一种基于倒谱原理的主动目标相对径向运动速度的估计方法

1.本发明涉及主动声呐系统中的目标参数估计领域，特别是涉及一种基于倒谱原理的主动目标相对径向运动速度的估计方法。


背景技术：

2.主动声呐通过发射声波接收目标回波信号，对接收到的回波进行特征提取，从而估计目标参数。主动声呐常用的发射信号为宽带信号，宽带信号的频率分辨力较差，使用宽带信号对目标相对径向运动速度的估计不能满足实际需求，尤其是在低信噪比的情况下。
3.目前使用宽带信号进行目标相对径向运动速度估计的方法主要是匹配追踪法，该方法通过遍历所有的目标相对径向运动速度回波与发射信号的匹配滤波结果，记录不同速度值下匹配滤波结果的最大值，找出不同速度下记录的匹配滤波最大值中的最大值，将该最大值所对应的速度值作为估计的目标相对径向运动速度值。匹配追踪法的计算复杂度较高，要求的测量精度越高，所需要的计算量也越大。倒谱是一种非线性信号运算方法，可以将信号中的卷积运算转变为倒谱域中的相加运算，常常用于估计目标的时延，目前没有将倒谱用于估计主动目标相对径向运动速度的先例。
4.在实际情况中，目标相对于声呐的运动方向也是一个受到关注的部分，在主动声呐宽带系统中，如何使用较少的计算量估计目标的相对径向运动速度大小，并判定目标的相对运动方向是目前水声研究的热点问题之一。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于倒谱原理的主动目标相对径向运动速度的估计方法，用以解决背景技术中提及的技术问题。本发明通过发射组合脉冲信号，基于倒谱原理，结合匹配滤波，在较低信噪比情况下，利用较小的计算量较为准确的估计目标的相对径向运动速度。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种基于倒谱原理的主动目标相对径向运动速度的估计方法，所述方法包括：
8.步骤s1、构建宽带组合脉冲信号，并且将其作为主动声呐的发射信号，其中，该宽带组合脉冲信号包括子脉冲信号和延迟后的子脉冲信号，记录该组合脉冲信号中的预设时延值；
9.步骤s2、设定主动目标的最大径向运动速度，再确定倒谱中的时间搜索范围；
10.步骤s3、使用发射信号中的子脉冲信号与主动声呐接收到的回波信号进行匹配滤波；
11.步骤s4、对步骤s3中得到的匹配滤波结果进行倒谱变换；
12.步骤s5、寻找步骤s4中得到的倒谱结果中时间搜索范围内的最大值，记录该最大值所对应的时间，并估计目标相对径向运动速度的大小和方向。
13.进一步的，所述步骤s1包括：
14.主动声呐发射宽带组合脉冲信号表示为：
15.u(n)＝s(n) s(n-ns)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
16.在该公式(1)中，s(n)为子脉冲信号，s(n-ns)为延迟后的子脉冲信号，其中ns是由τs×fs
四舍五入后的整数，τs为预设的时延，fs为主动声呐系统的采样频率，t
p
为组合脉冲信号的发射周期；
17.子脉冲信号s(n)为hfm信号，具体表示为：
[0018][0019]
在该公式(2)中，t为子脉冲信号的脉冲宽度，a为幅度，f0为时间中心频率，b为调频宽度，信号的最低频率为赫兹，信号的最高频率为赫兹，n为以fs赫兹采样的时间点。
[0020]
进一步的，所述步骤s2包括：
[0021]
根据多普勒原理，确定倒谱中的时间搜索范围为[τ
s-δτ,τs δτ]秒，其中，秒，为最大的多普勒因子，v
max
为主动目标的最大径向运动速度，c是声波在水中的传播速度。
[0022]
进一步的，在步骤s3中，利用步骤s1中发射信号的子脉冲信号s(n)，通过下式与接收到的回波信号ur(n)进行匹配滤波，包括：
[0023][0024]
进一步的，所述步骤s4包括：
[0025]
根据倒谱分析原理，利用下式对步骤s3得到的匹配滤波结果进行倒谱变换，包括：
[0026]cy
(n)＝f-1
{log|f{y(n)|}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0027]
在公式(4)中，f{}代表离散傅立叶变换，为f(n)的离散傅立叶变换，f-1
{}代表逆离散傅立叶变换，为f(k)的逆离散傅立叶变换，nf为信号f(n)的点数。
[0028]
进一步的，所述步骤s5包括：
[0029]
步骤s501、寻找步骤s4得到的倒谱结果cy(n)中[τ
s-δτ,τs δτ]范围内的最大值
所对应的时间δtc，再执行如下判断：
[0030]
根据多普勒原理，当δtc＜τs时，脉宽压缩，判断目标的相对径向运动速度v
est
＞0，目标靠近声呐运动；
[0031]
当δtc＞τs时，脉宽拉伸，判断目标的相对径向运动速度v
est
＜0，目标远离声呐运动；
[0032]
步骤s502、利用公式计算主动目标的相对径向运动速度，获得其速度估计值。
[0033]
本发明的有益效果是：
[0034]
本发明提供的一种基于倒谱原理的主动目标相对径向运动速度的估计方法，通过发射组合脉冲信号，结合倒谱原理与匹配滤波，在较低信噪比情况下，可用较小的计算量较为准确的估计主动目标的相对径向运动速度。
附图说明
[0035]
图1为实施例1和实施例2中使用的主动目标的亮点模型；
[0036]
图2为实施例1中，回波亮点个数n＝2、预设时延值τs＝0.5秒、目标相对径向运动速度v＝-5米/秒、信噪比为5分贝时的匹配滤波结果图；
[0037]
图3为实施例1中，回波亮点个数n＝2、预设时延值τs＝0.5秒、目标相对径向运动速度v＝-5米/秒、噪比为5分贝时的倒谱结果图；
[0038]
图4为实施例2中，回波亮点个数n＝4、预设时延值τs＝1.5秒、目标相对径向运动速度v＝10米/秒时，倒谱法和匹配追踪法在不同信噪比时估计的目标相对径向运动速度值对比图；
[0039]
图5为实施例1和实施例2中提供的主动目标相对径向运动速度估计的流程图。
具体实施方式
[0040]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
实施例1
[0042]
参见图1-图3以及图5，本实施例提供一种基于倒谱原理的主动目标相对径向运动速度的估计方法，该方法的流程如图5中所示，该方法具体包括如下的步骤：
[0043]
步骤s1、构建宽带组合脉冲信号，并且将其作为主动声呐的发射信号，其中，该宽带组合脉冲信号包括子脉冲信号和延迟后的子脉冲信号，记录该组合脉冲信号中的预设时延值。
[0044]
在本实施例中，该步骤s1具体包括：
[0045]
主动声呐发射宽带组合脉冲信号表示为：
[0046]
u(n)＝s(n) s(n-ns)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0047]
在该公式(1)中，s(n)为子脉冲信号，s(n-ns)为延迟后的子脉冲信号，其中ns是由τs×fs
四舍五入后的整数，预设时延值τs为0.5秒，主动声呐系统的采样频率fs为5000赫兹，组合脉冲信号的发射周期t
p
为10秒；
[0048]
上述的子脉冲信号s(n)为hfm信号，具体表示为：
[0049][0050]
在该公式(2)中，子脉冲信号的脉冲宽度t为1秒，幅度a为1，时间中心频率f0为1000赫兹，调频宽度b为500赫兹，信号的最低频率为赫兹，信号的最高频率为赫兹，n为以fs赫兹采样的时间点。
[0051]
步骤s2、设定主动目标可能出现的最大径向运动速度，再确定倒谱中的时间搜索范围。
[0052]
具体的说，在本实施例中，该步骤s2包括：
[0053]
根据多普勒原理，确定倒谱中的时间搜索范围为[τ
s-δτ,τs δτ]秒，其中，秒，为最大的多普勒因子，主动目标可能出现的最大径向速度v
max
为15米/秒，声波在水中的传播速度c为1500米/秒。
[0054]
步骤s3、使用发射信号中的子脉冲信号与回波信号进行匹配滤波。
[0055]
具体的说，在本实施例中，使用仿真的回波信号，如图1所示的亮点模型，在该图中，n代表目标的亮点个数，u'i(n)为第i个亮点所产生的回波，li为第i个亮点与声呐之间的距离。
[0056]
本实施例中目标具有n＝2个亮点，利用下式得到回波信号：
[0057][0058]
在该公式(3)中，u'i(n)＝s'i(n) s'i(n-ns)，其中，
[0059][0060]
[0061]
在公式(4)和(5)中，bi为第i个亮点的反射系数，根据多普勒原理，主动目标的径向速度v为-5米/秒时，重采样信号频率为赫兹，ni为四舍五入后的整数，n
rs
为τs×frs
四舍五入后的整数。
[0062]
更具体的说，在本实施例中，两个亮点的反射系数分别为b1＝0.6、b2＝0.9，两个亮点距声呐的距离分别为l1＝200米、l2＝230米。
[0063]
其中，公式(4)和(5)中的s'(n)具体表示为：
[0064][0065]
在公式(6)中，n'为在[0,t
p
]范围内以f
rs
赫兹采样的时间点，为第i个亮点附加的随机相位，是一个在[0,2π]范围内的随机数，n(n)为系统噪声，信噪比为5分贝；
[0066]
利用步骤s1中发射信号的子脉冲信号s(n)，通过下式与接收到的回波信号ur(n)进行匹配滤波，包括：
[0067][0068]
在该公式(7)中，ur()和s()代表的是进行匹配滤波的两个信号，n为匹配滤波最后结果的横坐标，i为计算累加过程的中间量；得到的匹配滤波结果如图2。更具体的说，得到的仅为本实施例中设置的信噪比为-5分贝条件下的结果。
[0069]
步骤s4、对步骤s3中得到的匹配滤波结果进行倒谱变换。
[0070]
具体的说，在本实施例中，该步骤s4包括：
[0071]
根据倒谱分析原理，利用下式对步骤s3得到的匹配滤波结果进行倒谱变换，包括：
[0072]cy
(n)＝f-1
{log|f{y(n)|}
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0073]
在公式(8)中，f{}代表离散傅立叶变换，为f(n)的离散傅立叶变换，f-1
{}代表逆离散傅立叶变换，为f(k)的逆离散傅立叶变换，nf为信号f(n)的点数，得到的倒谱结果如图3。
[0074]
步骤s5、寻找步骤s4中得到的倒谱结果中时间搜索范围内的最大值，记录该最大值所对应的时间，并估计目标相对径向运动速度的大小和方向。
[0075]
具体的说，在本实施例中，该步骤s5包括：
[0076]
步骤s501、寻找步骤s4得到的倒谱结果cy(n)中[τ
s-δτ,τs δτ]范围内的最大值所对应的时间δtc，更具体的说，在本实施中，δtc为0.5034秒，根据多普勒原理，此时δtc＞τs，脉宽拉伸，判断目标的相对径向运动速度v
est
＜0，目标正在远离声呐运动；
[0077]
步骤s502、利用公式计算主动目标的相对径向运动速度为-5.1米/秒，估计误差为2％，本实施例的运行时间为0.10488秒。
[0078]
实施例2
[0079]
参见图1、图4和图5，本实施例同样提供一种基于倒谱原理的主动目标相对径向运动速度的估计方法，该方法的流程同样如图5中所示，该方法具体包括：
[0080]
步骤s1、构建宽带组合脉冲信号，并且将其作为主动声呐的发射信号，其中，该宽带组合脉冲信号包括子脉冲信号和延迟后的子脉冲信号，记录该组合脉冲信号中的预设时延值。
[0081]
在本实施例中，该步骤s1具体包括：
[0082]
主动声呐发射宽带组合脉冲信号表示为：
[0083]
u(n)＝s(n) s(n-ns)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0084]
在该公式(1)中，s(n)为子脉冲信号，s(n-ns)为延迟后的子脉冲信号，其中ns是由τs×fs
四舍五入后的整数，预设时延值τs为1.5秒，主动声呐系统的采样频率fs为10000赫兹，组合脉冲信号的发射周期t
p
为10秒；
[0085]
上述的子脉冲信号s(n)为hfm信号，具体表示为：
[0086][0087]
在该公式(2)中，子脉冲信号的脉冲宽度t为1秒，幅度a为1，时间中心频率f0为1000赫兹，调频宽度b为500赫兹，信号的最低频率为赫兹，信号的最高频率为赫兹，n为以fs赫兹采样的时间点。
[0088]
步骤s2、设定主动目标可能出现的最大径向运动速度，再确定倒谱中的时间搜索范围。
[0089]
具体的说，在本实施例中，该步骤s2包括：
[0090]
根据多普勒原理，确定倒谱中的时间搜索范围为[τ
s-δτ,τs δτ]秒，其中，秒，为最大的多普勒因子，主动目标可能出现的最大径向速度v
max
为15米/秒，声波在水中的传播速度c为1500米/秒。
[0091]
步骤s3、使用发射信号中的子脉冲信号与回波信号进行匹配滤波。
[0092]
具体的说，在本实施例中，使用仿真的回波信号，如图1所示的亮点模型，在该图中，n代表目标的亮点个数，u'i(n)为第i个亮点所产生的回波，li为第i个亮点与声呐之间的距离。
[0093]
本实施例中目标具有4个亮点，利用下式得到回波信号：
[0094][0095]
在该公式(3)中，u'i(n)＝s'i(n) s'i(n-ns)，其中，
[0096][0097][0098]
在公式(4)和(5)中，bi为第i个亮点的反射系数，根据多普勒原理，主动目标的径向速度v为10米/秒时，重采样信号频率为赫兹，ni为四舍五入后的整数，n
rs
为τs×frs
四舍五入后的整数。
[0099]
更具体的说，在本实施例中，四个亮点的反射系数分别为b1＝0.5、b2＝0.9、b3＝0.7、b4＝0.4，四个亮点距声呐的距离分别为l1＝500米、l2＝530米、l3＝575米、l4＝596米。
[0100]
其中，公式(4)和(5)中的s'(n)具体表示为：
[0101][0102]
在公式(6)中，n'为在[0,t
p
]范围内以f
rs
赫兹采样的时间点，为第i个亮点附加的随机相位，是一个在[0,2π]范围内的随机数，n(n)为系统噪声，为说明本发明的抗噪声性能，在本实施例中，生成具有不同信噪比的仿真回波信号，信噪比的变化范围为[-20,20]分贝，变化精度为1分贝。
[0103]
更具体的说，本实施例的信噪比不为一个固定值，而是生成了从-20到20分贝的信噪比的40个回波，对每一个回波进行一次速度估计，一共进行了40次速度估计。
[0104]
利用步骤s1中发射信号的子脉冲信号s(n)，通过下式与回波信号ur(n)分别进行匹配滤波，包括：
[0105][0106]
对不同信噪比时的回波信号进行相同的操作可得到不同信噪比时的匹配滤波结果；
[0107]
步骤s4、对步骤s3中得到的匹配滤波结果进行倒谱变换。
[0108]
具体的说，在本实施例中，该步骤s4包括：
[0109]
根据倒谱分析原理，利用下式对步骤s3得到的匹配滤波结果进行倒谱变换，包括：
[0110]cy
(n)＝f-1
{log|f{y(n)|}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0111]
在公式(8)中，f{}代表离散傅立叶变换，为f(n)的离散傅立叶变换，f-1
{}代表逆离散傅立叶变换，为f(k)的逆离散傅立叶变换，nf为信号f(n)的点数。对步骤s3得到的不同信噪比时的匹配滤波结果进行同样的操作得到不同信噪比时的倒谱结果。
[0112]
步骤s5、寻找步骤s4中得到的倒谱结果中时间搜索范围内的最大值，记录该最大值所对应的时间，并估计目标相对径向运动速度的大小和方向。
[0113]
具体的说，在本实施例中，该步骤s5包括：
[0114]
寻找步骤s4得到的倒谱结果cy(n)中[τ
s-δτ,τs δτ]范围内的最大值所对应的时间δtc，根据多普勒原理，利用公式计算主动目标的相对径向运动速度，对不同信噪比时的倒谱结果进行同样的操作得到不同信噪比时的相对径向运动速度值，本实施例中倒谱法的总共运行时间为2.0493秒，具体为进行40次速度估计的总时间，更具体的说，在本实施例中，对每个不同信噪比的回波执行一次本实施例方法，本实施例2中一共执行了40次步骤s1-s5。
[0115]
步骤s6、与传统的匹配追踪法估计的运动速度结果进行对比，匹配追踪法使用本实施例中的仿真回波信号，匹配追踪法构建的原子库所对应的速度范围为[-15,15]米/秒，精度为0.05米/秒，使用原子库中的信号与回波信号遍历进行匹配滤波，找出所有匹配滤波结果中幅值最大的情况，将该情况所对应的信号的速度值作为速度的估计值；对不同信噪比的回波信号进行相同的操作，得到不同信噪比时使用匹配追踪法的速度估计值，本实施例中匹配追踪法的总共运行时间为785.6234秒。
[0116]
图4为本发明方法和匹配追踪法在不同信噪比条件下估计的目标相对径向运动速度值对比图，以回波信号的信噪比为横坐标，速度估计值为纵坐标。匹配追踪法在回波信号信噪比低于-5分贝时，估计的目标相对径向运动速度误差逐渐增大；本实施例方法在回波信噪比为[-20,20]分贝范围内，估计的目标相对径向运动速度值接近设定值10米/秒。相较于传统的匹配追踪法，本发明方法的计算量更小，运行速度更快，且在较低信噪比情况下依旧能较为准确的估计出目标的相对径向运动速度值。
[0117]
综上所述，从实施例1和实施例2的结果可以看出，本发明可以获得良好的估计精度，且计算步骤简单，计算量小，同时具有良好的抗噪声能力，适用于主动声呐目标相对径向运动速度的估计。
[0118]
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
[0119]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无
需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。