[发明专利]一种水下弱目标检测方法

说明书

本发明提供了一种水下弱目标检测方法，将接收到的信号在计算机中进行被动时间反转处理，与预先估计的信道进行匹配，截取聚焦段信号，对聚焦段信号进行调制放大处理，对信号进行尺度变换转化为小参数信号后通过二阶随机共振系统进行处理，对输出信号进行尺度还原并检测。本发明将被动时间反转理论与随机共振理论结合起来，同时利用了时反方法将水下多径干扰转换为信号增益的优势，以及随机共振方法将部分噪声能量转移到目标信号中的特点，实现了更低信噪比下更高效的信号检测。

技术领域

本发明属于信号处理领域，具体涉及一种水下目标检测技术。

背景技术

海洋可以看作是一个随机时变、空变的滤波器，使声信号发生变换，如多普勒效应以及角度扩展等。由于海洋声信道的多径效应及水声介质的时变性和不均匀性，声信号在传播过程中会发生形变、起伏、失真等情况。其中，多径效应是指声波经过不同的路径传播后到达接收端，包括海底、海面的直达波和多次折射、反射波，各分量到达的时间不同，按照各自的相位进行叠加从而造成干扰，使得原来的信号失真。

同时，随着现代科学技术的持续发展，潜艇、AUV等水下装置在动力装置、通信设备等方面都有了巨大的提升，以至于其隐蔽性能大大提升。例如美国“海狼号”核潜艇，其潜艇辐射噪声甚至低于海洋环境噪声，这也就是通常所说的弱目标，即辐射信号深埋在强噪声背景中的目标。

基于上述海洋多径效应及强背景噪声的影响，加之目标辐射信号又很微弱，因此，从中检测出有效信号非常困难，传统的水下信号检测处理方法主要是通过滤波器手段，滤除噪声带来的影响，但它们在去除噪声的同时，不可避免的也对信号本身也造成了损失，同时也无法满足微弱信号检测中低信噪比的要求。

针对以上弱目标检测过程中遇到的多径干扰问题，被动时间反转(Passive TimeReversal，PTR)理论基于先验的信道信息，利用了水下多径效应，在声场互易性和时反不变性原理的基础上，可自动补偿由于多径效应造成的时延扩展，实现能量聚焦，从而提高信号信噪比，

对于海洋强背景噪声干扰的影响，在不对噪声进行滤除的前提下，随机共振理论(Stochastic Resonance，SR)得到应用，该理论由Benzi等人在1981年为解释地球冰川周期性首次提出。随机共振方法，即在一定非线性条件下，由弱周期信号和噪声合作而导致的非线性系统增强周期性输出的现象，它将噪声看作有益元素，通过一个非线性系统作用，将噪声中部分能量转移到信号中来，提升了信号信噪比。

研究发现，被动时反与随机共振方法可以分别针对性解决水下微弱信号检测中所遇到的问题，但在面临目标辐射信号越来越小的情况下，仅仅只采用一种手段，由于多径衰减及海洋强背景噪声的影响，往往处理后的信号中，目标辐射信息仍旧检测困难。通过文献查找，未见同时针对水下多径效应及强背景噪声问题的微弱信号检测方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种水下弱目标检测方法，将被动时间反转理论与随机共振理论结合起来(PTR-SR方法)，建立了基于被动时间反转与随机共振的水下弱目标联合检测方法，同时利用了时反方法将水下多径干扰转换为信号增益的优势，以及随机共振方法将部分噪声能量转移到目标信号中的特点，实现了更低信噪比下更高效的信号检测，为水中弱目标检测技术提供新的理论和技术支持。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

第一步，接收阵元接收到信号其中，目标辐射声信号s(t)＝A_s sin(2πft)，A_s为信号幅值，f为信号中心频率；N表示发射点到接收点的声线总数，c_n表示第n条本征声线的幅值衰减，τ_n表示对应声线的时延，q(t)表示信号传输过程中加入的噪声，是均值为0、方差为d²的高斯白噪声；

第二步，将接收到的信号在计算机中进行被动时间反转处理，与预先估计的信道进行匹配h(t)，得到第二次接收信号