[发明专利]主动声纳中的HFM信号分离方法及系统

说明书

本发明涉及水声信号处理技术领域，尤其涉及主动声纳中的HFM信号分离方法及系统，所述方法包括：根据使用的HFM信号相关参数，得到变换核函数；使用变换核函数对接收信号进行时频变换；对时频变换后的信号进行积分得到非相干累加输出，通过局部输出峰值确定时延，以时延为中心进行带通滤波或带阻滤波，得到滤波后的信号；采用旋转算子对滤波后的信号进行反变换，从而滤出或滤除对应的信号分量。在主动声纳中，本发明的方法能够有效地检测HFM连续波信号，通过时频表示峰值位置与瞬时频率的对应关系，用窄带滤波方法提取并重构目标回波分量，抑制直达波干扰。

技术领域

本发明涉及水声信号处理技术领域，尤其涉及主动声纳中的HFM信号分离方法及系统。

背景技术

在传统的主动声呐大部分是脉冲式主动声呐(Pulsed Active Sonar，PAS)。其优点是工作方式简单，信号处理计算量小；但也存在明显的缺点，如发射功率高、目标照射时间短、探测更新周期长等。针对上述问-题，近年来，国内外开始重视连续波主动声呐(Continuous Active Sonar，CAS)技术的研究，并取得了一些进展。

与传统的PAS相比，CAS模式具有处理增益大，抗干扰能力强，目标跟踪更新率高等优势。相对的，CAS对发射信号的波形设计和处理方法也有更高的要求：一是要兼顾目标更新速率和时间带宽增益，二是要考虑到CAS工作在多基地模式下的多源互扰问题。受连续波雷达领域的影响，连续波探测技术最初应用于水声探测领域时，通常以线性调频连续波信号(Liner Frequency Modulation Continuous Wave,LFMCW)作为发射信号。随后，Costas序列、连续单频信号、正弦调频信号等波形被相继应用于CAS波形设计，以提高目标更新速率。Stefan M Murphy等人提出了CAS的子带滤波处理方法，将线性调频信号划分若干子带进行匹配相关处理，可以提高更新速率，但相应降低了输出信噪比。刘大利等人将差拍-分数阶傅里叶算法用于CAS的检测，可以消除LFMCW的距离-速度耦合现象，得到与匹配滤波法相当的信号处理增益，但没有考虑更新速率问题。周泽民等人提出了基于声屏蔽和常规方向零陷的联合抑制方法，以消除CAS的直达波干扰。

双曲调频信号(Hyperbolic-Frequency-Modulated waveforms，HFM)是一种多普勒宽容信号，目前广泛应用于水声探测领域。相比LFMCW，HFM连续波信号的宽带多普勒不敏感性使得其对运动目标的检测具有独特优势，在声呐回波处理过程中不需要进行多普勒补偿，减少了运算量，是一种适合于探测水下运动目标的连续波信号。但现有CAS系统的信号处理方法大多基于LFMCW，如差拍-分数阶傅里叶变换等方法，并不完全适用于HFM连续波信号。

对于水声长时非平稳信号，单独的频域或时域分析方法只能获取有限的信号信息，无法兼顾信号在时域和频域的整体特征。时频分析方法通过构造时频联合函数，同时描述信号在不同时间和频率的强度和相位，可以提取出信号的瞬时频率、带宽和频率延迟等时频特征，并且能进行时频滤波，是一种适用于水声连续波信号的处理方法。传统的非参数时频分析方法包括短时傅里叶变换，小波变换和维格纳-威尔分布等。但传统时频分析方法均在一定程度上假定信号为局部平稳信号，导致其对强时变信号的分析能力较弱。参数化时频分析根据信号模型构造对应的变换核，可以更准确地刻画非平稳信号的局部特征。参数化时频分析的变换核直接决定了时频分析的效果，因此如何准确设计变换核是参数化时频分析的关键。

双基地模式的双曲调频CAS系统，通过周期发射HFM信号，分析接收端回波信号，进行目标检测和定位。在一个扫频周期内，发射信号可以表示为：

发射信号的瞬时频率可以表示为：