基于波束域相位穩(wěn)定性的目標(biāo)檢測(cè)方法研究

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(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所,北京 100190;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)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(cè)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(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所,北京 100190;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)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(méi),不能實(shí)現(xiàn)對(duì)水下輻射噪聲信號(hào)未知的目標(biāo)檢測(cè)問(wèn)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(cè)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(duì)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(duì)各方位譜值進(jìn)行加權(quán)統(tǒng)計(jì),實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下目標(biāo)方位角的有效估計(jì).數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:相比常規(guī)波束形成,該方法可以進(jìn)一步增強(qiáng)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(cè)信噪比增益.

陣列信號(hào)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(jì);目標(biāo)檢測(cè)

1 引言

由于被動(dòng)聲納不主動(dòng)對(duì)外輻射信號(hào),隱蔽性較強(qiáng),在陣列信號(hào)理中,波束形成一直是對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、定位、跟蹤、識(shí)別重要手段之一.但隨著降噪技術(shù)的不斷提高,被動(dòng)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(cè)需求.學(xué)者通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)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(jí)通常比連續(xù)譜平均譜級(jí)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(dòng)聲納實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)遠(yuǎn)程探測(cè)提供一種可能.

針對(duì)線譜特性及其應(yīng)用方面的研究,國(guó)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(xiàn)[7]利用線譜信號(hào)與背景噪聲間的時(shí)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(hào)起伏相位差分對(duì)齊的相干檢測(cè)方法,抑制了背景噪聲能量干擾.文獻(xiàn)[8,9]利用相位起伏特性,改善了對(duì)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)性能和線譜信號(hào)與背景噪聲的時(shí)間相關(guān)半徑.文獻(xiàn)[10]提出了一種差分二次平均修正的頻域相位補(bǔ)償線譜檢測(cè)方法,該方法與文獻(xiàn)[7]相似.同樣,文獻(xiàn)[11]給出了正弦信號(hào)的直接FFT 參數(shù)估計(jì)與相位差分法對(duì)比研究結(jié)果.這些方法基于相位差分一階矩信息進(jìn)行相位對(duì)齊或補(bǔ)償來(lái)提高FFT參數(shù)估計(jì)效果.同時(shí),文獻(xiàn)[12]依據(jù)單頻信號(hào)與背景噪聲的相位差分前后的相位方差二階矩信息,進(jìn)一步增強(qiáng)單頻信號(hào)能量、抑制噪聲、提高信噪比.文獻(xiàn)[15,16]依據(jù)不同方位對(duì)應(yīng)頻率單元穩(wěn)定性方面的差異,提出了一種基于瞬時(shí)頻率方差加權(quán)的寬帶波束形成方法,文獻(xiàn)[17]依據(jù)不同頻率單元對(duì)應(yīng)方位穩(wěn)定性的差異,提出了一種基于瞬時(shí)方位方差加權(quán)的寬帶波束形成方法,文獻(xiàn)[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(diǎn),改善了寬帶波束形成法在遠(yuǎn)程目標(biāo)檢測(cè)方面的性能.文獻(xiàn)[19]依據(jù)不同時(shí)延對(duì)應(yīng)頻率單元穩(wěn)定性方面的差異,提出了一種基于瞬時(shí)頻率方差加權(quán)的時(shí)延估計(jì)方法,文獻(xiàn)[20,21]依據(jù)不同頻率單元對(duì)應(yīng)時(shí)延穩(wěn)定性的差異,提出了一種基于瞬時(shí)時(shí)延差方差加權(quán)的時(shí)延估計(jì)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(gè)方位的譜值起伏很大,等權(quán)值累加各次所得空間譜后,會(huì)存在目標(biāo)方位被淹沒(méi)在其他非目標(biāo)方位中情況,不便于目標(biāo)檢測(cè)和方位估計(jì).受文獻(xiàn)[12,15～21]所提出的加權(quán)思想啟發(fā),針對(duì)水下輻射噪聲信號(hào)未知的目標(biāo)檢測(cè)問(wèn)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(duì)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(cè)方法.該方法利用波束域相位方差對(duì)空間譜的各個(gè)方位進(jìn)行不等權(quán)值加權(quán),可進(jìn)一步增強(qiáng)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(cè)信噪比增益,進(jìn)一步提高常規(guī)波束形成對(duì)未知目標(biāo)的檢測(cè)性能.

2 基于波束域相位穩(wěn)定性的目標(biāo)檢測(cè)算法

2.1 線陣接收信號(hào)模型

(1)

(2)

式中,An為線譜信號(hào)幅度,fn為線譜信號(hào)頻率,φn為線譜信號(hào)初始相位,t為目標(biāo)輻射信號(hào)時(shí)刻,N為假定的獨(dú)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(hào)理中,由于波束形成具有很好的空間增益,在檢測(cè)目標(biāo)時(shí),常被采用.在低信噪比情況下,受背景噪聲影響,空間譜各個(gè)方位對(duì)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(huì)存在目標(biāo)方位被淹沒(méi)在其他方位中情況,不便于目標(biāo)檢測(cè)和方位估計(jì).對(duì)此,本文對(duì)常規(guī)波束形成做了進(jìn)一步改進(jìn)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(qiáng)目標(biāo)檢測(cè)信噪比增益,實(shí)現(xiàn)對(duì)水下輻射噪聲信號(hào)未知的目標(biāo)檢測(cè).改進(jìn)算法原理如下:

假設(shè)目標(biāo)輻射信號(hào)具有穩(wěn)定線譜,統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)目標(biāo)方位變化緩慢,可以采用下述方法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)檢測(cè).

首先對(duì)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(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)和方位估計(jì),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(gè)或某幾個(gè)方位角時(shí),如果采用式(3)求取最終空間譜,則會(huì)將所有方位角對(duì)應(yīng)的譜值等價(jià)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(gè)方位對(duì)應(yīng)的譜值起伏較大,不便于最后目標(biāo)檢測(cè)和方位估計(jì).對(duì)此,利用目標(biāo)方位與非目標(biāo)方位對(duì)應(yīng)的波束域相位在二階矩上的差別,對(duì)各方位對(duì)應(yīng)的譜值進(jìn)行不等權(quán)值加權(quán)求和,削弱噪聲對(duì)最終空間譜的影響,增強(qiáng)目標(biāo)檢測(cè)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(shí)現(xiàn)過(guò)程

本文方法實(shí)現(xiàn)過(guò)程可分為以下5個(gè)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(duì)所有方位進(jìn)行不等權(quán)值加權(quán)統(tǒng)計(jì),得到最終空間譜和方位估計(jì)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(gè)或某幾個(gè)方位角時(shí).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(jìn)行M幀統(tǒng)計(jì),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(shí),通過(guò)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(duì)應(yīng)波束域相位受水聲信道影響產(chǎn)生波動(dòng)時(shí),可對(duì)各方位波束域相位先進(jìn)行差分對(duì)齊,然后再求取相位差分對(duì)齊后的相位方差值.此時(shí)由理論分析可知:目標(biāo)方位波束域相位主要由信號(hào)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(duì)應(yīng)的相位相對(duì)于初始方位變化較小,而非目標(biāo)方位對(duì)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(duì)應(yīng)的相位都不一樣,變化較大,進(jìn)而可得相位差分對(duì)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(duì)應(yīng)的譜值將遠(yuǎn)大于其它位置對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)檢測(cè),而本文方法在-15dB還能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)檢測(cè).數(shù)值仿真結(jié)果表明,本文方法可進(jìn)一步提高常規(guī)波束形成對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)性能.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本次海上試驗(yàn)數(shù)據(jù)為2012年4月在南海進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)試驗(yàn)所得.實(shí)驗(yàn)采用32元8m等間隔水平拖曳線列陣接收信號(hào),水平拖曳線列陣的端向方位設(shè)為0°,試驗(yàn)中存在多個(gè)目標(biāo)相對(duì)線陣在運(yùn)動(dòng).

本次理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1500s,所用采樣率為fs=20kHz.一次采集長(zhǎng)度為T=5s,對(duì)采集數(shù)據(jù)分5段進(jìn)行波束形成.然后再分別按式(3)和式(12)進(jìn)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(shí)刻空間譜、以及統(tǒng)計(jì)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(cè)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(cè)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(cè)到105°附近的目標(biāo),常規(guī)波束形成則不能檢測(cè)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(shí)間段內(nèi),105°對(duì)應(yīng)的波束域相位標(biāo)準(zhǔn)差倒數(shù)大于其他方位對(duì)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(duì)應(yīng)的譜值相比其他方位對(duì)應(yīng)的譜值被有效擴(kuò)大.所以,可得在其他時(shí)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(cè)到105°目標(biāo).

海試數(shù)據(jù)理結(jié)果表明,本文方法可進(jìn)一步提高常規(guī)波束形成對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)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(hào)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(duì)應(yīng)的相位相對(duì)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(duì)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(cè)方法,該方法利用波束域相位方差的倒數(shù)對(duì)空間譜的各個(gè)方位進(jìn)行不等權(quán)值加權(quán).相比常規(guī)波束形成,在無(wú)其他先驗(yàn)信息情況下,本文方法進(jìn)一步增強(qiáng)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(cè)信噪比增益.低信噪比下,實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下輻射噪聲信號(hào)未知的目標(biāo)檢測(cè).

同時(shí),在本文仿真條件下,當(dāng)輸入平均譜級(jí)比為-20dB～-3dB時(shí),本文方法所得目標(biāo)檢測(cè)正確概率高于常規(guī)波束形成所得目標(biāo)檢測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)105 °附近未知目標(biāo)的有效檢測(cè).數(shù)值仿真和海試數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了本文方法在水下輻射噪聲信號(hào)未知的目標(biāo)檢測(cè)方面的有效性.

另外,當(dāng)目標(biāo)方位對(duì)應(yīng)波束域相位受水聲信道影響產(chǎn)生波動(dòng)時(shí),可對(duì)各方位波束域相位先進(jìn)行差分對(duì)齊,然后求取相位差分對(duì)齊后的相位方差值,再采用式(12)實(shí)現(xiàn)對(duì)水下輻射噪聲信號(hào)未知的目標(biāo)檢測(cè).

致謝 感謝實(shí)驗(yàn)室課題組提供的寶貴試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)參與2012年4月份試驗(yàn)的所有人員表示感謝.

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[18]鄭恩明,陳新華,孫長(zhǎng)瑜.基于幅值加權(quán)的未知線譜目標(biāo)檢測(cè)方法[J].振動(dòng)與沖擊,2014,33(16):160-164.

Zheng En-ming,Chen Xin-hua,Sun Chang-yu.Unknown target detection weighted method based on the amplitude[J].Journal of Vibration and Shock,2014,33(16):160-164.(in Chinese)

[19]鄭恩明,陳新華,孫長(zhǎng)瑜.基于頻率方差加權(quán)的時(shí)延差估計(jì)方法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2014,36(2):224-229.

Zheng En-ming,Chen Xin-hua,Sun Chang-yu.The time delay difference estimation weighted method based on frequency variance[J].Systems Engineering and Electronics,2014,36(2):224-229.(in Chinese)

[20]鄭恩明,陳新華,孫長(zhǎng)瑜,等.基于時(shí)延差方差加權(quán)的時(shí)延差估計(jì)方法[J].電子與信息學(xué)報(bào),2014,36(6):1362-1367.

Zheng En-ming,Chen Xin-hua,Sun Chang-yu,et al.Weighted time delay difference estimation method based on its variance[J].Journal of Electronics & Information Technology,2014,36(6):1362-1367.( in Chinese)

[21]鄭恩明,陳新華,孫長(zhǎng)瑜.一種水下聲信號(hào)未知頻率的時(shí)延差估計(jì)方法[J].振動(dòng)與沖擊,2014,33(9):190-194.Zheng En-ming,Chen Xin-hua,Sun Chang-yu.A time delay difference estimation method of underwater acoustic signal with unknown frequency[J].Journal of Vibration and Shock,2014,33(9):190-194.( in Chinese)

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[23]Hossain M S,Islam M R,Godara L C.Efficient robust broadband beamforming algorithms using variable loading[J].IEEE Latin America Transactions,2012,10(3):1697-1702.

[24]Chen Y S,Qin G.A normalized beamforming algorithm for broadband speech using a continuous interleaved sampling strategy[J].IEEE Transactions on Audio,Speech,and Language Processing,2013,20(3):868-874.

鄭恩明 男,1985年8月出生于河南省周口市.現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所助理研究員,博士.主要研究方向?yàn)殛嚵行盘?hào)理、水下目標(biāo)檢測(cè)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(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所副研究員,副主任.在國(guó)內(nèi)外發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇.主要研究方向?yàn)樗曅盘?hào)處理,水聲工程,水下目標(biāo)檢測(cè)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(guó)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(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所助理研究員.主要研究方向?yàn)樗曅盘?hào)檢測(cè)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(guó)家自然科學(xué)基金(No.61372180);國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)(No.2013YQ140431);中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究青年人才領(lǐng)域前沿項(xiàng)目資課題(No.Y454341261)

TB565

A

0372-2112 (2016)09-2033-07

??學(xué)報(bào)URL:http://www.ejournal.org.cn

10.3969/j.issn.0372-2112.2016.09.001