专利名称：目标回波亮点测量方法
技术领域：
本发明涉及的是测量领域的主动探测系统的目标测量方法。
背景技术：
目标回波是入射波与目标相互作用后产生的，它不仅与入射声波的波形有关，还 与入射声波的方向、目标的运动姿态、海水介质、声源与目标的相对位置等因素相关联，人 们对回波进行分析处理，可以提取目标的特征信息，如果再辅以某些先验知识，就可以实现 目标检测和识别。理论分析和实验研究都证明，任何一个复杂目标，在高频情况下，它的回 波都是有若干个子回波迭加而成的，每个子回波可以看作是从某个散射点反射的波，这个 散射点就是亮点。它可以是真实的亮点，也可以是某个等效的亮点。这样，任何一个复杂目 标都可以等效成若干个散射亮点的组合。回波亮点空间结构的研究，对理解回波产生机理有深远的意义。主动声纳向着低 频方向发展，只有低频，大功率且与信道相匹配的主动声纳才能实现对隐身目标的远程探 测。目前美国的主动声纳工作频率已降低到400Hz。而目标回波是目标在入射波激励下产 生的一种物理过程，因此回波中的某些特征信息是主动声纳实现目标探测和识别的基础。 声纳处理机通过对回波信号进行处理提取这些特征量，从而进行分类识别。不同的亮点在 声轴上相互错开，形成沿着距离分布的特征。因此，在入射波激励下的目标回波可以明显分 离出各个亮点回波，这一特征提供了分析目标亮点及其特性的基本途径。当入射方位变化 时，亮点之间的相对距离和声程随之变化。因此亮点的分布特征与方位角有密切关系，造成 回波的各种时空特性。这也就使得目标的亮点结构测量成为关注点。因而，有必要发展低 频回波测量技术，以顺应今后几年声纳技术发展的需要。目前，国内已经做了大量针对高频(一般是在20kHz 35kHz频段)下目标回波 测量的工作，尚未进行低频目标回波的亮点分布结构的测量工作。以往测量目标回波亮点 的技术一般都是采用传统的波束形成方法，这种方法在测量多亮点时将会出现模糊，有测 量精度低的问题。若再将这种方法用于测量低频(IkHz及其以下)目标回波亮点，它的主 瓣将变得很宽，目标回波亮点的分辨率也会降的很低，无法高精度的测量也就成了没有人 研究测量低频目标回波亮点分布的一个原因。综上所述，测量低频目标回波亮点的方法有待于研究。

发明内容
本发明的目的在于提供可以克服常规波束形成易受瑞利限限制、旁瓣干扰且计算 量小、精度高的目标回波亮点测量方法。本发明的目的是这样实现的本发明目标回波亮点测量方法，其特征是(1)接收阵接收回波信号，利用互相关分裂阵波束形成技术估计回波亮点的方位、 并作为角度搜索范围的中心值，以中心值的-10度到10度范围作为角度搜索的范围；
(2)在已确定的角度搜索范围内采用极坐标的方式进行扫描，得到波束输出；(3)将输出的波束与发射信号的拷贝作互相关；(4)测拷贝相关的峰值的最大值，峰值的位置即是回波亮点的位置。本发明目标回波亮点测量方法还可以包括1、所述的接收阵是半波间距阵或稀疏阵。2、所述的接收的回波信号，当回波信号为窄带信号时，采用MVDR聚焦波束形成方 法形成波束；当回波信号为宽带信号时，采用MVDR聚焦波束形成方法或STMV聚焦波束形成 方法形成波束。本发明的优势在于采用分裂阵互相关测向技术可以有效的减少计算量，使用 MVDR与聚焦波束形成相融合，较常规的聚焦波束形成具有更高的分辨率和更低的旁瓣级； 而拷贝相关具有有效地接收信号能量而抑制干扰的输出功率的特点，使得在低信噪比环境 下MVDR聚焦波束形成的聚焦峰更加尖锐，背景更加平滑，旁瓣级更低。此种方法不仅适用 于半波间距阵，同时应用于稀疏阵也会有很好的效果。本发明不仅适用于测量低频目标回 波亮点，也同样适合于高频情况。


图1为本发明的测量框图；图2为本发明水平线列阵模型布放图；图3为本发明互相关分裂阵测向模块示意图；图4为本发明互相关分裂阵测向系统框图；图5为本发明宽带信号MVDR聚焦波束形成的处理流程图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细地描述结合图1 5，本发明目标回波亮点测量方法分为以下四个步骤(1)接收阵接收回波信号，利用互相关分裂阵波束形成技术估计回波亮点的方位、 并作为角度搜索范围的中心值，以中心值的-10度到10度范围作为角度搜索的范围；接收 阵是半波间距阵，也可以使稀疏阵；当回波信号为窄带信号时，采用MVDR聚焦波束形成方 法形成波束；当回波信号为宽带信号时，采用MVDR聚焦波束形成方法或STMV聚焦波束形成 方法形成波束；(2)采用最小方差信号无畸变响应MVDR聚焦波束形成的技术，在已确定的角度搜 索范围内采用极坐标的方式进行扫描，得到波束输出；(3)将输出的波束与发射信号的拷贝作互相关；(4)测拷贝相关的峰值的最大值，峰值的位置即是回波亮点的位置。结合图2，给出水平线列布防示意图，海面1与海底2的垂直距离为H米，N元水平 线列阵3布放在海深h米处，目标4在某一深度等深航行。水平阵接收宽带回波信号，先利 用分列阵互相关波束形成的方法估计目标回波亮点的方位。互相关分裂阵测向模块示意图 和系统原理图分别如图3和图4所示。目标回波信号的方位假设为Qtl，将基阵阵元分为两 组，每一组等效为一假想基元，由1至M个阵元输出求和后得到左波束，由N-M+1至N个阵元输出求和得到右波束。对左右波束输出波形作互相关，检测互相关峰值的位置，从而得到 估计的时延值，再利用时延与目标回波方位之间的关系，从而得到方位的估计值么。互相关分裂阵波束形成测向的方法，在高信噪比情况下，是可以高精度定位的；但 在信噪比很低的条件，测向精度会降低，故在估计亮点方位后，采用高精度的MVDR聚焦波 束形成的方法在将此方位的-10度到10度范围内进行精测。MVDR方法本身是针对窄带信号 提出的，而目标回波的形式可以是窄带信号外，也可以是宽带信号，如线性调频信号(LFM)。 针对宽带信号作窄带分解，即先将各阵列接收到的一段时间内的宽带信号作子段分割，可 以允许每段数据有部分的交叠，然后对每个子段作窄带分解(如FFT)，获得每个子段的窄 带包络，对各子段作MVDR聚焦波束形成得到波束输出，再对各窄带的波束形成结果进行综 合(如简单平均)，在积分时间内得到整个频带上的波形结果。整个流程图如图5所示。拷贝相关本身就有抗干扰，抗混响的能力，仅因水声信道是更复杂的多途相干信 道，经多径传播后接到的回波与发射信号有明显的不同，相关系数很低，旁瓣明显升高且杂 乱无章，甚至丢失信号的识别和检测特征，从而抑制了其在水声领域的发展。现将MVDR聚 焦波束形成的波束输出与信号源发生信号的拷贝做相关，这样相关性较好，可以更有效地 接收信号而抑制干扰的输出功率，在拷贝相关函数图上将会出现一个峰值，通过检测这个 峰值的位置，从而确定目标回波亮点的位置。本发明不仅适用于测量低频目标回波亮点，也同样适合于高频情况。
权利要求
目标回波亮点测量方法，其特征是(1)接收阵接收回波信号，利用互相关分裂阵波束形成技术估计回波亮点的方位、并作为角度搜索范围的中心值，以中心值的 10度到10度范围作为角度搜索的范围；(2)在已确定的角度搜索范围内采用极坐标的方式进行扫描，得到波束输出；(3)将输出的波束与发射信号的拷贝作互相关；(4)测拷贝相关的峰值的最大值，峰值的位置即是回波亮点的位置。
2.根据权利要求1所述的目标回波亮点测量方法，其特征是所述的接收阵是半波间 距阵或稀疏阵。
3.根据权利要求1或2所述的目标回波亮点测量方法，其特征是所述的接收的回波 信号，当回波信号为窄带信号时，采用MVDR聚焦波束形成方法形成波束；当回波信号为宽 带信号时，采用MVDR聚焦波束形成方法或STMV聚焦波束形成方法形成波束。
全文摘要
本发明的目的在于提供目标回波亮点测量方法。接收阵接收回波信号，利用互相关分裂阵波束形成技术估计回波亮点的方位、并作为角度搜索范围的中心值；在已确定的角度搜索范围内采用极坐标的方式进行扫描，得到波束输出；将输出的波束与发射信号的拷贝作互相关；测拷贝相关的峰值的最大值，峰值的位置即是回波亮点的位置。本发明可有效的减少计算量，较常规的聚焦波束形成具有更高的分辨率和更低的旁瓣级，而拷贝相关具有有效地接收信号能量而抑制干扰的输出功率的特点，使得在低信噪比环境下MVDR聚焦波束形成的聚焦峰更加尖锐，背景更加平滑，旁瓣级更低。
文档编号G01S15/06GK101907708SQ20101023502
公开日2010年12月8日 申请日期2010年7月23日 优先权日2010年7月23日
发明者惠俊英, 惠娟, 温韶娟, 赵安邦 申请人:哈尔滨工程大学