阅读说明：本技术 一种主动声纳单频脉冲串波形设计及检测算法 (Active sonar single-frequency pulse train waveform design and detection algorithm ) 是由 岳雷 于 2019-10-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种主动声纳单频脉冲串波形设计及检测算法,首先是根据探测需求及硬件条件等设计波形参数。设计好参数后,一方面通过发射机发射信号,将接收回波数据正交解调降采样后经过自动增益控制,然后再通过多普勒滤波器组；另一方面设置副本信号,将副本信号正交解调降采样后通过多普勒滤波器组。最后将经过多普勒滤波器组后的两段数据分段相关处理得到一个输出。该方法方法计算量小,实时性强,采用了波形分集技术,一定程度上解决了混响对主动声纳探测的影响,改善了主动声纳探测的效果,具有较好的工程应用前景。(The invention discloses an active sonar single-frequency pulse train waveform design and detection algorithm. After the parameters are designed, on one hand, the signals are transmitted through a transmitter, the received echo data are subjected to orthogonal demodulation and down sampling, then are subjected to automatic gain control, and then pass through a Doppler filter bank; and on the other hand, a replica signal is set, and the replica signal is subjected to quadrature demodulation and down sampling and then passes through a Doppler filter bank. And finally, performing segmentation correlation processing on the two sections of data after passing through the Doppler filter bank to obtain an output. The method has the advantages of small calculated amount and strong real-time performance, adopts the waveform diversity technology, solves the influence of reverberation on active sonar detection to a certain extent, improves the effect of the active sonar detection, and has better engineering application prospect.)

一种主动声纳单频脉冲串波形设计及检测算法

技术领域

本发明属于水下主动声纳探测领域，具体涉及一种主动声纳单频脉冲串波形设计及检测算法。

背景技术

现有主动声纳通常采用单频信号或调频信号进行水下声探测。对于高斯白噪声背景来说，匹配滤波器是最优的检测器，只要发射信号脉宽足够大，就能获得最大的输出信噪比。然而，水声环境越来越复杂，不可能是高斯白噪声背景，混响的出现使得水下声探测变得困难，如何有效地抑制混响是当前主动声纳亟需解决的问题。长单频脉冲信号对高速运动目标有着较好的抗混响性能，调频信号对静止目标有着较好的抗混响性能。为了进一步提高主动声纳抗混响性能，就需要考虑新的波形设计及检测算法。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供了一种主动声纳单频脉冲串波形设计及检测算法。

具体采用了以下设计结构及设计方案：

一种主动声纳单频脉冲串波形设计及检测算法，包括以下步骤：

步骤S1：设计单频脉冲信号参数，将单频脉冲信号参数设计为中心频率5kHz，子脉冲有效持续时间10ms，占空比为0.4，子脉冲个数4，总持续时间100ms，其中该参数频谱的有效带宽内有5个梳齿，然后通过发射机发射信号，并且接受回波数据；

步骤S2：正交解调降采样，将发射信号和回波分别进行正交解调，计算公式如下，

s_c(t)＝exp[2s(t)exp(j2πf_dt)]_LPF (1)

r_c(t)＝exp[2r(t)exp(j2πf_dt)]_LPF (2)

步骤S3：设置副本信号，根据所要检测的目标速度范围及信号的速度容限设置尺度因子及副本个数，设置的M个副本信号分别为

s_m(t)＝s(η_mt) (3)

其中m＝1,2,...M；

步骤S4：设置多普勒滤波器组，在单频脉冲信号的频率轴上设置梳状滤波器，梳齿宽度取2/T，梳齿间隔取1/T_p，得到尺度因子为1的梳状滤波器Comb_f₁；由Comb_f_m＝Comb_f₁·η_m计算其他尺度对应的梳状滤波器，所有尺度对应的滤波器组合起来形成一个M通道的梳状滤波器组；

步骤S5：目标检测及速度、距离参数估计，首先将接收回波数据取自相关后补零再做傅里叶变换得到一段输出数据X_m，然后将X_m分别通过滤波器组的M个通道后分别累加求和得到M个输出值，并找出最大值及最大值所对应的通道n，即可得到目标速度v_n，计算公式如下：

Out_m＝∑X_m(j)·Comb_f_m(j) (4)

Out_n＝max([Out₁,Out₂,……Out_M]) (5)

n＝find(Out_n＝＝[Out₁,Out₂,……Out_M]) (6)

接着根据估计的目标速度构造与之匹配的副本信号s_n，补零后做傅里叶变换得到S_n，将接收回波数据补零后做傅里叶变换后得到R_n′，再经过通道数为n的梳状滤波器，计算公式如下，

最后，选择它们的最大值作为最终检验统计量st，并同时完成了目标时延的估计，计算公式如下，

st＝max([st₁,st₂,……st_K]) (8)

如果检验统计量大于预设门限，则目标存在，否则目标不存在，重复该过程对下一段数据进行检测。

优选的，所述单频脉冲信号，其计算公式如下，

优选的，所述副本个数不小于目标范围和信号速度容限的比值。

优选的，所述单频脉冲信号的频谱为

其中，P(f)是单个调频子脉冲信号的傅里叶变换，且有

优选的，所述|Y(f)|是主瓣和栅瓣宽度为2/T，主瓣和栅瓣间距1/T_p的梳状谱函数，所以单频脉冲信号频谱是梳齿宽度为2/T，梳齿间隔为1/T_p的梳状谱。

本发明的工作原理如下：

本发明针对水下混响干扰对主动声纳探测性能的影响，利用单频脉冲串信号的频谱特性设计出对一定速度范围内运动目标有较好抗混响性能的波形，再根据其频谱特性设置多普勒滤波器组滤除部分混响以提高信混比，最后采取相关器完成检测。

本发明与现有技术相比所产生的有益效果是：本发明方法计算量小，实时性强，采用了波形分集技术，一定程度上解决了混响对主动声纳探测的影响，改善了主动声纳探测的效果，提高静止和运动目标的检测性能。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

图2为单频脉冲信号时域频谱图。

图3为信号Q函数图。

图4为速度0m/s时的检测输出图。

图5为速度1m/s时的检测输出图。

图6为速度2m/s时的检测输出图。

图7为速度3m/s时的检测输出图。

图8为速度4m/s时的检测输出图。

图9为速度5m/s时的检测输出图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体的实施例对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明。

实例1：如说明书附图1所示，一种主动声纳单频脉冲串波形设计及检测算法，包括以下步骤：

步骤S1：设计单频脉冲信号参数，将单频脉冲信号参数设计为中心频率5kHz，子脉冲有效持续时间10ms，占空比为0.4，子脉冲个数4，总持续时间100ms，其中该参数频谱的有效带宽内有5个梳齿，然后通过发射机发射信号，并且接受回波数据；

步骤S2：正交解调降采样，将发射信号和回波分别进行正交解调，计算公式如下，

s_c(t)＝exp[2s(t)exp(j2πf_dt)]_LPF (1)

r_c(t)＝exp[2r(t)exp(j2πf_dt)]_LPF (2)

步骤S3：设置副本信号，根据所要检测的目标速度范围及信号的速度容限设置尺度因子及副本个数，通常副本个数不小于目标范围和信号速度容限的比值，设置的M个副本信号分别为

s_m(t)＝s(η_mt) (3)

其中m＝1,2,...M；

步骤S4：设置多普勒滤波器组，单频脉冲信号的频谱为

其中，P(f)是单个调频子脉冲信号的傅里叶变换，且有

|Y(f)|是主瓣和栅瓣宽度为2/T，主瓣和栅瓣间距1/T_p的梳状谱函数，所以单频脉冲信号频谱是梳齿宽度为2/T，梳齿间隔为1/T_p的梳状谱，根据所要检测目标的多普雷结合单频脉冲信号频谱特点设置多普勒滤波器组，具体为：在单频脉冲信号的频率轴上设置梳状滤波器，梳齿宽度取2/T，梳齿间隔取1/T_p，得到尺度因子为1的梳状滤波器Comb_f₁；由Comb_f_m＝Comb_f₁·η_m计算其他尺度对应的梳状滤波器，所有尺度对应的滤波器组合起来形成一个M通道的梳状滤波器组；

步骤S5：目标检测及速度、距离参数估计，首先将接收回波数据取自相关后补零再做傅里叶变换得到一段输出数据X_m，然后将X_m分别通过滤波器组的M个通道后分别累加求和得到M个输出值，并找出最大值及最大值所对应的通道n，即可得到目标速度v_n，计算公式如下：

Out_m＝∑X_m(j)·Comb_f_m(j) (4)

Out_n＝max([Out₁,Out₂,……Out_M]) (5)

n＝find(Out_n＝＝[Out₁,Out₂,……Out_M]) (6)

接着根据估计的目标速度构造与之匹配的副本信号s_n，补零后做傅里叶变换得到S_n，将接收回波数据补零后做傅里叶变换后得到R_n′，再经过通道数为n的梳状滤波器，计算公式如下，

最后，选择它们的最大值作为最终检验统计量st，并同时完成了目标时延的估计，计算公式如下，

st＝max([st₁,st₂,……st_K]) (8)

如果检验统计量大于预设门限，则目标存在，否则目标不存在，重复该过程对下一段数据进行检测。

实例2：如说明书附图2-3所示，主动声呐单频脉冲串波形设计如下：单频脉冲信号，其计算公式如下，

浅海环境下，混响是主动声纳的主要干扰。抗混响波形设计及相应的信号处理算法是解决混响背景下目标检测的基本途径。以Q函数作为分析信号抗混响性能的工具，Q函数值越小，表明抗混响性能越好，其中Q函数的表达式如下：

短脉冲CW信号在一个较大速度范围内其Q函数基本保持一致，长脉冲CW信号随着速度变大其Q函数减小，单频脉冲串信号随着速度变化其Q函数开始减小再增大，如此往复呈周期性变化。从图上可以看到，当速度为1.1m/s到3.6m/s时，单频脉冲串信号的Q函数值最小，也就是说，在此速度范围内，单频脉冲串信号的抗混响性能最好。

实例3：采用计算机仿真方式完成了单频脉冲信号波形设计及检测算法验证，建立海底混响模型。仿真时假定目标位于1.23s处，目标处于混响和噪声干扰背景中，其中信混比为0dB，混噪比为0dB。仿真做100次实验，如果在1.2/1.25s处发现目标，则认为正确检测到目标。如图4-9分别为目标速度0m/s、1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s时，检测输出图。

本发明的保护范围不仅仅局限于上述实施例，上述实施例只是为了帮助解释和说明本发明，而不是对本发明的保护范围进行限制，只要设计与本发明的设计相同或者是只要是等同替换的都落在本发明所要求保护的范围之内。