信号频谱，m为阵元序号，d为相邻阵元间距，c为声速，θi为第i个目标来波方向。
[0077]
为第i个目标，第m号阵元在频点处的值，为第i个目标，第m号阵元在处的值，将定义为与的乘积，具体表示式如下：
[0078][0079]
其中，上标*号表示复共轭。δf表示频率差，满足不等式1/t＜δf＜f
h-f
l
，同时为了抑制旁瓣的产生还需要满足不等式δf≤c/(2d)。f表示待检测频率,满足不等式f
l
≤f≤f
h-δf，f
l
与fh分别发射探测信号上限与下限频率。
[0080]
差分波束形成的导向矢量如下式所示：
[0081]
wm(δf,sinθ)＝exp(-j2πδf(m-1)dsinθ/c)
[0082]
频率处的复数波束输出与频率差δf的关系如下式所示：
[0083][0084]
联立以上几个方程，可得：
[0085][0086]
对于给定的δf，fdb的宽带波束输出可以通过非相干的方式获得的平均值，即频率差分波束形成的最终输出结果的表达式为：
[0087][0088]
此处对频谱信号进行了一个建模，假设第i个目标信号频谱进行相移结果是这样。在实际使用时可直接将匹配滤波结果进行fft变作为这部分算法输入。推到过程中使用了第i个目标这种假设，实际使用时是对180度方位进行全部扫描，即假设目标分别出现在不同方位。
[0089]
步骤4：对应图1中的步骤104、105,对频率差分波束形成的输出结果进行采样点的抽取与平滑，形成ping-pang周期内的瀑布图显示。
[0090]
步骤5：对应图1中的步骤106,得到探测目标的方位与距离。
[0091]
如图2所示，为本发明所述探测方法的系统流程框图，具体包括：首先，将线列阵声纳接收到的原始基阵数据分为n个通道，n为设置的个数，并对每个通道进行带通滤波与匹配滤波，确定目标在单个ping-pang周期内的峰值点；然后，对脉冲压缩后的阵列数据进行频率差分波束形成，在得到含有目标方位的空间图像，同时可有效抑制栅瓣的产生；最后，含有目标方位的空间图像按照n个方位，通过采样点的抽取与平滑，在声纳显控设备中得到探测目标的方位与距离。
[0092]
常规方法采用时域波束形成或频域波束形成方法，然后将波束输出结果进行匹配滤波，最后进行降采样、平滑等后续处理。
[0093]
如图3所示，为常规方法与本发明方法仿真结果对比图，其中，图3(a)为常规探测方法结果图，图3(b)为(a)中标记目标距离处瞬时方位幅度图,图3(c)为本发明所述探测方法结果图,图3(d)为(c)中标记目标距离处瞬时方位幅度图；
[0094]
在图3(a)、(b)中，由于栅瓣的影响，在同一距离处出现多处虚假目标，虚警率很高。在图3(c)、(d)中，栅瓣得到很好抑制，目标虚警率低，真实目标很容易进行手动或自动标记。
[0095]
如图4所示，为常规方法与本发明方法某次海试数据处理对比结果，其中，图4(a)为常规探测方法结果图,图4(b)为(a)中标记目标距离处瞬时方位幅度图，图4(c)为本发明所述探测方法结果图，图4(d)为(c)中标记目标距离处瞬时方位幅度图；
[0096]
在图4(a)、(b)中，由于栅瓣的影响，在同一距离处出现多处虚假目标，无法找到真实目标。在图4(c)、(d)中，栅瓣得到很好抑制，目标虚警率明显降低，真实目标很容易进行手动或自动标记。
[0097]
从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明能够在实现准确探测目标位置方向的同时，实现了栅瓣的有效抑制。
[0098]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。