一種高速小目標檢測中基于lms算法的直達波抑制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于水聲目標信號檢測技術領域，尤其涉及一種高速小目標檢測中基于LMS算法的直達波抑制方法。
【背景技術】
[0002]隨著小尺寸、低噪聲、高航速的新型水下航行器的出現，用被動聲納對水下目標進行檢測已不能滿足要求。為了提高以新型水下航行器為代表的高速小目標的探測精度，采用主動聲納成為新的選擇。
[0003]在主動聲納系統中，發射端發射周期性的脈沖信號，該脈沖信號經水下目標反射后，其回波信號被接收端接收。對接收到的回波信號進行分析，能夠獲取目標的有無和狀態信息，達到水下目標檢測的目的。在此過程中，接收端不僅接收發射信號經目標反射后的回波信號，還會接收發射端直接傳播至接收端的直達波信號。對于一般的主動聲納系統而言，由于發射信號長度有限且目標與聲納平臺的距離較遠，目標回波與直達波之間有較大的時間間隔而基本不會產生相互影響，因此無需進行直達波抑制或直達波抑制可通過對直達波所在時間段內的接收信號進行限幅來實現。而在高速小目標檢測過程中，對多普勒頻移有很高的頻率分辨率要求，這就需要使用長脈沖信號作為主動聲納的發射信號。加之高速小目標一般距聲納平臺較近，因此目標回波將被強度很大的直達波信號所覆蓋，增加了提取回波信號并進行目標檢測的難度。
【發明內容】
[0004]發明目的:為了解決主動聲吶系統在進行高速小目標檢測過程中所存在的因目標回波被直達波信號覆蓋所帶來的回波信號提取難度增大這一技術問題，本發明提供了一種高速小目標檢測中基于LMS算法的直達波抑制方法。
[0005]技術方案:為實現上述目的，本發明提供的高速小目標檢測中基于LMS算法的直達波抑制方法，包括以下步驟:
[0006](I)主動聲吶的發射端發射白噪聲信號，接收端進行信號接收得到第一接收信號，將所述白噪聲信號和所述第一接收信號進行離散采樣得到離散的白噪聲信號x(ri)和第一接收信號y(n)，將所述白噪聲信號x(n)作為輸入信號，將所述第一接收信號y(η)作為輸出信號，利用LMS算法獲取所述發射端與所述接收端之間的單位脈沖響應W，其中，η為離散時間采樣點，W= [W0 W1...Wk-J，k 表示 FIR (Finite Impulse Response，有限脈沖響應)濾波器的長度；
[0007](2)主動聲吶的發射端發射主動聲吶信號，用于高速小目標的檢測，接收端進行信號接收得到第二接收信號，將所述主動聲吶信號和所述第二接收信號進行離散采樣得到離散的主動聲吶信號s (η)和第二接收信號r (η)，將所述主動聲吶信號s (η)與所述單位脈沖響應W進行卷積得到直達波信號d (η)，其中，η為離散時間采樣點；
[0008](3)將所述接收端的第二接收信號r (η)減去所述直達波信號d(η)得到直達波抑制后的接收信號R(n)。
[0009]其中，在高速小目標檢測過程中，對多普勒頻移有很高的頻率分辨率要求，所述主動聲吶信號s(n)為長脈沖信號。
[0010]為了使得LMS算法所獲取到的單位脈沖響應W更加貼近實際響應，所述濾波器的長度k所對應的時間大于直達波的傳播時間。
[0011]有益效果:本發明的長脈沖高速小目標檢測中基于LMS算法的直達波抑制方法，是在不改變目標回波的基礎上，減小了直達波對目標回波的影響，提升了高速小目標檢測的準確性。
【附圖說明】
[0012]圖1為尚速小目標檢測不意圖；
[0013]圖2為長脈沖高速小目標檢測中的直達波和目標回波；
[0014]圖3為長脈沖高速小目標檢測中的接收信號；
[0015]圖4為LMS算法原理圖；
[0016]圖5為采用本發明方法獲得的單位脈沖響應；
[0017]圖6為采用本發明方法進行直達波抑制后的接收信號；
[0018]圖7為直達波抑制前后接收信號的頻譜。
【具體實施方式】
[0019]下面結合具體實例，進一步闡明本發明的原理和實施過程。應理解此實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。
[0020]圖1中發射端與接收端位于主動聲納平臺上，兩者距離為d ;發射端和接收端與高速小目標的距離分別為DjP D 2，一般Dpd，D2?d,所以D產D 2。由發射端發射經路徑d傳播被接收端直接接收的信號為直達波；由發射端發射經高速小目標反射被接收端接收的信號稱為目標回波信號。
[0021]為準確測得高速小目標的多普勒頻移，采用長脈沖作為主動聲納的發射信號。圖2為高速小目標檢測中的直達波和目標回波，仿真條件如下:目標回波信號與海洋本底噪聲的信噪比為8dB，水中聲速c ~ 1500m/s ;采樣頻率fs= 40kHz，主動聲納發射信號的脈沖部分頻率為&= 4kHz，時長2s，整個信號周期為4s ;主動聲納平臺的發射端與接收端相距d=15m，目標初始位置與主動聲納平臺相距D 2= 300m,目標遠離主動聲納平臺以速度V = 20m/s勻速運動。由圖3可見，接收信號為直達波信號與目標回波信號的疊加，目標信息淹沒于強度很大的直達波信號中，不便于進行回波信號的提取和高速小目標檢測。
[0022]圖4是使用LMS算法測量發射端至接收端的單位脈沖響應的原理圖，其中W是逼近待測單位脈沖響應P的FIR濾波器W = [WtlW1...Wk_J，其長度k應覆蓋直達波的傳播時間，即k > fsd/c = 400，本例中選取k = 600。LMS算法的迭代公式如下:
[0023]e (n) = y (n) -ff (η) χ (η)τ (Ia)
[0024]W (η+1) = W (η) + α e (η) χ (η) (Ib)
[0025]W (η)的初始值W(O) = [O 0...0]是長度為k的零向量。首先，獲取主動聲吶發射端與接收端的單位脈沖響應，在時刻點n，主動聲吶的發射端發射白噪聲信號x(n)，則信號序列x(n)是大小為IXk的白噪聲向量[x(n)x(n-l)...x(n_k+l)]，由當前時刻和之前時刻的白噪聲信號組成；y(n)是主動聲吶接收端獲得的接收信號；選取收斂系數α =0.001，經公式(I)的迭代使誤差信號e的幅度衰減25dB以上。e不再繼續衰減時即獲得了e的最小值，此時對應的W即是逼近待測單位脈沖響應P的FIR濾波器，即主動聲吶發射端至接收端的單位脈沖響應，如圖5所示。
[0026]然后，主動聲吶發射端發射主動聲吶信號s(n)，此時主動聲吶接收端的接收信號為r (η)。將主動聲吶發射信號與上述測量的單位脈沖響應W進行卷積得到d (η)，即在時刻點 η，計算 d (n) = Ws (η)τ，其中 T 代表轉置，而 s (n) = [s (n) s(n_l)...s(n_k+l)]，由當前時刻和之前時刻的主動聲吶信號組成。
[0027]將接收信號r(n)減去d(n)，即R(n) = r (n) _d (η)，便獲得直達波抑制后的接收信號，如圖6所示。而抑制前后目標回波時間段的頻譜分析如圖7所示，其中長方形所注為直達波的頻譜，橢圓形所注為目標回波信號的頻譜，可見很好的獲得了直達波抑制的效果。
[0028]在主動聲納工作過程中，當主動聲吶平臺上的溫度、深度等測量儀測得的聲納平臺所處位置的溫度、水深等發生變化時，即預計到主動聲吶發射端至接收端的單位脈沖響應發生變化時，重復以上步驟，完成直達波的抑制。
【主權項】
1.一種高速小目標檢測中基于LMS算法的直達波抑制方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: (1)主動聲吶的發射端發射白噪聲信號，接收端進行信號接收得到第一接收信號，將所述白噪聲信號和所述第一接收信號進行離散采樣得到離散的白噪聲信號x(ri)和第一接收信號y (η)，將所述白噪聲信號X(η)作為輸入信號，將所述第一接收信號y (η)作為輸出信號，利用LMS算法獲取所述發射端與所述接收端之間的單位脈沖響應W，其中，η為離散時間采樣點，表示第η個采樣時刻，W = [W0 W1...Wk_J，k表示FIR濾波器的長度； (2)主動聲吶的發射端發射主動聲吶信號，用于高速小目標的檢測，接收端進行信號接收得到第二接收信號，將所述主動聲吶信號和所述第二接收信號進行離散采樣得到離散的主動聲吶信號s (η)和第二接收信號r (η)，將所述主動聲吶信號s (η)與所述單位脈沖響應W進行卷積得到直達波信號d(n)，其中，η為離散時間采樣點，表示第η個采樣時刻； (3)將所述接收端的第二接收信號Hn)減去所述直達波信號d(n)得到直達波抑制后的接收信號R (η)。
2.根據權利要求1所述的高速小目標檢測中基于LMS算法的直達波抑制方法，其特征在于，所述主動聲吶信號s (η)為長脈沖信號。
3.根據權利要求1所述的高速小目標檢測中基于LMS算法的直達波抑制方法，其特征在于，所述濾波器的長度k所對應的時間大于直達波的傳播時間。
【專利摘要】本發明公開了一種高速小目標檢測中基于LMS算法的直達波抑制方法，該方法先利用LMS算法獲取主動聲吶發射端與接收端之間的單位脈沖響應，再利用該單位脈沖響應得到直達波信號，最后由接收端接收到的信號減去直達波信號估計出目標回波信號，解決了主動聲吶系統在進行高速小目標檢測過程中因目標回波被直達波信號覆蓋所帶來的回波信號提取難度增大的問題，在不改變目標回波的基礎上，減小了直達波對目標回波的影響，提升了高速小目標檢測的準確性。
【IPC分類】G01S7-537, G01S7-539
【公開號】CN104678380
【申請號】CN201510039762
【發明人】韓寧, 方世良
【申請人】東南大學
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年1月26日