阅读说明：本技术 一种垂直阵声压梯度波束形成与信号检测方法 (Vertical array sound pressure gradient beam forming and signal detecting method ) 是由 陈韶华 曹振宇 张恒 秦银 汶宏刚 赵冬艳 于 2020-12-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种垂直阵声压梯度波束形成与信号检测方法,涉及水声阵列处理与目标探测技术领域,本发明既能检测较近距离的目标,又可以抑制远处传来的干扰,实现远程强干扰背景下的较近距离目标检测。本发明的技术方案包括如下步骤：采用M元等距垂直阵相邻阵元接收信号依次相减,得到M-1通道声压梯度信号；M为大于1的整数。对M-1通道声压梯度信号在预定角度上形成波束,并求得波束输出功率。对一段时间的波束输出功率输出形成数据序列,对数据序列采用长时α滤波求背景均值,对数据序列采用短时α滤波求信号均值,若信号均值大于背景均值设定数值,则判决为检测到目标。(The invention discloses a vertical array sound pressure gradient beam forming and signal detecting method, and relates to the technical field of underwater acoustic array processing and target detection. The technical scheme of the invention comprises the following steps: sequentially subtracting the received signals of adjacent array elements of the M-element equidistant vertical array to obtain an M-1 channel sound pressure gradient signal; m is an integer greater than 1. And forming a wave beam on the M-1 channel sound pressure gradient signal at a preset angle, and obtaining the output power of the wave beam. And outputting the beam output power for a period of time to form a data sequence, solving a background mean value by adopting long-time alpha filtering on the data sequence, solving a signal mean value by adopting short-time alpha filtering on the data sequence, and judging that the target is detected if the signal mean value is larger than a set value of the background mean value.)

一种垂直阵声压梯度波束形成与信号检测方法

技术领域

本发明涉及水声阵列处理与目标探测技术领域，具体涉及一种垂直阵声压梯度波束形成与信号检测方法。

背景技术

水下垂直阵检测从附近通过的微弱目标信号时，海洋中远处传来的行船噪声和其他干扰主要从水平方向入射，如图1所示。当目标信号很微弱时，采用声压阵波束形成往往不足以抑制干扰并提取信号。为了抑制水平方向入射的强干扰，一般采用自适应波束零陷技术。自适应波束零陷技术实现比较复杂，不适合在长期电池供电的水下小平台上应用。

在水下小平台上，如何在远程强干扰背景下实现对较近距离目标的检测，是目前的波束形成方案无法解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种垂直阵声压梯度波束形成与信号检测方法，既能检测较近距离的目标，又可以抑制远处传来的干扰，实现远程强干扰背景下的较近距离目标检测。

为达到上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

采用M元等距垂直阵相邻阵元接收信号依次相减，得到M-1通道声压梯度信号；M为大于1的整数。

对M-1通道声压梯度信号在预定角度上形成波束，并求得波束输出功率。

对一段时间的波束输出功率输出形成数据序列，对数据序列采用长时α滤波求背景均值，对数据序列采用短时α滤波求信号均值，若信号均值大于背景均值设定数值，则判决为检测到目标。

进一步地，采用M元等距垂直阵相邻阵元接收信号依次相减，得到M-1通道声压梯度信号，具体为：

针对M元等距垂直阵接收到的M通道信号滤波放大后进行采样，得到M通道离散信号序列x₁(n),x₂(n),……,x_M(n),n＝0,1,……,N-1,N是每个通道一帧数据的样本点数。

将M通道离散信号中每两个相邻通道信号相减，得到M-1通道声压梯度信号：y_i(n)＝x_i+1(n)-x_i(n),i＝1,2,……,M-1。

进一步地，对M-1通道声压梯度信号在预定角度上形成波束，具体为：

根据M元等距垂直阵的深度h和需要监测的距离r，得到待形成波束的角度θ：θ＝arctan(r/h)

对M-1通道声压梯度信号在θ方向上进行常规波束形成，波束输出为u(n),n＝0,1,……,N-1；

求波束输出功率为

进一步地，对一段时间的波束输出形成数据序列，具体为：在设定的一段时间内，获得共K帧信号，其中每一帧信号对应一个波束输出功率，即共K帧信号得到数据序列为{z(k)，k＝0,1,……,K-1}，k为第k帧信号。

进一步地，对数据序列采用长时α滤波求背景均值，对数据序列采用短时α滤波求信号均值，具体为：

对数据序列采用长时α滤波求背景均值为

对数据序列采用短时α滤波求信号均值

其中M_a为短时滤波参数，小于设定的短时滤波阈值；M_b为长时滤波参数，大于设定的长时滤波阈值。

进一步地，取M_a小于10，M_b大于50。

有益效果：

本发明提供的一种垂直阵升压梯度波束形成与信号检测方法，通过等间距垂直阵列相邻阵列接收信号相减，得到声压梯度信号。声压梯度信号具有空间指向性，在水平方向上形成凹陷，对声压梯度信号进行波束形成处理，根据波束图合成的乘法原理，所得波束在水平方向上形成凹陷，而在指定方向上如30°处能量损失很小，这样既能检测较近距离的目标，又可以抑制远处传来的干扰，实现远程强干扰背景下的较近距离目标检测。本发明的与声压阵波束形成方法相比，有更好的干扰抑制能力。与现有自适应零陷波束形成技术相比，复杂性大大降低，更方便在工程中应用。

附图说明

图1为本发明实施例中垂直阵在远程干扰背景下探测示意图；

图2为本发明实施例中声压梯度的垂直指向性示意图；

图3为本发明实施例中声压梯度波束形成的干扰零陷示意图；

图4为本发明实施例中声压阵、声压梯度阵的波束输出与信号检测结果示意图；

图5为本发明实施例提供的一种垂直阵声压梯度波束形成与信号检测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种垂直阵声压梯度波束形成与信号检测方法，其流程如图5所示，该方法包括如下步骤：

S1、采用M元等距垂直阵相邻阵元接收信号依次相减，得到M-1通道声压梯度信号；M为大于1的整数。

本发明实施例中，针对M元等距垂直阵接收到的M通道信号滤波放大后进行采样，得到M通道离散信号序列x₁(n),x₂(n),……,x_M(n),n＝0,1,……,N-1,N是每个通道一帧数据的样本点数；

将M通道离散信号中每两个相邻通道信号相减，得到M-1通道声压梯度信号：y_i(n)＝x_i+1(n)-x_i(n),i＝1,2,……,M-1。

通过等间距垂直阵列相邻阵列接收信号相减，得到声压梯度信号。声压梯度信号具有空间指向性，在水平方向上形成凹陷，如图2所示。

S2、对M-1通道声压梯度信号在预定角度上形成波束，并求得波束输出功率。

根据M元等距垂直阵的深度h和需要监测的距离r，得到待形成波束的角度θ：θ＝arctan(r/h)

对M-1通道声压梯度信号在θ方向上进行常规波束形成，波束输出为u(n),n＝0,1,……,N-1；

求波束输出功率为

对声压梯度信号进行波束形成处理，根据波束图合成的乘法原理，所得波束在水平方向上形成凹陷，而在指定方向上如30°处能量损失很小，如图3所示。

S3、对一段时间的波束输出功率输出形成数据序列；在设定的一段时间内，获得共K帧信号，其中每一帧信号对应一个波束输出功率，即共K帧信号得到数据序列为{z(k)，k＝0,1,……,K-1}，k为第k帧信号。

S4、对数据序列采用长时α滤波求背景均值，对数据序列采用短时α滤波求信号均值。

其中的短时α滤波与长时α滤波是指在α滤波中应用的滤波参数不同，其中M_a为短时滤波参数，小于设定的短时滤波阈值；M_b为长时滤波参数，大于设定的长时滤波阈值。

对数据序列采用长时α滤波求背景均值为

对数据序列采用短时α滤波求信号均值

本发明实施例中，取M_a小于10，M_b大于50。

S5、对背景均值和信号均值的大小进行判断，若信号均值大于背景均值设定数值，则判决为检测到目标，否则返回S1继续进行下一次检测。

即如果判断检测到目标，δ为所取设定数值，选取时可以依据判决效果决定，一般可以取2-5。

该发明所述垂直阵声压梯度波束形成与信号检测方法已经得到了海试数据的验证，如附图4所示。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。