CN113567990A - 一种基于hfm脉冲串信号的测速测距方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于HFM脉冲串信号的测速测距方法,包括如下步骤:(1)假定目标向着声纳***运动,其运动速度v为正;(2)首先发射HFM脉冲信号1,一个量程之后,发射HFM脉冲信号2,待量程扫描完之后,以此类推发射其他形式的HFM脉冲信号;(3)分别找出串内匹配滤波极大值出现的时间;(4)利用脉冲串内各信号之间的时延关系,计算目标与声纳***之间的距离R和目标速度v;(5)利用计算出来的速度进行脉冲串内的信号对齐;(6)将信号进行MTD脉冲间的相参运算,得到串内N个脉冲的处理。本发明利用不同频段、脉宽的HFM脉冲信号进行测速测距,既保证能够测速,又提高测速、测距精度,同时又能提高信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及水声学信号处理领域,尤其涉及一种基于双曲调频(HyperbolicFrequency Modulation,HFM)脉冲串信号的测速测距方法。
背景技术
针对目标的主要手段是低频(HFM+脉冲连续波(Pulse truncated ContinuousWave,PCW)主动探测;测量目标对地速度是判断水下目标存在的重要依据。目前声纳中常用的测速信号形式:单频信号(PCW)、正反双曲调频信号。
①PCW信号测速
利用PCW信号回波的多普勒频移估算速度;PCW信号由于在声场中工作不稳定,不能够持续有效地接触目标,高信噪比的回波可实现测速,当信噪比稍微不满足要求时,会引起较大的测速误差,甚至测速错误。
②正反HFM信号测速
通过发射相同频段、相同脉宽但调制方式相反的一组HFM信号,利用目标的多普勒对正反调频信号产生的时延大小相同、方向相反的原理实现测速。正反HFM信号要求正调频信号HFM+、反调频信号HFM-的频段、脉宽相同,需要损失信号能量的一半用来测速,浪费了频段资源或脉宽资源。
发明内容
针对以上情况,本发明提出一种基于HFM脉冲串信号的测速测距方法(a Pulsesequence method based on HFM for Speed measurement and Ranging,PHSR)。此方法不但可以克服以上缺点,还具有灵活性,既保证能够测速,又能提高测速、测距精度,另一方面,HFM之间可进行动目标检测(Moving Target Detection,MTD)相干积累,大大提高信号的信噪比,从而使信号更加明显,最终提高主动探测能力。
为了实现上述目标,本发明通过如下技术方案实现。
一种基于HFM脉冲串信号的测速测距方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1)假定目标向着声纳***运动,其运动速度v为正;
S2)首先发射HFM脉冲信号1,一个量程之后,发射HFM脉冲信号2,待量程扫描完之后,以此类推发射其他形式的HFM脉冲信号;
S3)分别找出串内匹配滤波极大值出现的时间;
S4)利用脉冲串内各信号的时延关系,计算目标与声纳***之间的距离R和目标速度v;
S5)利用计算出来的速度进行脉冲串内的信号对齐;
S6)将信号进行MTD脉冲间的相参运算,得到串内N个脉冲的处理。
进一步,所述步骤S2)中所述的一个量程之后,指的是HFM脉冲信号能到达的最远距离。
进一步,所述步骤S2)中所述的其他形式的HFM脉冲信号,指的是不同频段、脉宽的HFM信号。
进一步,所述步骤S5)中的所述的信号对齐,把信号利用速度对信号之间的影响,然后对各信号时延对齐。
进一步,所述步骤S6)中的所述的N,指的是假设在一个脉冲积累期间接收到的脉冲回波总数目为N。
本发明的有益效果是:
(1)本发明采用不同频段、脉冲的HFM信号,可以有效避免在水中某些频段因传播损失过大,造成回波能量不足,无法有效检测的问题;
(2)串内不同HFM信号之间可进行MTD相干积累,大大提高信号的信噪比,从而使信号更加明显,最终提高主动探测能力;
(3)串内的HFM之间可相互计算目标的速度、距离,减少单次计算造成的计算误差,可准确的计算目标速度。从而本发明既保证能够测速,又能提高测速、测距精度。
附图说明
图1为本发明实施例中PHSR方法工作过程示意图;
图2为本发明实施例中脉冲串的信号处理框图;
图3为本发明实施例中相参积累示意图;
图4为本发明实施例中基于仿真条件1的单个HFM探测示意图;
图5为本发明实施例中基于仿真条件1的PHSR方法处理后的示意图;
图6为本发明实施例中基于仿真条件2的单个HFM探测示意图;
图7为本发明实施例中基于仿真条件2的PHSR方法处理后的示意图;
图8为本发明实施例中基于仿真条件3的单个HFM探测示意图;
图9为本发明实施例中基于仿真条件3的PHSR方法处理后的示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。一种基于HFM脉冲串信号的测速测距方法,如图1所示,方法包括如下步骤:
S1)假定目标向着声纳***运动,其运动速度v为正。
S2)首先发射HFM脉冲信号1,一个量程之后,发射HFM脉冲信号2,待量程扫描完之后,以此类推发射其他形式的HFM脉冲信号。
所述的一个量程之后,指的是HFM脉冲信号能到达的最远距离;
所述的其他形式的HFM脉冲信号,指的是不同频段、脉宽的HFM信号。
S3)分别找出串内匹配滤波极大值出现的时间。
S4)利用脉冲串内各信号的时延关系,计算目标与声纳***之间的距离R和目标速度v。
本发明中,求解R与v是在如下技术方案的基础上实现的,具体包含如下步骤:
S401)目标运动对HFM信号回波的脉宽T的影响计算。
式中c代表声音在水中的速度,此处c = 1500 m/s。
S402)HFM发射信号的瞬时频率和接收信号的瞬时频率的公式推导。
当使用不同频段或不同脉宽的HFM信号进行目标探测时,经过匹配滤波后,多普勒时延与频段或脉宽成比例,由此可区分得到目标到达时间和多普勒时延。
这里采用两个HFM脉冲信号:HFM脉冲信号1和HFM脉冲信号2来进行分析,获得两个脉冲信号之间的时延关系。
令:
根据公式(11)与(12),可以获得:
S404)利用脉冲串内各信号之间的时延关系,计算目标的运动速度v及距离R。
联立公式(14)和(15)距离R的计算公式为:
距离R的计算公式也可以表示为:
联立公式(16)与(17),可以获得脉冲到达时间。
由公式(14)与(18),可得:
由公式(2),(18)和(19)联立解得目标速度v:
其中,
理想的传输信道是无损均匀介质构成的无限空间,信号在传播过程中不产生任何畸变,但实际海水介质空间都是有损的非均匀介质空间,除了一般的吸收和扩散外,信号还会受到多途效应、信道时变、起伏效应的影响,导致回波被展宽,导致组合回波信号的回波位置不容易区分,为了实现速度的准确测量,尽可能使和的时间差明显。
S405)PHSR方法中的目标速度和距离的计算。
如图2所示,脉冲串里N个不同形式的HFM脉冲信号组成,利用脉冲串内两两HFM信号之间即可计算出速度和对应的距离,则共解算出的目标的速度和对应的距离个数为个。由于海洋环境是时变空变的,海洋信道相当于一个滤波器,某些频段的信号由于传播损失过大,导致回波中信号的能量过低无法有效的检测。有些回波虽然能检测,但是信噪比太低,噪声导致信号的到达时间与目标的真实回波的到达时间出现误差,因此脉冲串内选取信噪比高的峰值输出计算速度和距离,这样会使计算结果更精确。
S5)利用计算出来的速度进行脉冲串内的信号对齐。
信号对齐,把信号利用速度对信号之间的影响,然后对各信号时延对齐。
S6)将信号进行MTD脉冲间的相参运算,得到串内N个脉冲的处理。
相参积累MTD就是将处于同一距离门上的回波信号的幅度和相位进行叠加,以提高目标信噪比的一种积累方法。它一般是在零中频信号的复包络上进行的,它保留了接收脉冲间的相位关系,可使得积累后的信号能量增加。相参积累利用了所有脉冲的相位信息。假设在一个脉冲积累期间接收到的脉冲回波总数目为N,每个脉冲周期分成M个距离门。分别对N个脉冲回波进行离散采样,用xnm表示第n个脉冲回波的第m个距离门上的采样数据,那么N个脉冲回波序列的采样数据可以表示成一个N*M维的数据,如图3所示。M个距离门为快时间节拍,进行脉冲压缩处理,N个脉冲回波为慢时间节拍,进行相参脉冲积累MTD,可以将信号幅度大幅度提高。利用步骤S405)求得的距离和速度,去除脉冲串内的信号由于目标的多普勒运动引起的时延,将回波重新排列后,进行MTD运算。
我们设置了两个仿真条件来对PHSR方法进行性能评估。
仿真条件1:HFM脉冲串是由以下5个HFM信号组成的。在HFM信号1中,频段是200Hz-1000Hz,脉宽是1s;在HFM信号2中,频段是300Hz-1200Hz,脉宽是2s;在HFM信号3中,频段是400Hz-1400Hz,脉宽是3s;在HFM信号4中,频段是500Hz-1600Hz,脉宽是4s;在HFM信号5中,频段是600Hz-1900Hz,脉宽是6s。5个信号的采样频率都是7000Hz,目标距离均为7.5km,目标速度均为14m/s。
仿真条件2:HFM脉冲串是由以下4个HFM信号组成的。在HFM信号1中,频段是100Hz-200Hz,脉宽是1s;在HFM信号2中,频段是700Hz-900Hz,脉宽是2s;在HFM信号3中,频段是1000Hz-1200Hz,脉宽是3s;在HFM信号4中,频段是1700Hz-1900Hz,脉宽是4s。4个信号的采样频率都是7000Hz,目标距离均为7.5km,目标速度均为14m/s。
仿真条件3:HFM脉冲串是由以下5个HFM信号组成的。在HFM信号1中,频段是100Hz-200Hz,脉宽是2s;在HFM信号2中,频段是1000Hz-700Hz,脉宽是3s;在HFM信号3中,频段是1000Hz-1300Hz,脉宽是3s;在HFM信号4中,频段是1100Hz-1300Hz,脉宽是1s。4个信号的采样频率都是7000Hz,目标距离均为7.5km,目标速度均为14m/s。
图4显示了基于仿真条件1的单个HFM探测示意图,图5显示了基于仿真条件1的PHSR方法处理后的性能分析,表1给出了PHSR方法与单个HFM信号数值结果。从图4可以看出,经过匹配滤波后,HFM信号1,HFM信号2,HFM信号3,HFM信号4和HFM信号5的回波时间分别为 10.0236s,10.0502s,10.0792s,0.1096s和10.1652s。图5显示了基于脉冲串方法的MTD操作后的结果。根据公式(20),目标速度v为13.9914m/s。从表1中可以看出,PHSR的测速误差和测距误差分别为0.061429%和0%。HFM信号1,HFM信号2,HFM信号3,HFM信号4和HFM信号5的测距误差分别为0.0236%, 0.502%, 0.792%, 1.096%和1.652%。与HFM信号1,HFM信号2,HFM信号3,HFM信号4和HFM信号5相比,PHSR的测距精度提高比均为100%。
表1:仿真条件1下的数值结果
表1:仿真条件1下的数值结果(续)
图6显示了基于仿真条件2的单个HFM探测示意图,图7显示了基于仿真条件2的PHSR方法处理后的性能分析,表2给出了PHSR方法与单个HFM信号数值结果。从图6可以看出,经过匹配滤波后,HFM信号1,HFM信号2,HFM信号3和HFM信号4的回波时间分别为10.0376s,10.1696s,10.3392s和10.7160s。图7显示了基于脉冲串方法的MTD操作后的结果。根据公式(20),目标速度v为14.0019m/s。从表2中可以看出,PHSR的测速误差和测距误差分别为013571429%和0%。HFM信号1,HFM信号2,HFM信号3和HFM信号4的测距误差分别为0.376%,1.696%,3.392%和7.16%。与HFM信号1,HFM信号2,HFM信号3和HFM信号4相比,PHSR的测距精度提高比均为100%。
表2:仿真条件2下的数值结果
表2:仿真条件2下的数值结果(续)
图8显示了基于仿真条件3的单个HFM探测示意图,图9显示了基于仿真条件3的PHSR方法处理后的性能分析,表3给出了PHSR方法与单个HFM信号数值结果。从图8可以看出,经过匹配滤波后,HFM 信号1,HFM信号2,HFM信号3和HFM信号4的回波时间分别为10.0754s,9.8682s,10.245s和10.1224s。图9显示了基于脉冲串方法的MTD操作后的结果。根据公式(20),目标速度v为13.996m/s。从表3中可以看出,PHSR的测速误差和测距误差分别为0.02857%和0%。HFM 信号1,HFM信号2,HFM信号3和HFM信号4的测距误差分别为0.754%,1.318%, 2.45%和1.224%。与HFM 信号1,HFM信号2,HFM信号3和HFM信号4相比,PHSR的测距精度提高比均为100%。
表3:仿真条件3下的数值结果
表3:仿真条件3下的数值结果(续)
以上所述是本发明的优选实施方式而已,当然不能以此限定本发明之权利范围,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和变动,这些改进和变动也是为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于HFM脉冲串信号的测速测距方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)假定目标向着声纳***运动,其运动速度v为正;
2)首先发射双曲调频(Hyperbolic Frequency Modulation,HFM)脉冲信号1,一个量程之后,发射HFM脉冲信号2,待量程扫描完之后,以此类推发射其他形式的HFM脉冲信号;
3)分别找出串内匹配滤波极大值出现的时间;
4)利用脉冲串内各信号的时延关系,计算目标与声纳***之间的距离R和目标速度v;
5)利用计算出来的速度进行脉冲串内的信号对齐;
6)将信号进行动目标检测(Moving Target Detection,MTD)脉冲间的相参运算,得到串内N个脉冲的处理。
2.如权利要求1所述的一种基于HFM脉冲串信号的测速测距方法,其特征在于,所述步骤2)中所述的一个量程,指的是HFM脉冲信号能到达的最远距离;
所述的其他形式的HFM脉冲信号,指的是不同频段、脉宽的HFM信号。
4.如权利要求1所述的一种基于HFM脉冲串信号的测速测距方法,其特征在于,所述步骤5)中的所述的信号对齐,指的是对不同HFM脉冲信号之间的时延对齐。
5.如权利要求1所述的一种基于HFM脉冲串信号的测速测距方法,其特征在于,所述步骤6)中的所述的N,指的是假设在一个脉冲积累期间接收到的脉冲回波总数目为N。
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CN113970744A (zh) * | 2021-12-26 | 2022-01-25 | 湖南天羿领航科技有限公司 | 基于线性调频超声波的测距方法、***及介质 |
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- 2021-08-01 CN CN202110877576.6A patent/CN113567990A/zh not_active Withdrawn
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