[发明专利]一种基于非均匀线阵的水面目标识别系统及识别方法

权利要求书

1.一种基于非均匀线阵的水面目标识别系统，其特征在于，包括非均匀线阵、模拟滤波放大模块、多通道数据采集A/D、DSP数字信号处理模块和输出模块；

所述非均匀线阵包括n个水听器，其中n大于等于4；n个水听器不等间距垂直布放，阵中心位于水面下，且需保证阵的最上方水听器位于水面之下，所述非均匀线阵为中心对称阵列；

所述非均匀线阵接收到声信号后，通过模拟滤波放大模块将声信号进行抗混叠滤波与放大处理，滤除带外噪声，提高采样前端模拟信号的信噪比，后传入多通道数据采集A/D模块；经多通道数据采集A/D模块实现模/数转换后，将数字化后的声信号传入DSP数字信号处理模块；经DSP数字信号处理模块进行频域波束形成，把时域数据变化到波束域，之后在DSP中实现双波束比幅法判决处理后进行输出，输出的是目标俯仰角的估计值，最后采用聚类分析方法进行水面/水下目标的二分类任务；同时需要使用DSP数字信号处理模块内部的定时器，通过定时器设定多通道数据采集A/D模块的采样频率，进行采集控制。

2.如权利要求1所述的一种基于非均匀线阵的水面目标识别系统，其特征在于，所述非均匀线阵中的阵中心位于水面下15m处。

3.如权利要求1所述的一种基于非均匀线阵的水面目标识别系统，其特征在于，所述DSP数字信号处理模块，可使用DSP进行算法的实现，也可使用ARM或FPGA实现算法。

4.基于权利要求1所述一种基于非均匀线阵的水面目标识别系统的识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：本专利需要在水下布放一个垂直线列阵，首先需要根据布阵深度及观测海域的范围确定俯仰角的范围。设海深为h，垂线阵布放深度为d(阵中心位置)，观测的距离为[r₁,r₂]，因此最大俯仰角范围[θ₁,θ₂]可根据下式进行计算：

其中，阵的法线方向为90°，垂直向下为180°。

步骤2：根据俯仰角范围设计一个非均匀垂线阵，需要在声信号频带范围内，令垂线阵的自然指向性在俯仰角范围[θ₁,θ₂]内无旁瓣。

步骤3：针对该非均匀垂线阵，根据波束设计方法设定两组不同的权系数，形成两个分别指向水面和水底的波束，称为上波束(Top Beam)和下波束(Bottom Beam)，而将m个阵元的输出直接相加作为主波束(Main Beam)：

步骤4：设所使用的垂线阵包含m个阵元，τ为时延，n为高斯白噪声，第i个阵元接收到的信号可表示为：

x_i＝s(t+τ_i)+n (2)

该信号为垂线阵接收到的水声信号经过滤波放大模块调理后的连续时域信号。

步骤5：采用多通道A/D模块进行数据采集，实现连续时域信号的离散化，并计算三个波束的输出值，将时域数据变换为波束域数据：

y＝Ax (3)

其中A＝[ω₁,ω₂L ω_m]为垂线阵的一组权系数向量，不同的波束所对应的权系数向量A不同；x＝[x₁,x₂L x_m]^T为离散化后的时域信号向量；该公式涉及的乘加运算量主要取决于阵元数，即运算复杂度为O(m)。

步骤6：对比三个波束的输出值，获取波束输出幅度最大的波束，并进行水面/水下判决，判决依据为：当上波束输出最大时，判定目标为水面目标；当主波束或下波束输出最大时，判定目标为水下目标。

当目标方位位于两个波束中间时，可采用下式获取更准确的深度估计值：

其中，Δθ₀是两个波束间的间隔，y₁和y₂为两个波束的输出。