一種用于水下目標(biāo)識別的回波相位特征提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及聲納領(lǐng)域，特別涉及一種用于水下目標(biāo)識別的回波信號相位特征提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在聲納和雷達(dá)領(lǐng)域，經(jīng)常需要對水下目標(biāo)進(jìn)行分類識別。用于目標(biāo)識別的不變特征由內(nèi)相特征和外相特征組成，其中內(nèi)相特征是指目標(biāo)的聲譜結(jié)構(gòu)，外相特征是指目標(biāo)的外形和速度等。目標(biāo)識別方面，主動(dòng)目標(biāo)識別不能像被動(dòng)識別方法那樣利用目標(biāo)的內(nèi)相信息，目前的方法多是基于回波的能量特征獲得目標(biāo)的幾何特征，也就是目標(biāo)的亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)。依靠這些特征來進(jìn)行識別和分類，這也同樣忽略了反射回波中所包含的另一重要內(nèi)容一一回波相位信息。
[0003]假設(shè)目標(biāo)反射回波在平面邊界以平面波的形式進(jìn)行反射和透射，水下聲波在不同密度的反射界面上回波相位的變化也不相同。即當(dāng)入射波由密度低(聲阻抗低)的介質(zhì)進(jìn)入密度高(聲阻抗高)的介質(zhì)時(shí)，界面反射回波相位不發(fā)生改變；相反則界面反射回波的相位發(fā)生反相。基于上述聲學(xué)原理，不同形狀、結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的目標(biāo)反射回波相位構(gòu)成了主動(dòng)聲納目標(biāo)識別的識別特征。為了能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)回波相位特征提取，需要完成從主動(dòng)發(fā)射信號的波形設(shè)計(jì)，以及相應(yīng)的回波后置信號處理。在現(xiàn)有技術(shù)中尚不存在此類方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提高現(xiàn)有主動(dòng)聲納目標(biāo)識別概率，在目前能量特征識別方法基礎(chǔ)上提供一種回波相位識別特征及其特征提取方法。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用于水下目標(biāo)識別的回波相位特征提取方法，包括:
[0006]步驟I)、構(gòu)建雙頻發(fā)射信號；所述雙頻發(fā)射信號包括兩個(gè)具有相同相位的頻率分量，兩個(gè)頻率分量的中心頻率間有確定的比例關(guān)系；
[0007]步驟2)、根據(jù)步驟I)所構(gòu)建的雙頻發(fā)射信號生成所對應(yīng)相關(guān)運(yùn)算的雙頻子帶復(fù)本信號；
[0008]步驟3)、雙頻發(fā)射信號到達(dá)目標(biāo)，產(chǎn)生目標(biāo)反射回波；所述目標(biāo)反射回波包括兩個(gè)頻率分量；
[0009]步驟4)、接收目標(biāo)反射回波，對所述反射回波中的兩個(gè)頻率分量分別做帶通濾波，然后將所得到的兩個(gè)帶通濾波結(jié)果分別與步驟2)得到的雙頻子帶復(fù)本信號進(jìn)行子帶相關(guān)運(yùn)算；
[0010]步驟5)、依據(jù)步驟4)所得到的子帶相關(guān)運(yùn)算結(jié)果獲得目標(biāo)反射回波的截取位置，分別截取兩個(gè)頻率分量的脈沖信號，再計(jì)算反射回波雙頻信號的相位值。
[0011]上述技術(shù)方案中，步驟5)進(jìn)一步包括:
[0012]步驟5-1)、依據(jù)步驟4)所得到的子帶相關(guān)運(yùn)算結(jié)果中的相關(guān)峰位置作為反射回波雙頻信號的截取位置，利用窗函數(shù)分別截取目標(biāo)反射回波中兩個(gè)頻率分量的脈沖信號；
[0013]步驟5-2)、利用步驟I)中的兩個(gè)頻率分量的中心頻率間的比例關(guān)系對目標(biāo)反射回波中一個(gè)頻率分量的脈沖信號做頻率比例變換，目標(biāo)反射回波中另一個(gè)頻率分量的脈沖信號保持不變；
[0014]步驟5-3)、將目標(biāo)反射回波中經(jīng)過頻率比例變換的一個(gè)頻率分量的脈沖信號與目標(biāo)反射回波中另一個(gè)未經(jīng)頻率比例變換的頻率分量做復(fù)共軛相乘；
[0015]步驟5-4)、對步驟5-3)所得到的復(fù)共軛相乘結(jié)果利用互譜法計(jì)算目標(biāo)反射回波中兩個(gè)頻率分量的相位值，并以此作為主動(dòng)聲納目標(biāo)識別方法的識別特征量。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0017]1、與現(xiàn)有技術(shù)中的方法相比，本發(fā)明的方法能夠在常規(guī)主動(dòng)聲納目標(biāo)識別的基礎(chǔ)上，增加目標(biāo)反射回波相位特征的識別特征量，進(jìn)一步提高目標(biāo)識別概率；
[0018]2、本發(fā)明的方法采用雙頻發(fā)射信號，不增加任何硬件上的開銷，通過選擇合理的參數(shù)可以有效抑制目標(biāo)識別中的相位噪聲。
【附圖說明】
[0019]圖1是在一個(gè)實(shí)施例中的雙頻信號的一個(gè)頻率分量的時(shí)間波形圖；
[0020]圖2是在一個(gè)實(shí)施例中的雙頻信號的一個(gè)頻率分量的幅頻響應(yīng)圖；
[0021]圖3是在一個(gè)實(shí)施例中的雙頻信號的另一個(gè)頻率分量的時(shí)間波形圖；
[0022]圖4是在一個(gè)實(shí)施例中的雙頻信號的另一個(gè)頻率分量的幅頻響應(yīng)圖；
[0023]圖5是兩個(gè)頻率分量疊加后的發(fā)射信號的時(shí)間波形圖；
[0024]圖6是兩個(gè)頻率分量疊加后的發(fā)射信號的幅頻響應(yīng)圖；
[0025]圖7是在一個(gè)實(shí)施例中所接收的目標(biāo)反射回波的時(shí)域波形圖；
[0026]圖8是圖7所示目標(biāo)反射回波做子帶相關(guān)后的結(jié)果示意圖；
[0027]圖9是對反射回波信號進(jìn)行處理的流程圖；
[0028]圖10是信噪比SNR為25.5dB時(shí)的相位特征提取結(jié)果的示意圖；
[0029]圖11是信噪比SNR為5.5dB時(shí)的相位特征提取結(jié)果的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0031]本發(fā)明的方法的原理是:在信號發(fā)射階段發(fā)射雙頻信號，所發(fā)射的雙頻信號的相位相同，兩信號間的頻率具有一定的比例關(guān)系；所發(fā)射的雙頻信號到達(dá)目標(biāo)并產(chǎn)生目標(biāo)反射回波，接收并計(jì)算目標(biāo)反射回波中兩個(gè)頻率分量的相位差。目標(biāo)反射回波中兩個(gè)頻率分量的相位差也就是主動(dòng)聲納目標(biāo)識別中所需要的識別特征。
[0032]下面結(jié)合實(shí)例，對本發(fā)明的方法的具體步驟描述如下:
[0033]步驟I)、根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)確定待發(fā)射的雙頻信號的中心頻率、脈沖長度T和雙頻中心頻率間的比例關(guān)系，構(gòu)建待發(fā)射的雙頻信號；
[0034]所述系統(tǒng)參數(shù)描述了雙頻信號的中心頻率、脈沖長度T和雙頻中心頻率間的比例關(guān)系。圖1-圖6是在一個(gè)實(shí)施例中所設(shè)計(jì)的待發(fā)射的雙頻信號的示意圖；其中，圖1和圖2分別為雙頻信號中一個(gè)頻率分量的時(shí)間波形圖和幅頻響應(yīng)圖，該頻率分量的中心頻率為162kHz ;圖3和圖4分別為雙頻信號中另一個(gè)頻率分量的時(shí)間波形圖和幅頻響應(yīng)圖，該頻率分量的中心頻率為202. 5kHz?圖5和圖6為兩個(gè)頻率分量疊加后的發(fā)射信號的時(shí)間波形圖和幅頻響應(yīng)圖，其中兩個(gè)頻率分量的比例關(guān)系為5/4，這一比例關(guān)系也被稱為子帶比例因子。
[0035]步驟2)、根據(jù)步驟I)所構(gòu)建的待發(fā)射的雙頻信號，生成所對應(yīng)相關(guān)運(yùn)算的雙頻子帶復(fù)本信號；
[0036]步驟3)、雙頻信號發(fā)射后到達(dá)目標(biāo)，產(chǎn)生目標(biāo)反射回波；
[0037]步驟4)、接收目標(biāo)反射回波，所述目標(biāo)反射回波包括兩個(gè)頻率分量，對這兩個(gè)頻率分量分別做帶通濾波，然后將兩個(gè)頻率分量的帶通濾波結(jié)果分別與步驟2)得到的雙頻子帶復(fù)本信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算（簡稱子帶相關(guān)）；
[0038]圖7和圖8是在一個(gè)實(shí)施例中所接收的目標(biāo)反射回波的示意圖，其中的圖7為目標(biāo)反射回波的時(shí)域波形圖，其中O. 2ms處為直達(dá)波、O. 6ms處為目標(biāo)反射回波；圖8是圖7所示目標(biāo)反射回波做子帶相關(guān)后的結(jié)果示意圖，其中的O. 2ms處為直達(dá)波的相關(guān)峰，O. 6ms處為目標(biāo)反射回波的相關(guān)峰。
[0039]步驟5)、依據(jù)步驟4)所得到的相關(guān)結(jié)果獲得反射回波的截取位置，分別截取兩個(gè)頻率分量的脈沖信號，再利用互譜法計(jì)算目標(biāo)反射回波中兩個(gè)頻率分量的相位值。
[0040]參考圖9，步驟5)進(jìn)一步包括：
[0041]步驟5-1)、依據(jù)步驟4)所得到相關(guān)結(jié)果中的相關(guān)峰位置作為目標(biāo)反射回波兩個(gè)頻率分量脈沖的截取位置，利用窗函數(shù)分別截取目標(biāo)反射回波中兩個(gè)頻率分量的脈沖信號;
[0042]步驟5-2)、利用步驟I)中的子帶比例因子對目標(biāo)反射回波中一個(gè)頻率分量的脈沖信號做頻率比例變換，目標(biāo)反射回波中另一個(gè)頻率分量的脈沖信號保持不變；
[0043]步驟5-3)、將目標(biāo)反射回波中經(jīng)過頻率比例變換的一個(gè)頻率分量的脈沖信號與目標(biāo)反射回波中另一個(gè)未經(jīng)頻率比例變換的頻率分量的脈沖信號做復(fù)共軛相乘；
[0044]步驟5-4)、對步驟5-3)所得到的復(fù)共軛相乘結(jié)果利用互譜法計(jì)算反射回波雙頻信號的相位值。
[0045]圖10和圖11是本發(fā)明相位特征提取方法用于水面反射一個(gè)實(shí)施例的示意圖。以水面反射回波作為識別目標(biāo)，由于水面滿足遠(yuǎn)場平面邊界，反射回波相位原理上是180度。圖10為信噪比SNR為25. 5dB時(shí)的相位特征提取結(jié)果，圖11為信噪比SNR為5. 5dB時(shí)的相位特征提取結(jié)果，可以看出在信噪比高的時(shí)候明顯相位結(jié)果會比較集中，相位誤差較小。
[0046]最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于水下目標(biāo)識別的回波相位特征提取方法，包括: 步驟I)、構(gòu)建雙頻發(fā)射信號；所述雙頻發(fā)射信號包括兩個(gè)具有相同相位的頻率分量，兩個(gè)頻率分量的中心頻率間有確定的比例關(guān)系； 步驟2)、根據(jù)步驟I)所構(gòu)建的雙頻發(fā)射信號生成所對應(yīng)相關(guān)運(yùn)算的雙頻子帶復(fù)本信號; 步驟3)、雙頻發(fā)射信號到達(dá)目標(biāo)，產(chǎn)生目標(biāo)反射回波；所述目標(biāo)反射回波包括兩個(gè)頻率分量; 步驟4)、接收目標(biāo)反射回波，對所述反射回波中的兩個(gè)頻率分量分別做帶通濾波，然后將所得到的兩個(gè)帶通濾波結(jié)果分別與步驟2)得到的雙頻子帶復(fù)本信號進(jìn)行子帶相關(guān)運(yùn)算; 步驟5)、依據(jù)步驟4)所得到的子帶相關(guān)運(yùn)算結(jié)果獲得目標(biāo)反射回波的截取位置，分別截取兩個(gè)頻率分量的脈沖信號，再計(jì)算反射回波雙頻信號的相位值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于水下目標(biāo)識別的回波相位特征提取方法，其特征在于，步驟5)進(jìn)一步包括: 步驟5-1)、依據(jù)步驟4)所得到的子帶相關(guān)運(yùn)算結(jié)果中的相關(guān)峰位置作為反射回波雙頻信號的截取位置，利用窗函數(shù)分別截取目標(biāo)反射回波中兩個(gè)頻率分量的脈沖信號； 步驟5-2)、利用步驟I)中的兩個(gè)頻率分量的中心頻率間的比例關(guān)系對目標(biāo)反射回波中一個(gè)頻率分量的脈沖信號做頻率比例變換，目標(biāo)反射回波中另一個(gè)頻率分量的脈沖信號保持不變； 步驟5-3)、將目標(biāo)反射回波中經(jīng)過頻率比例變換的一個(gè)頻率分量的脈沖信號與目標(biāo)反射回波中另一個(gè)未經(jīng)頻率比例變換的頻率分量做復(fù)共軛相乘； 步驟5-4)、對步驟5-3)所得到的復(fù)共軛相乘結(jié)果利用互譜法計(jì)算目標(biāo)反射回波中兩個(gè)頻率分量的相位值，并以此作為主動(dòng)聲納目標(biāo)識別方法的識別特征量。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于水下目標(biāo)識別的回波相位特征提取方法，包括：構(gòu)建雙頻發(fā)射信號；所述雙頻發(fā)射信號包括兩個(gè)具有相同相位的頻率分量，兩個(gè)頻率分量的中心頻率間有確定的比例關(guān)系；根據(jù)雙頻發(fā)射信號生成所對應(yīng)相關(guān)運(yùn)算的雙頻子帶復(fù)本信號；雙頻發(fā)射信號到達(dá)目標(biāo)，產(chǎn)生目標(biāo)反射回波；所述目標(biāo)反射回波包括兩個(gè)頻率分量；接收目標(biāo)反射回波，對所述反射回波中的兩個(gè)頻率分量分別做帶通濾波，然后將所得到的兩個(gè)帶通濾波結(jié)果分別與雙頻子帶復(fù)本信號進(jìn)行子帶相關(guān)運(yùn)算；依據(jù)子帶相關(guān)運(yùn)算結(jié)果獲得目標(biāo)反射回波的截取位置，分別截取兩個(gè)頻率分量的脈沖信號，再計(jì)算反射回波雙頻信號的相位值。
【IPC分類】G01S7-539
【公開號】CN104777474
【申請?zhí)枴緾N201510214019
【發(fā)明人】吳永清
【申請人】中國科學(xué)院聲學(xué)研究所
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年4月29日