目標回波亮點測量方法
2023-06-15 00:14:36
專利名稱：目標回波亮點測量方法
技術領域：
本發明涉及的是測量領域的主動探測系統的目標測量方法。
背景技術：
目標回波是入射波與目標相互作用後產生的，它不僅與入射聲波的波形有關，還 與入射聲波的方向、目標的運動姿態、海水介質、聲源與目標的相對位置等因素相關聯，人 們對回波進行分析處理，可以提取目標的特徵信息，如果再輔以某些先驗知識，就可以實現 目標檢測和識別。理論分析和實驗研究都證明，任何一個複雜目標，在高頻情況下，它的回 波都是有若干個子回波迭加而成的，每個子回波可以看作是從某個散射點反射的波，這個 散射點就是亮點。它可以是真實的亮點，也可以是某個等效的亮點。這樣，任何一個複雜目 標都可以等效成若干個散射亮點的組合。回波亮點空間結構的研究，對理解回波產生機理有深遠的意義。主動聲納向著低 頻方向發展，只有低頻，大功率且與信道相匹配的主動聲納才能實現對隱身目標的遠程探 測。目前美國的主動聲納工作頻率已降低到400Hz。而目標回波是目標在入射波激勵下產 生的一種物理過程，因此回波中的某些特徵信息是主動聲納實現目標探測和識別的基礎。 聲納處理機通過對回波信號進行處理提取這些特徵量，從而進行分類識別。不同的亮點在 聲軸上相互錯開，形成沿著距離分布的特徵。因此，在入射波激勵下的目標回波可以明顯分 離出各個亮點回波，這一特徵提供了分析目標亮點及其特性的基本途徑。當入射方位變化 時，亮點之間的相對距離和聲程隨之變化。因此亮點的分布特徵與方位角有密切關係，造成 回波的各種時空特性。這也就使得目標的亮點結構測量成為關注點。因而，有必要發展低 頻回波測量技術，以順應今後幾年聲納技術發展的需要。目前，國內已經做了大量針對高頻(一般是在20kHz 35kHz頻段)下目標回波 測量的工作，尚未進行低頻目標回波的亮點分布結構的測量工作。以往測量目標回波亮點 的技術一般都是採用傳統的波束形成方法，這種方法在測量多亮點時將會出現模糊，有測 量精度低的問題。若再將這種方法用於測量低頻(IkHz及其以下)目標回波亮點，它的主 瓣將變得很寬，目標回波亮點的解析度也會降的很低，無法高精度的測量也就成了沒有人 研究測量低頻目標回波亮點分布的一個原因。綜上所述，測量低頻目標回波亮點的方法有待於研究。
發明內容
本發明的目的在於提供可以克服常規波束形成易受瑞利限限制、旁瓣幹擾且計算 量小、精度高的目標回波亮點測量方法。本發明的目的是這樣實現的本發明目標回波亮點測量方法，其特徵是(1)接收陣接收回波信號，利用互相關分裂陣波束形成技術估計回波亮點的方位、 並作為角度搜索範圍的中心值，以中心值的-10度到10度範圍作為角度搜索的範圍；
(2)在已確定的角度搜索範圍內採用極坐標的方式進行掃描，得到波束輸出；(3)將輸出的波束與發射信號的拷貝作互相關；(4)測拷貝相關的峰值的最大值，峰值的位置即是回波亮點的位置。本發明目標回波亮點測量方法還可以包括1、所述的接收陣是半波間距陣或稀疏陣。2、所述的接收的回波信號，當回波信號為窄帶信號時，採用MVDR聚焦波束形成方 法形成波束；當回波信號為寬帶信號時，採用MVDR聚焦波束形成方法或STMV聚焦波束形成 方法形成波束。本發明的優勢在於採用分裂陣互相關測向技術可以有效的減少計算量，使用 MVDR與聚焦波束形成相融合，較常規的聚焦波束形成具有更高的解析度和更低的旁瓣級； 而拷貝相關具有有效地接收信號能量而抑制幹擾的輸出功率的特點，使得在低信噪比環境 下MVDR聚焦波束形成的聚焦峰更加尖銳，背景更加平滑，旁瓣級更低。此種方法不僅適用 於半波間距陣，同時應用於稀疏陣也會有很好的效果。本發明不僅適用於測量低頻目標回 波亮點，也同樣適合於高頻情況。
圖1為本發明的測量框圖；圖2為本發明水平線列陣模型布放圖；圖3為本發明互相關分裂陣測向模塊示意圖；圖4為本發明互相關分裂陣測向系統框圖；圖5為本發明寬帶信號MVDR聚焦波束形成的處理流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述結合圖1 5，本發明目標回波亮點測量方法分為以下四個步驟(1)接收陣接收回波信號，利用互相關分裂陣波束形成技術估計回波亮點的方位、 並作為角度搜索範圍的中心值，以中心值的-10度到10度範圍作為角度搜索的範圍；接收 陣是半波間距陣，也可以使稀疏陣；當回波信號為窄帶信號時，採用MVDR聚焦波束形成方 法形成波束；當回波信號為寬帶信號時，採用MVDR聚焦波束形成方法或STMV聚焦波束形成 方法形成波束；(2)採用最小方差信號無畸變響應MVDR聚焦波束形成的技術，在已確定的角度搜 索範圍內採用極坐標的方式進行掃描，得到波束輸出；(3)將輸出的波束與發射信號的拷貝作互相關；(4)測拷貝相關的峰值的最大值，峰值的位置即是回波亮點的位置。結合圖2，給出水平線列布防示意圖，海面1與海底2的垂直距離為H米，N元水平 線列陣3布放在海深h米處，目標4在某一深度等深航行。水平陣接收寬帶回波信號，先利 用分列陣互相關波束形成的方法估計目標回波亮點的方位。互相關分裂陣測向模塊示意圖 和系統原理圖分別如圖3和圖4所示。目標回波信號的方位假設為Qtl，將基陣陣元分為兩 組，每一組等效為一假想基元，由1至M個陣元輸出求和後得到左波束，由N-M+1至N個陣元輸出求和得到右波束。對左右波束輸出波形作互相關，檢測互相關峰值的位置，從而得到 估計的時延值，再利用時延與目標回波方位之間的關係，從而得到方位的估計值麼。互相關分裂陣波束形成測向的方法，在高信噪比情況下，是可以高精度定位的；但 在信噪比很低的條件，測向精度會降低，故在估計亮點方位後，採用高精度的MVDR聚焦波 束形成的方法在將此方位的-10度到10度範圍內進行精測。MVDR方法本身是針對窄帶信號 提出的，而目標回波的形式可以是窄帶信號外，也可以是寬帶信號，如線性調頻信號(LFM)。 針對寬帶信號作窄帶分解，即先將各陣列接收到的一段時間內的寬帶信號作子段分割，可 以允許每段數據有部分的交疊，然後對每個子段作窄帶分解(如FFT)，獲得每個子段的窄 帶包絡，對各子段作MVDR聚焦波束形成得到波束輸出，再對各窄帶的波束形成結果進行綜 合(如簡單平均)，在積分時間內得到整個頻帶上的波形結果。整個流程圖如圖5所示。拷貝相關本身就有抗幹擾，抗混響的能力，僅因水聲信道是更複雜的多途相干信 道，經多徑傳播後接到的回波與發射信號有明顯的不同，相關係數很低，旁瓣明顯升高且雜 亂無章，甚至丟失信號的識別和檢測特徵，從而抑制了其在水聲領域的發展。現將MVDR聚 焦波束形成的波束輸出與信號源發生信號的拷貝做相關，這樣相關性較好，可以更有效地 接收信號而抑制幹擾的輸出功率，在拷貝相關函數圖上將會出現一個峰值，通過檢測這個 峰值的位置，從而確定目標回波亮點的位置。本發明不僅適用於測量低頻目標回波亮點，也同樣適合於高頻情況。
權利要求
目標回波亮點測量方法，其特徵是(1)接收陣接收回波信號，利用互相關分裂陣波束形成技術估計回波亮點的方位、並作為角度搜索範圍的中心值，以中心值的 10度到10度範圍作為角度搜索的範圍；(2)在已確定的角度搜索範圍內採用極坐標的方式進行掃描，得到波束輸出；(3)將輸出的波束與發射信號的拷貝作互相關；(4)測拷貝相關的峰值的最大值，峰值的位置即是回波亮點的位置。
2.根據權利要求1所述的目標回波亮點測量方法，其特徵是所述的接收陣是半波間 距陣或稀疏陣。
3.根據權利要求1或2所述的目標回波亮點測量方法，其特徵是所述的接收的回波 信號，當回波信號為窄帶信號時，採用MVDR聚焦波束形成方法形成波束；當回波信號為寬 帶信號時，採用MVDR聚焦波束形成方法或STMV聚焦波束形成方法形成波束。
全文摘要
本發明的目的在於提供目標回波亮點測量方法。接收陣接收回波信號，利用互相關分裂陣波束形成技術估計回波亮點的方位、並作為角度搜索範圍的中心值；在已確定的角度搜索範圍內採用極坐標的方式進行掃描，得到波束輸出；將輸出的波束與發射信號的拷貝作互相關；測拷貝相關的峰值的最大值，峰值的位置即是回波亮點的位置。本發明可有效的減少計算量，較常規的聚焦波束形成具有更高的解析度和更低的旁瓣級，而拷貝相關具有有效地接收信號能量而抑制幹擾的輸出功率的特點，使得在低信噪比環境下MVDR聚焦波束形成的聚焦峰更加尖銳，背景更加平滑，旁瓣級更低。
文檔編號G01S15/06GK101907708SQ20101023502
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月23日 優先權日2010年7月23日
發明者惠俊英, 惠娟, 溫韶娟, 趙安邦 申請人:哈爾濱工程大學