[发明专利]一种小孔径声压水听器阵的被动目标空间谱检测方法

说明书

本发明公开了一种小孔径声压水听器阵的被动目标空间谱检测方法。该方法根据声压水听器阵的尺寸和系统工作频率，计算出“精确方向矢量”，利用精确方向矢量进行空间扫描形成小孔径声压阵输出空间谱，利用归一化空间谱的平均值作为检验统计量，实现对微弱目标的有效检测。该方法可以使小孔径声压阵在半径r<0.25λ时依然保持较好的检测性能，可以有效的拓展系统的工作带宽，可扩展小孔径声压水听器阵在浮标、潜标、水下航行器、水下定位与导航产品和鱼探仪等产品中的应用。

技术领域

本发明涉及的是一种小孔径声压水听器阵被动目标空间谱检测方法，具体的说是一种在对角阵元间距小于λ/2(λ为系统工作最高频率对应的波长)的小孔径声压平面阵的被动目标空间谱检测方法。

背景技术

压差型矢量水听器具有价格低廉，结构简单，对机械运动扰动不敏感，便于安装固定等特点，因而在浮标，潜标和超短基线水声定位等系统中使用较多。压差型矢量水听器本质上是一个小孔径的复合声压水听器阵，在工程应用中，通常要求压差型矢量水听器的阵元间距足够小，半径满足r≤0.1λ，其中λ为信号的波长。而实际应用环境中，信号频带较宽时，通常很难满足r≤0.1λ的限制条件。不满足这个限制条件，压差型矢量水听器的性能则会迅速下降，此时可以看作一个小孔径的声压水听器阵。从另外一个角度来讲，上述条件限制了压差型矢量水听器的工作频带。专利 ZL201310185716.9(一种单个二维压差式矢量水听器方位估计的方法)通过优化矢量水听器的方向矢量，实现了高信噪比条件下压差型矢量水听器半径r稍大于0.1λ时，依然能准确的估计出目标。随着信噪比的降低及阵元间距的增加，该专利方法显然不能正确的估计目标的方位。

微弱目标信号的检测是实现目标参数估计的前提，如果能利用低信噪比时无规的空间谱信息检测目标，则会扩大这种小孔径声压水听器阵的应用范围，尤其是在水下移动平台上进行目标探测、定位与导航技术中会有重要的应用前景。

发明内容

本发明的目的是：提供一种简单、实用、稳健的基于小孔径声压水听器阵的被动目标空间谱检测方法。

本发明的技术方案是：一种小孔径声压水听器阵的被动目标空间谱检测方法，包括如下步骤：

步骤一：将二维的小孔径声压水听器阵四个通道的接收数据p_i(n)(其中i＝1,2,3,4 表示阵元序号，n表示数据的采样值序号)通过希尔伯特变换转换成复信号

步骤二：对四个通道的复声压信号求和，然后再除以2，求取声压水听器阵中心点出的声压信号值

步骤三：对同一坐标轴上的两个阵元声压信号进行相减，然后将其差值移相-90^°，求得声压水听阵中心点的差分信号

步骤四：将步骤二、步骤三求出的声压水听器阵中心点处的信号罗列在一起，得出小孔径声压水听器阵的输出向量其中符号“T”表示矩阵的转置，再利用输出信号Y(n)求解协方差矩阵N 表示数据采样点总数。

步骤五：根据阵列的配置和系统的工作频段，计算小孔径声压水听器阵的精确方向矢量其中λ表示工作信号的波长，r表示对角阵元间距的一半，θ_m为扫描角度值，m表示扫描角度序号。

步骤六：利用步骤五中的精确方向矢量U(θ_m)和步骤四中的数据协方差矩阵计算空间谱，然后求解空间谱的归一化值，对所有归一化空间谱值求平均，得到空间谱检验统计量

其中，M表示空间角度采样数量，N表示数据样本采样数量，θ_m表示第m个空间扫描角度值。

步骤七：根据系统要求的最大虚警概率P_f和环境噪声数据协方差矩阵根据步骤六中的空间谱检验统计量公式，采用蒙特卡罗统计方法计算检测门限值D_th(N,M)。