[发明专利]一种基于极点特征的水下目标探测方法

说明书

本发明是一种基于极点特征的水下目标探测方法。本发明主动声纳发射声波后，对接收目标回波利用Prony建模法进行极点提取，通过构造代价函数，并使其取最小值，可以得到一个线性矩阵方程，从而求得目标的极点。利用Prony法进行计算时，还可以得到目标的幅度、相位、衰减因子等一系列指标，上述方法求得的极点可能会存在虚假极点，因此需要对极点进行进一步的筛选，利用的原理时目标的极点不随外界因素的变化而发生变化，只与目标的固有性质有关，因此，一旦目标确定，真实极点的位置就确定，而虚假极点的位置则会发生改变。通过分析有无目标时极点位置的变化，可以实现水下目标探测。

技术领域

本发明涉及水下目标探测技术领域，是一种基于极点特征的水下目标探测方法。

背景技术

根据声学知识，声波在传播过程中遇到障碍物时，会在物体表面激发起次级声源，这些次级声源会向周围的介质中辐射次级声波，即散射波。在散射波中，有一部分波会返回声源方向，即目标回波。声纳接收到的目标回声信号是入射波和目标相互作用后产生的，所以有关目标本身的一些特征信息也会被调制在回波上，对回波信号进行分析处理后，会将目标的特征信息提取出来，根据先验知识，就能实现水下目标探测。

SEM(Singularity Expansion Method)理论表明目标的后期瞬态响应可以由一些衰减的正弦振荡之和来逼近，即声纳目标的回波信号是一系列的指数衰减和信号，所以它的特性只由极点和留数来确定。由于极点是目标的复自然谐振频率，不随目标的空间取向和声纳信号的极化形式而改变，而仅与目标的大小、形状和材料等目标的本征性质有关。因此，从回波信号中提取极点是一种有效的水下目标检测方法。

1975年，Blaricum和Mittra首先研究了直接从一组时域数据提取系统目标极点和留数的方法。这种方法以Prony法为基础，经由两次矩阵求逆，一次求解高阶代数方程来获得系统的留数和极点。人们称这种算法为Prony法。20世纪80年代后期，Hua利用函数束的思想，提出了矩阵预测方法。矩阵预测方法的基本原理是利用测量数据矩阵的结构特性确定一个系数矩阵，该系数矩阵的特征值即为信号的极点。矩阵预测方法由于性能好、算法紧凑而引起广泛的重视。

发明内容

本发明为解决判断水下目标的问题，本发明提供了一种基于极点特征的水下目标探测方法，本发明提供了以下技术方案：

一种基于极点特征的水下目标探测方法，包括以下步骤：

步骤1：将水下目标回波信号拟合为衰减指数和的信号，根据所述衰减指数和的信号确定水下目标对入射声波的散射响应，通过时域采样得到离散信号；

步骤2：估计多个具有任意幅值、相位、频率与衰减因子的指数函数，根据所述指数函数构造代价函数；

步骤3：根据衰减因子和实际测量数据与对应的近似值间的误差，构建线性矩阵；

步骤4：采用Prony法或者矩阵束法获得极点目标；

步骤5：根据极点目标判断是否存在水下目标，当极点目标是成对出现，且呈共轭分布则存在水下目标。

优选地，所述步骤1具体为：

步骤1.1：将水下目标回波信号拟合为衰减指数和的信号，通过衰减指数和的信号确定水下目标对入射声波的散射响应函数：

其中，y(t)为水下目标对入射声波的散射响应函数，x(t)为水下目标对入射波的反射回波信号，n(t)为海洋噪声，A_a为复振幅，S_a为信号复频率，M为散射目标的极点个数，t为时间；

步骤1.2：通过时域采样得到y(t)的离散信号y(k)：

其中，y(k)为离散信号。