水下目标主动声呐回波信号特征研究

水下目标主动声呐回波信号特征研究

目前在水下安静型小目标主动声纳回波信号特征提取中存在几个关键性问

题亟待研究,包括了目标回波信号特征在复杂环境下的稳定性,目标几何声散射

与各阶次弹性声散射时序结构的分析,目标固有物理属性与回波信号特征的关系,以及海底混响的抑制等。针对上述问题,本文研究了典型目标模型在混响背景下稳定的目标回波信号特征提取方法,独立的目标声散射成分信号提取方法,以及

基于盲分离与时频分布图像处理的海底混响抑制方法,为实现水下安静型小目标主动声呐探测与识别奠定基础。

首先,针对混响背景下目标回波信号特征稳定性问题,提出了目标回波信号

的瞬时频率特征提取方法,并研究了目标回波与混响的在信号特征空间中的分布特性。将混响视为一类具有独立信号性质和特征的信号,推导了目标几何声散射成分与混响的时频分布特性,根据信号瞬时频率序列的随机性,提取了瞬时频率

方差、瞬时频率熵、瞬时频率峰度与WVD-Radon变换半功率宽度四种特征。

研究中采用特征选择方法建立了二维信号特征空间,对湖上沉底目标探测实验数据处理结果表明,目标回波与混响在该信号特征空间中具有稳定的分布特性。其次,针对目标回波中几何声散射与弹性声散射混叠的问题,提出了一种目标声

散射成分信号分离方法。

在声呐发射信号为线性调频脉冲的条件下,将目标声散射成分映射为单频信号成分,推导了目标声散射时序结构与映射结果之间的线性对应关系,从而可以

通过窄带滤波分离出特定的单频信号成分。仿真及水池实验数据处理结果表明该方法对提取独立的目标弹性声散射特征的有效性。

另外,提出了一种目标声散射成分时延估计处理流程,通过带阻滤波抑制强

声散射成分,突出原目标回波中能量较弱的声散射成分,然后采用谱估计获得其频率。水池实验数据处理结果表明该方法可以有效提取出目标回波中较弱的棱角散射成分的时延信息。

最后,从两个方面对混响的抑制问题进行了研究。一是针对目标回波与混响在时频分布平面上混叠的问题,研究采用形态滤波方法对目标回波时频分布图像进行处理的混响抑制方法,提出了一种与目标几何声散射时频分布形态特征相匹配的结构元设计方法;二是在基于盲分离的混响抑制中,针对缺乏目标回波与混响分离性能评价指标的问题,采用瞬时频率方差与瞬时频率熵作为指标来判断目标回波在分离结果中的顺序,并衡量不同盲分离算法对目标回波与混响的分离程度。

湖上沉底目标探测实验与海上掩埋目标探测实验数据验证了这两点研究内容的有效性。