CN113866771B - 水下目标探测的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的水下目标探测的方法，属于海洋探测方法的领域，解决现有技术的方法对目标物探测计算效率低的技术问题。包括浮标设置有垂直线列阵和水平扩展阵并安装有罗经辅助***；所述水平扩展阵以双正交且对称的阵列布置；所述垂直线列阵发射双脉冲探测信号，用以所述水平扩展阵对水下目标状态参数的测量，所述状态参数至少目标物的距离、方位和速度；所述水平扩展阵接收的双脉冲探测信号进行信号预处理，对预处理信号进行波束形成和匹配滤波，以生成水下目标物的方位和距离的二维谱图；对所述二维谱图进行恒虚警处理以确定出主动探测谱图；所述主动探测谱图通过坐标法确定探测目标当前的目标状态参数。本发明用于提交海洋目标探测的精度。

Description

水下目标探测的方法
技术领域
本发明属于海洋探测方法的领域，尤其涉及一种水下目标探测的方法。
背景技术
航空声纳浮标具备良好的平台噪声性能，可以针对水下目标的辐射噪声和主动探测回波进行检测，实现被动探测和主动探测，得到目标的方位、距离、速度信息，在反潜、水下目标探测以及海洋监测有着广阔的应用前景。
目前，航空声纳浮标对水下目标探测主要采用发射单个探测脉冲的形式，常用的脉冲形式包括CW脉冲、HFM脉冲、LFM脉冲、CW+LFM(线性调频信号，不敏感信号)组合脉冲，其中：
CW信号为多普勒敏感信号用于目标速度测量，但由于水下声信道为缓慢时变的且存在严重的频率选择性衰落，因此CW脉冲在实际使用中存在失效的情况；
HFM脉冲和LFM脉冲用来抑制混响同时对目标进行高精度测距，但由于HFM脉冲和LFM脉冲属于多普勒不敏感信号，因此无法提供目标的速度信息；
为了弥补多普勒不敏感信号无法对目标速度进行测量的不足，故有主动探测领域的学者提出了CW+LFM组合脉冲的形式，但同样面临CW信号受信道衰落影响的情况。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水下目标探测的方法，解决现有技术的方法对目标物探测计算效率低的技术问题。本案的技术方案有诸多技术有益效果，见下文介绍：
提供一种水下目标探测的方法，适用于浮标对水下运动目标物的主动探测，包括：
S101：浮标设置有垂直线列阵和水平扩展阵，其中：所述垂直线列阵用以探测信号的发射，所述水平扩展阵用以目标回波的接收，并安装有罗经辅助***；
S102：所述水平扩展阵以双正交且对称的阵列布置；所述垂直线列阵发射双脉冲探测信号，用以所述水平扩展阵对水下目标状态参数的测量，所述状态参数至少目标物的距离、方位和速度；
S103：所述水平扩展阵接收的双脉冲探测信号进行信号预处理，(模拟放大，和数据采集)对预处理信号进行波束形成和匹配滤波，以生成水下目标物的方位和距离的二维谱图；------非速度和距离的二维图
S104：对所述二维谱图进行恒虚警处理以确定出主动探测谱图，以提高目标物的回波信噪比且降低虚警干扰和背景噪声，提成目标的检测概率，。相比于传统的CFAR法-恒虚警处理方法，降低硬件运算量，节约成本。传统的CFAR法-对二维谱图整个区域进行噪声计算，本案的方法仅仅对距离维度和方位维度的两次一维恒虚警处理。
S105：所述主动探测谱图通过坐标法目标的当前的目标状态参数。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：
本发明采用双LFM脉冲形式，通过测量两个脉冲的时延间隔，完成对目标径向速度的测定。该方法改善了采用单个HFM脉冲和LFM脉冲无法提供目标速度的缺点，避免了CW脉冲由于信道衰落而导致的新造比损失问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为浮标主动信号处理流程框图；
图2为浮标的水平扩展阵示意图；
图3为双LFM探测脉冲示意图；
图4为改进的恒虚警处理方法示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本发明，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践方面。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1所示水下目标探测的方法，适用于浮标对水下运动目标物的主动探测，包括：
S101：浮标设置有垂直线列阵和水平扩展阵，其中：垂直线列阵用以探测信号的发射，水平扩展阵用以目标回波的接收，并安装有罗经辅助***，上述的产品和***均采用现有技术产品，罗经辅助***型号为美国PNI公司的TCM5电子罗经；
S102：水平扩展阵以双正交且对称的阵列布置，垂直线列阵发射双脉冲探测信号，用以水平扩展阵对水下目标状态参数的测量，状态参数至少包含目标物的距离、方位和速度，具体的：
如图2所示，水平扩展阵以双正交且对称的阵列布置，优选的，米字型结构设置，如，水平扩展阵共包含8个扩展臂，任意相邻扩展臂之间的夹角为45度，每个扩展臂有4个接收水听器基元，共计32个接收水听器用于接收目标回波信号，图1中的标号为接收水听器的序号定义，各个基元接收到的信号分别为xi(t)，i＝1,2,…,32，双正交且对称的阵列布置的目的：水平扩展阵采用双正交对称阵列可以有效避免水下目标的方位测量模糊，同时提高对水下目标的方位测量精度和距离测量精度，确保测量的结果的稳定性和可靠性。
垂直线列阵发射双脉冲探测信号的形式为发射两个参数一致的线性调频信号，脉宽为t，带宽B,两个线性调频信号之间设置有保护间隔T，T的选取应大于目标与浮标的信道扩展长度，初始值一般的，默认值为0.5s，优选的，双脉冲探测信号为双LFM脉冲形式，通过测量两个脉冲的时延间隔，完成对目标径向速度的测定，如图3所示，双LFM脉冲形式应用到海洋探测领域技术中，克服单脉冲信号容易失效，或，避免HFM脉冲和LFM脉冲属于多普勒不敏感信号，无法提供目标的速度信息的情况出现，旨在采用敏感信号进行探测，完成海洋中目标的探测。
S103：水平扩展阵接收的双脉冲探测信号进行信号预处理，预处理，例如，模拟放大和数据采集。对预处理信号进行波束形成和匹配滤波，以生成水下目标物的方位和距离的二维谱图，二维谱图为非速度和距离的二维图，具体的：
浮标对水平扩展阵基元信号进行实时采集；对水平扩展阵收到的回波信号进行预处理并进行波束形成处理；对波束形成处理的数据进行匹配滤波处理。
匹配滤波的处理方法为：
FD_Sig_Bi＝FFT[Bi(t)]
FD_Sig_Ref＝FFT[Sig_Ref]
其中，FFT[]代表傅里叶变换；IFFT[]代表反傅里叶变换；/>代表数据点乘。TD_Sig_xcorr_Bi代表第i个波束的匹配滤波结果。
S104：对二维谱图进行恒虚警处理以确定出主动探测谱图，以提高目标物的回波信噪比且降低虚警干扰和背景噪声，提成目标的检测概率，相比于传统的CFAR法-恒虚警处理方法，降低硬件运算量，节约成本。传统的CFAR法-对二维谱图整个区域进行噪声计算，本案的方法仅仅对距离维度和方位维度的两次一维恒虚警处理，具体的：
在二维谱图中进行水下目标物的距离维度一维恒虚警处理，处理后再进行方位维度的一维恒虚警处理，得到恒虚警处理后的二维谱图，目的是降低目标物在二维谱图的干扰点的数量，具体的实施为：
如图4所示，在距离维度上设置保护窗P1和参考窗R1，在方位维度上设置保护窗P2和参考窗R2，其中P1大小为线性调频信号带宽倒数的3倍，R1大小为线性调频信号带宽倒数的2倍；
计算水下目标速度，根据目标强度方位最大处的匹配滤波峰值结果，计算两个峰值的时间T’，则目标速度计算公式近似为：
式中，c为浮标水平扩展阵处的声速值；
进一步的，还需要计算水下目标的大地坐标真方位，利用水平扩展阵计算出的目标方位θ′并进行修正，且满足：
θout＝θ′-ε，式中：ε为罗静辅助***记录的水平扩展阵的水平航向角，该值为北偏东夹角，θout为最后修正后的目标方位。
S105：主动探测谱图通过坐标法目标的当前的目标状态参数。
使用现有技术中的常规方法对得到恒虚警处理后的二维谱图进行水下目标物的距离计算，如，坐标法计算目标状态参数，包括速度，方位和距离参数等。
本发明采用双LFM脉冲形式，通过测量两个脉冲的时延间隔，完成对目标径向速度的测定。该方法改善了采用单个HFM脉冲和LFM脉冲无法提供目标速度的缺点，避免了CW脉冲由于信道衰落而导致的新造比损失问题。由于该方法对波束形成后的数据仅进行一次匹配滤波处理，因此相比于传统CW+LFM组合脉冲方法，提升了整个算法的计算效率。此外，在浮标主动探测信号确定的情况下，传统的二维恒虚警检测大多采用“田字格”形式，其计算量较大。本发明中采用改进的恒虚警技术，相比于常规的二维恒虚警检测而言，仅考虑两个维度，提高了计算效率。
以上对本发明所提供的产品进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离发明创造原理的前提下，还可以对发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入发明权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种水下目标探测的方法，适用于浮标对水下运动目标物的主动探测，其特征在于，包括：
S101：浮标设置有垂直线列阵和水平扩展阵，其中：所述垂直线列阵用以探测信号的发射，所述水平扩展阵用以目标回波的接收，并安装有罗经辅助***；
S102：所述水平扩展阵以双正交且对称的阵列布置；所述垂直线列阵发射双脉冲探测信号，用以所述水平扩展阵对水下目标状态参数的测量，所述状态参数至少包含目标物的距离、方位和速度；
S103：所述水平扩展阵接收的双脉冲探测信号进行信号预处理，对预处理信号进行波束形成和匹配滤波，以生成水下目标物的方位和距离的二维谱图；
S104：对所述二维谱图进行恒虚警处理以确定出主动探测谱图；
S105：所述主动探测谱图通过坐标法确定探测目标当前的目标状态参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S103：所述水平扩展阵接收的双脉冲探测信号进行信号预处理的方法包括：
浮标对所述水平扩展阵的基元信号进行实时采集，并对所述水平扩展阵收到的回波信号进行预处理且进行波束形成处理；
对波束形成处理的数据进行匹配滤波处理。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S104中的方法包括：
在所述二维谱图中进行水下目标物的距离维度进行一维恒虚警处理；
处理后进行方位维度的一维恒虚警处理，以确定恒虚警处理后的二维谱图。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，S102中所述垂直线列阵发射双脉冲探测信号的形式为发射两个参数一致的线性调频信号，所述线性调频信号的脉宽为t，带宽B,两个线性调频信号之间设置有保护间隔T，所述保护间隔T的选取应大于目标与浮标的信道扩展长度。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述二维谱图中进行水下目标物的距离维度一维恒虚警处理，处理后再进行方位维度的一维恒虚警处理的方法包括：
在距离维度上设置保护窗P1和参考窗R1，在方位维度上设置保护窗P2和参考窗R2，其中：
P1大小为线性调频信号带宽倒数的3倍，R1大小为线性调频信号带宽倒数的2倍。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，S105：所述主动探测谱图通过坐标法确定探测目标当前的目标状态参数的方法包括：
计算水下目标速度，根据目标强度方位最大处的匹配滤波峰值结果，计算两个峰值的时间T’，则目标速度计算公式满足：
式中，c为浮标水平扩展阵处的声速值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：还包括计算水下目标的大地坐标真方位的方法，所述水平扩展阵计算出的目标方位θ′，并进行修正且满足修：θout＝θ′-ε，式中：ε为所述罗经辅助***记录的水平扩展阵的水平航向角，θout为最后修正后的目标方位。
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