鄭恩明,田 甜,陳新華,王 萍，李 冰,王麟煜,上官經(jīng)邦,宋春楠

(1.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所,北京 100190;2.中國電子科技集團第3研究所,北京 100015；3.北京神州惠普科技股份有限公司，北京 100085)

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基于波束域相位穩(wěn)定性的目標(biāo)檢測方法研究

鄭恩明1,田 甜2,陳新華1,王 萍3，李 冰1,王麟煜1,上官經(jīng)邦1,宋春楠1

(1.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所,北京 100190;2.中國電子科技集團第3研究所,北京 100015；3.北京神州惠普科技股份有限公司，北京 100085)

低信噪比下,為解決常規(guī)波束形成等權(quán)值累加空間譜各方位譜值,導(dǎo)致目標(biāo)方位譜值被非目標(biāo)方位譜值淹沒,不能實現(xiàn)對水下輻射噪聲信號未知的目標(biāo)檢測問題,本文提出了一種基于波束域相位穩(wěn)定性的目標(biāo)檢測方法.依據(jù)水下目標(biāo)輻射噪聲含有穩(wěn)定線譜及空間譜各方位對應(yīng)波束域相位穩(wěn)定性差異,該方法利用波束域相位方差對各方位譜值進行加權(quán)統(tǒng)計,實現(xiàn)了對水下目標(biāo)方位角的有效估計.數(shù)值仿真和實驗結(jié)果表明:相比常規(guī)波束形成,該方法可以進一步增強目標(biāo)方位能量,抑制非目標(biāo)方位噪聲干擾,改善目標(biāo)檢測信噪比增益.

陣列信號理;水下目標(biāo)輻射噪聲;波束域相位穩(wěn)定性;加權(quán)統(tǒng)計;目標(biāo)檢測

1 引言

由于被動聲納不主動對外輻射信號,隱蔽性較強,在陣列信號理中,波束形成一直是對水下目標(biāo)進行檢測、定位、跟蹤、識別重要手段之一.但隨著降噪技術(shù)的不斷提高,被動聲納接收數(shù)據(jù)的信噪比在不斷降低,常規(guī)波束形成已不能滿足遠(yuǎn)程目標(biāo)檢測需求.學(xué)者通過理論和實驗證明:水下目標(biāo)輻射噪聲中含有豐富的單頻分量,特別是在低頻段[1～6],線譜譜級通常比連續(xù)譜平均譜級高出10～25dB.基于此,探索一種基于線譜特性的波束形成方法,可為被動聲納實現(xiàn)水下目標(biāo)遠(yuǎn)程探測提供一種可能.

針對線譜特性及其應(yīng)用方面的研究,國內(nèi)外學(xué)者做了不少努力,并取得了一定的研究成果[7～21].文獻[7]利用線譜信號與背景噪聲間的時間相關(guān)半徑與相位起伏均勻性差異,提出了一種基于信號起伏相位差分對齊的相干檢測方法,抑制了背景噪聲能量干擾.文獻[8,9]利用相位起伏特性,改善了對目標(biāo)的監(jiān)測性能和線譜信號與背景噪聲的時間相關(guān)半徑.文獻[10]提出了一種差分二次平均修正的頻域相位補償線譜檢測方法,該方法與文獻[7]相似.同樣,文獻[11]給出了正弦信號的直接FFT 參數(shù)估計與相位差分法對比研究結(jié)果.這些方法基于相位差分一階矩信息進行相位對齊或補償來提高FFT參數(shù)估計效果.同時,文獻[12]依據(jù)單頻信號與背景噪聲的相位差分前后的相位方差二階矩信息,進一步增強單頻信號能量、抑制噪聲、提高信噪比.文獻[15,16]依據(jù)不同方位對應(yīng)頻率單元穩(wěn)定性方面的差異,提出了一種基于瞬時頻率方差加權(quán)的寬帶波束形成方法,文獻[17]依據(jù)不同頻率單元對應(yīng)方位穩(wěn)定性的差異,提出了一種基于瞬時方位方差加權(quán)的寬帶波束形成方法,文獻[18] 依據(jù)不同頻率單元的波束形成最大值幅值的差異,提出了一種基于幅值加權(quán)的寬帶波束形成方法,它們均克服了傳統(tǒng)多頻帶波束形成四維顯示難點,改善了寬帶波束形成法在遠(yuǎn)程目標(biāo)檢測方面的性能.文獻[19]依據(jù)不同時延對應(yīng)頻率單元穩(wěn)定性方面的差異,提出了一種基于瞬時頻率方差加權(quán)的時延估計方法,文獻[20,21]依據(jù)不同頻率單元對應(yīng)時延穩(wěn)定性的差異,提出了一種基于瞬時時延差方差加權(quán)的時延估計方法,它們均提高了互相關(guān)法在遠(yuǎn)程目標(biāo)定位方面的性能.

在較低信噪比情況下,受背景噪聲影響,常規(guī)波束形成空間譜的各個方位的譜值起伏很大,等權(quán)值累加各次所得空間譜后,會存在目標(biāo)方位被淹沒在其他非目標(biāo)方位中情況,不便于目標(biāo)檢測和方位估計.受文獻[12,15～21]所提出的加權(quán)思想啟發(fā),針對水下輻射噪聲信號未知的目標(biāo)檢測問題,依據(jù)水下目標(biāo)輻射噪聲含有穩(wěn)定線譜及空間譜各方位對應(yīng)波束域相位穩(wěn)定性差異,本文提出了一種基于波束域相位穩(wěn)定性的目標(biāo)檢測方法.該方法利用波束域相位方差對空間譜的各個方位進行不等權(quán)值加權(quán),可進一步增強目標(biāo)方位能量,抑制非目標(biāo)方位噪聲干擾,改善目標(biāo)檢測信噪比增益,進一步提高常規(guī)波束形成對未知目標(biāo)的檢測性能.

2 基于波束域相位穩(wěn)定性的目標(biāo)檢測算法

2.1 線陣接收信號模型

(1)

(2)

式中,An為線譜信號幅度,fn為線譜信號頻率,φn為線譜信號初始相位,t為目標(biāo)輻射信號時刻,N為假定的獨立分量數(shù),φn服從[0～2π]均勻分布.

2.2 本文算法基本原理

在陣列信號理中,由于波束形成具有很好的空間增益,在檢測目標(biāo)時,常被采用.在低信噪比情況下,受背景噪聲影響,空間譜各個方位對應(yīng)的譜值起伏很大,常規(guī)波束形成所得空間譜等權(quán)值累加后會存在目標(biāo)方位被淹沒在其他方位中情況,不便于目標(biāo)檢測和方位估計.對此,本文對常規(guī)波束形成做了進一步改進理,采用不等權(quán)值累加每次常規(guī)波束形成所得空間譜,可抑制非目標(biāo)方位噪聲干擾,增強目標(biāo)檢測信噪比增益,實現(xiàn)對水下輻射噪聲信號未知的目標(biāo)檢測.改進算法原理如下:

假設(shè)目標(biāo)輻射信號具有穩(wěn)定線譜,統(tǒng)計時間內(nèi)目標(biāo)方位變化緩慢,可以采用下述方法實現(xiàn)對目標(biāo)檢測.

首先對各陣元采集數(shù)據(jù)分塊做快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)分析,所得頻譜記為Xi(m,fk),(i=1,2,…,I;m=1,2,…,M;k=1,2,…,K).其中,I為陣元數(shù),M為采集數(shù)據(jù)分塊數(shù),K為每塊FFT分析所得頻率單元數(shù).

如果采用常規(guī)波束形成進行目標(biāo)檢測和方位估計,fl頻率單元的最終空間譜可按式(3)表示[22～24]:

(3)

在波束形成所預(yù)設(shè)的方位角內(nèi),當(dāng)目標(biāo)方位只占據(jù)某一個或某幾個方位角時,如果采用式(3)求取最終空間譜,則會將所有方位角對應(yīng)的譜值等價地加權(quán)到最終空間譜中.在低信噪比情況下,受背景噪聲影響,空間譜的各個方位對應(yīng)的譜值起伏較大,不便于最后目標(biāo)檢測和方位估計.對此,利用目標(biāo)方位與非目標(biāo)方位對應(yīng)的波束域相位在二階矩上的差別,對各方位對應(yīng)的譜值進行不等權(quán)值加權(quán)求和,削弱噪聲對最終空間譜的影響,增強目標(biāo)檢測信噪比增益,抑制非目標(biāo)方位噪聲干擾、提高信噪比,可將式(3)變換為:

(4)

式中,W為不同方位角所需權(quán)值.

2.3 本文算法實現(xiàn)過程

本文方法實現(xiàn)過程可分為以下5個步驟:

(5)

τi如式(6)所示:

i=1,2,…,I,θ=1,2,…,Θ

(6)

Xi(m,l×ws)=Aej(2πl(wèi)wsri,θ0+φ0)+Niejφi(m),i=1,2,…,I

(7)

τi,θ0如式(8)所示:

(8)

(9)

θ=1,2,…,Θ

(10)

(11)

步驟5 利用求得的波束域相位方差對所有方位進行不等權(quán)值加權(quán)統(tǒng)計,得到最終空間譜和方位估計值.如式(12)所示

(12)

2.4 本文算法性能分析

在波束形成所預(yù)設(shè)的方位角內(nèi),當(dāng)目標(biāo)方位只占據(jù)某一個或某幾個方位角時.非目標(biāo)方位的最小和最大預(yù)成波束域相位值為φ1,φL,目標(biāo)方位的波束域相位值的最小值和最大值分別為φmin,φmax.進行M幀統(tǒng)計,假設(shè)所有方位角的波束域相位值均服從均勻分布,非目標(biāo)方位和目標(biāo)方位的波束域相位方差分別為δn、δs.

(13)

(14)

(15)

m=1,2,…,M

(16)

m=1,2,…,M

(17)

m=1,2,…,M

(18)

,

(19)

φ(θ)=

m=1,2,…,M

(20)

所以,當(dāng)目標(biāo)方位變化緩慢,A與Ni存在一定比值時,通過排序、提取中間部分值可使相位方差值δs<<δn;當(dāng)目標(biāo)方位對應(yīng)波束域相位受水聲信道影響產(chǎn)生波動時,可對各方位波束域相位先進行差分對齊,然后再求取相位差分對齊后的相位方差值.此時由理論分析可知:目標(biāo)方位波束域相位主要由信號合成所得,受噪聲影響較少,每次波束形成所得目標(biāo)方位對應(yīng)的相位相對于初始方位變化較小,而非目標(biāo)方位對應(yīng)的波束域相位主要由噪聲合成所得,受噪聲影響較大,每次波束形成所得非目標(biāo)方位對應(yīng)的相位都不一樣,變化較大,進而可得相位差分對齊后的相位方差值δs<<δn,由式(12)可知:在波束形成空間譜輸出值中,目標(biāo)方位對應(yīng)的譜值將遠(yuǎn)大于其它位置對應(yīng)的譜值.

同樣,由圖3所示方位歷程圖可知,在該仿真的情況下,常規(guī)波束形成在-10dB已不能實現(xiàn)對目標(biāo)檢測,而本文方法在-15dB還能實現(xiàn)對目標(biāo)檢測.數(shù)值仿真結(jié)果表明,本文方法可進一步提高常規(guī)波束形成對目標(biāo)的檢測性能.

3 實驗結(jié)果與分析

本次海上試驗數(shù)據(jù)為2012年4月在南海進行目標(biāo)檢測試驗所得.實驗采用32元8m等間隔水平拖曳線列陣接收信號,水平拖曳線列陣的端向方位設(shè)為0°,試驗中存在多個目標(biāo)相對線陣在運動.

本次理實驗數(shù)據(jù)長度為1500s,所用采樣率為fs=20kHz.一次采集長度為T=5s,對采集數(shù)據(jù)分5段進行波束形成.然后再分別按式(3)和式(12)進行后續(xù)理,得到所需空間譜.

圖4～7為頻率單元為fc=77Hz的方位歷程圖和、某一時刻空間譜、以及統(tǒng)計次數(shù)內(nèi)的不同方位波束域相位標(biāo)準(zhǔn)差倒數(shù).

由圖4～6結(jié)果可知,相比常規(guī)波束形成,本文方法可有效檢測到600s以后105°附近的目標(biāo),而常規(guī)波束形成則不能很好地檢測到600s以后105°附近的目標(biāo);且在t=1000s的數(shù)據(jù)段中,也很好地顯示出本文方法可有效檢測到105°附近的目標(biāo),常規(guī)波束形成則不能檢測到105°附近的目標(biāo).

圖4～6所示結(jié)果可由圖7解釋,在大部分時間段內(nèi),105°對應(yīng)的波束域相位標(biāo)準(zhǔn)差倒數(shù)大于其他方位對應(yīng)的波束域相位標(biāo)準(zhǔn)差倒數(shù),經(jīng)式(12)理后,在所得空間譜中,105°對應(yīng)的譜值相比其他方位對應(yīng)的譜值被有效擴大.所以,可得在其他時間數(shù)據(jù)段中,本文方法相比常規(guī)波束形成可有效檢測到105°目標(biāo).

海試數(shù)據(jù)理結(jié)果表明,本文方法可進一步提高常規(guī)波束形成對目標(biāo)的檢測性能.

4 結(jié)論

理論推導(dǎo)了目標(biāo)方位波束域相位主要由信號合成所得,受噪聲影響較少,每次波束形成所得目標(biāo)方位對應(yīng)的相位相對于初始方位變化較小,波束域相位方差較小;非目標(biāo)方位波束域相位主要由噪聲合成所得,受噪聲影響較大,每次波束形成所得非目標(biāo)方位對應(yīng)的相位都不一樣,變化較大,波束域相位方差較大.依據(jù)理論推導(dǎo)結(jié)果,本文提出了一種基于波束域相位穩(wěn)定性的目標(biāo)檢測方法,該方法利用波束域相位方差的倒數(shù)對空間譜的各個方位進行不等權(quán)值加權(quán).相比常規(guī)波束形成,在無其他先驗信息情況下,本文方法進一步增強了目標(biāo)方位能量,抑制了非目標(biāo)方位噪聲干擾,改善了目標(biāo)檢測信噪比增益.低信噪比下,實現(xiàn)了對水下輻射噪聲信號未知的目標(biāo)檢測.

同時,在本文仿真條件下,當(dāng)輸入平均譜級比為-20dB～-3dB時,本文方法所得目標(biāo)檢測正確概率高于常規(guī)波束形成所得目標(biāo)檢測正確概率.在該段海試數(shù)據(jù)處理結(jié)果中,本文方法相比常規(guī)波束形成,可實現(xiàn)對105 °附近未知目標(biāo)的有效檢測.數(shù)值仿真和海試數(shù)據(jù)處理結(jié)果進一步驗證了本文方法在水下輻射噪聲信號未知的目標(biāo)檢測方面的有效性.

另外,當(dāng)目標(biāo)方位對應(yīng)波束域相位受水聲信道影響產(chǎn)生波動時,可對各方位波束域相位先進行差分對齊,然后求取相位差分對齊后的相位方差值,再采用式(12)實現(xiàn)對水下輻射噪聲信號未知的目標(biāo)檢測.

致謝 感謝實驗室課題組提供的寶貴試驗數(shù)據(jù),對參與2012年4月份試驗的所有人員表示感謝.

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鄭恩明 男,1985年8月出生于河南省周口市.現(xiàn)為中國科學(xué)院聲學(xué)研究所助理研究員,博士.主要研究方向為陣列信號理、水下目標(biāo)檢測與定位.

E-mail:zhengenmingioa@163.com

陳新華 男,1978年7月出生于江蘇省泰州市.現(xiàn)為中國科學(xué)院聲學(xué)研究所副研究員,副主任.在國內(nèi)外發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇.主要研究方向為水聲信號處理,水聲工程,水下目標(biāo)檢測與定位.

E-mail:chenxinhau@mail.ioa.ac.cn

李 冰 男,1978年1月出生于湖北省建始縣,現(xiàn)為中國科學(xué)院聲學(xué)研究所助理研究員,主要研究方向水聲通信.

E-mail:libingbj @163.com

王麟煜 男,1972年8月出生于黑龍江省,現(xiàn)為中國科學(xué)院聲學(xué)研究所助理研究員.主要研究方向為水聲信號檢測與理.

E-mail:wlyhyh@163.com

Target Detection Method Based on the Stability of Beam Domain Phase

ZHENG En-ming1,TIAN Tian2,CHEN Xin-hua1,WANG Ping3,LI Bing1,WANG Lin-yu1,SHANGGUAN Jing-bang1,SONG Chun-nan1

(1.InstituteofAcoustics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100084,China;2.TheThirdResearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,Beijing100015,China；3.AppsoftTechnologyCo.,Ltd,Beijing100085,China)

In the conventional beam-forming (CBF) under low signal to noise ratio (SNR),the spectrum values of each azimuth are accumulated by equal weight,and the spectrum values of targets are usually inundated in those of non-targets,so the underwater targets with unknown radiated noise can be hardly detected.In order to detect the effective target signal,a target detection method based on the beam domain phase stability is proposed.According to the feature that the underwater target radiates noise with stable line spectrum and the difference of the beam domain phase stability of each azimuth,this method cumulates spectrum values of each azimuth based on the beam domain phase variance by weighted statistical algorithm.Therefore,the azimuth of the underwater target is effectively estimated.The numerical simulation and experimental results both verify that,compared with the conventional beam-forming,this method can well enhance the energy of the target azimuth,restrain the background noise disturbances of non-target azimuth,and improve the SNR gain of the target detection.

array signal processing;underwater target radiated noise;beam domain phase stability;weighted statistical;target detection

2015-06-29;

2015-09-22；責(zé)任編輯：覃懷銀

國家自然科學(xué)基金(No.61372180);國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(No.2013YQ140431);中國科學(xué)院聲學(xué)研究青年人才領(lǐng)域前沿項目資課題(No.Y454341261)

TB565

A

0372-2112 (2016)09-2033-07

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10.3969/j.issn.0372-2112.2016.09.001