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一种频域−波数域峰值筛选的无源声呐宽带检测方法

宁江波 李宇 吴永胜 迟骋 李子高 李淑秋

宁江波, 李宇, 吴永胜, 迟骋, 李子高, 李淑秋. 一种频域−波数域峰值筛选的无源声呐宽带检测方法[J]. 声学学报, 2023, 48(3): 459-470. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2023.03.007
引用本文: 宁江波, 李宇, 吴永胜, 迟骋, 李子高, 李淑秋. 一种频域−波数域峰值筛选的无源声呐宽带检测方法[J]. 声学学报, 2023, 48(3): 459-470. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2023.03.007
NING Jiangbo, LI Yu, WU Yongsheng, CHI Cheng, LI Zigao, LI Shuqiu. A method for passive sonar broadband target detection based on peak filtering in frequency-wavenumber domain[J]. ACTA ACUSTICA, 2023, 48(3): 459-470. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2023.03.007
Citation: NING Jiangbo, LI Yu, WU Yongsheng, CHI Cheng, LI Zigao, LI Shuqiu. A method for passive sonar broadband target detection based on peak filtering in frequency-wavenumber domain[J]. ACTA ACUSTICA, 2023, 48(3): 459-470. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2023.03.007

一种频域−波数域峰值筛选的无源声呐宽带检测方法

doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2023.03.007
基金项目: 青年科学基金项目(62001469)资助
详细信息
    通讯作者:

    李淑秋, lsq@mail.ioa.ac.cn

  • 中图分类号: 43.30, 43.60

A method for passive sonar broadband target detection based on peak filtering in frequency-wavenumber domain

  • 摘要:

    在水声信号处理中, 传统的无源声呐宽带目标检测在多目标、强干扰的复杂环境中输出信噪比低, 使得检测性能急剧下降。针对此问题, 提出一种基于均匀线列阵在频域−波数域上宽带信号能量分布特性进行目标检测的方法。该方法首先将阵列信号转换到频域−波数域, 利用不同频率下波数主瓣、旁瓣宽度特征以及空间分布特征, 设计针对主瓣的判别与分配方法, 实现对同一目标不同频率下波数谱主瓣判别, 使用主瓣能量累积、主瓣数目累积的方式来形成方位谱, 从而进行目标检测。理论分析和仿真结果表明, 所提方法只利用对目标检测有突出贡献的波数主瓣, 降低了旁瓣的影响, 有效提高了无源宽带水声目标的检测能力。海上试验数据处理结果表明, 目标输出信噪比相比子带峰值能量检测算法可提高5.58 dB, 较传统能量检测可提高8.73 dB, 计算时间相比传统能量检测降低46%, 验证了所提方法的有效性与实时性。

     

  • 图 1  均匀线列阵远场信号接收模型

    图 2  主瓣判别示意图 (a) 单频点主瓣判别; (b) 主瓣位置分布

    图 3  $\sin \theta $$\theta $分别与波数的关系示意 (a) 扫描方位在$\sin \theta $域等间隔; (b) 扫描方位在$\theta $域等间隔

    图 4  宽带目标检测流程

    图 5  不同信噪比下宽容系数分析 (a)方差分析; (b)均值分析与取值

    图 6  不同信噪比下宽容系数对检测的影响分析 (a) −15 dB下SSCD; (b) −15 dB下SSED; (c) 5 dB下SSCD; (d) 5 dB下SSED

    图 7  频域方位主瓣分布与传统的频域方位谱对比 (a) 方位频域主瓣能量分布图; (b) 传统FRAZ; (c) 方位谱对比

    图 8  强干扰环境下不同检测方法的方位谱对比 (a) 与能量相关的检测方法对比; (b) SSCD与E-SPAD对比

    图 9  水下无人平台与合作声源示意图 (a) 海上试验相对位置; (b) 合作声源理论方位历程图

    图 10  不同方法方位历程图对比 (a) CED; (b) SSED; (c) SPED; (d) SSECD; (e) E-SPAD; (f) SSCD

    图 11  单帧方位谱对比 (a) 与能量相关的检测方法对比; (b) SSCD与E-SPAD对比

    图 12  合作声源输出信噪比或“有效带宽”谱值比 (a) 与能量相关的检测方法对比; (b) SSCD与E-SPAD对比

    表  1  干扰信号仿真参数

    目标/干扰目标干扰1干扰2
    中心频率 (Hz)300024003000
    带宽 (Hz)200060010
    方位 (°)302040
    信干比 (dB)−28−38
    下载: 导出CSV

    表  2  算法性能比较

    CEDSPEDE-SPADSSEDSSCDSSECD
    合作目标平均输出信噪比 (dB)1.534.687.5110.26
    合作目标“有效带宽”谱值之比1.512.99
    计算时间 (ms)148.8164.279.6
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-03-18
  • 修回日期:  2022-08-02
  • 刊出日期:  2023-05-11

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