一种基于单矢量潜标的线谱信号目标自动检测方法

摘要

本发明提供的是一种基于单矢量潜标的线谱信号目标自动检测方法。利用单矢量潜标获得矢量水听器的声压及振速信号，取声压及振速通道信号作为输入，经过一级检测获得过门限的线谱个数、频率、方位信息；将一级检测结果作为二级检测的输入，对过门限的多个线谱在时间上进行二级动态累计，得到各线谱动态累积计数及线谱频率、方位信息缓存信息；对稳定线谱启动自动线谱跟踪程序；来自同一目标的多个线谱进行合并；输出目标个数以及目标方位结果。本发明充分利用线谱检测的高信噪比优势，能克服线谱多种不稳定性因素，实现对线谱目标的自动检测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于单矢量潜标的线谱信号目标自动检测方法。

背景技术

自动检测技术是随着计算机的出现而发展起来的一门新兴学科，应用十分广泛。自动检 测技术可以利用计算机的优秀资源，通过特定的软件算法编程，实现对目标信号的自动分析、 检测及测量功能，这样可以显著提高系统的效率，减少因人工判决而耗费资源、工作量和时 间，更适用于无人职守和全天候监测的应用场合。

矢量水听器具有与频率无关的指向性特点，利用单个矢量水听器即可以实现对低频目标 的方位估计，近年来得到了广泛的关注。矢量潜标系统是一种可广泛布放于海洋的声学测量 系统，可以完成恶劣海况下的长期、定点、连续、多层面水下声学信号的测量任务。水下声 源目标在低频都存在丰富的线谱特征，线谱往往要高出连续谱十几分贝甚至更高，因此在低 频利用线谱检测的方式更容易实现对目标的远距离检测。线谱往往会存在一定的不稳定性， 如频率的不稳定性(机械抖动和运动多普勒导致的频偏)，能量不稳定性(传播引起的干涉现 象)，这些因素都为线谱检测带来了一定的难度。

经过文献检索发现，有文献对矢量方位估计和α滤波技术问题进行了研究：

姚直象，惠俊英等.基于单矢量水听器四种方位估计方法.[j].海洋工程，2006，24(1).(以 下简称文献1)

梅继丹，噪声目标被动测向问题研究.[M].哈尔滨工程大学硕士学位论文.2006.3.(以下简 称文献2)

本发明采用了文献1中的互谱直方图统计方位解算公式进行方位估计。采用了文献2中 第三章3.3.4节的α滤波技术用于双向α滤波连续谱包络提取。但是上述文献都未给出线谱自 动检测方法，仅仅是对方位等测量方法的研究。无法解决线谱目标的自动检测问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能解决因线谱存在的不稳定性和能量不稳定性导致的难以实 现线谱目标的自动检测问题的基于单矢量潜标的线谱信号目标自动检测方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一、一级检测：

将谱数据作为输入，经一级检测输出当前时刻谱数据中过门限线谱的个数、频率以及方 位信息；

步骤二、二级检测：

对步骤一一级检测后输出的过门限线谱进行时间上的动态累计，统计每个一级检测过门 限线谱的过门限次数，并将过门限线谱的频率以及方位信息缓存至跟踪线谱缓存区域，用于 与下一时刻一级检测过门限线谱的频率以及方位信息进行对比；

步骤三、线谱自动跟踪过程启动：

当二级检测中统计得到的过门限线谱的过门限次数大于计数门限(count_Max)时，启动 自动跟踪过程；当过门限线谱的过门限时间累计数小于丢失计数门限时确定为目标丢失，关 闭自动跟踪过程；

步骤四、线谱合并及结果输出：

将满足自动跟踪过程启动条件的各线谱对应的方位角两两做差形成方位角之差，将方位 角之差小于线谱合并角度门限(thetaDT)的两个过门限线谱确定为同一目标的过门限线谱， 并将这两个过门限线谱进行合并，取这两个过门限线谱方位角的平均值作为合并方位值，至 此得到最终的目标个数及方位信息，并输出。

本发明的有益效果为：

本发明基于单矢量潜标系统提出线谱信号目标自动检测方法，在步骤一中，采用双向α滤 波的方法获得连续谱包络信息，即正反各做一次滤波，因输入、输出对应关系的计算公式是 固定的，不同的输入可以得到不同的输出，当把声压通道频谱数据作为输入时，就可以提取 连续谱的变化趋势，与直接设定固定门限的方法相比，可以更好的剔除连续谱背景对线谱检 测的影响，避免因固定门限设置不合理带来的大片连续谱信息残留。进而获得更干净的线谱 输出结果。步骤二以及步骤三中，采用时间上动态累计的方法，对线谱过门限的次数进行时 间上的动态累计，设定时间累积统计数门限，对同一线谱当累计数大于门限时才判定其为需 要跟踪线谱，此时该线谱是多次稳定过门限的，能够显著降低因噪声或瞬态干扰引起的偶发 过门限虚警。

以此针对从舰船目标低频线谱的特点，设计出能够进行多级线谱自动检测的方法，充分 利用线谱检测的高信噪比优势，同时又能克服线谱的多种不稳定性因素，实现对线谱目标的 自动检测功能。

附图说明

图1为本发明进行线谱自动检测信号处理总体框图；

图2为本发明涉及的各级检测信号处理流程框图；

图3为本发明涉及的适量水听器xy向坐标定义图；

图4为本发明涉及的双向α滤波器原理图；

图5为本发明涉及的二级检测信号处理流程图；

图6为本发明设计的目标自动跟踪信号处理流程图；

图7为本发明涉及的多线谱目标合并流程图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

具体实施方式一：

本实施方式的基于单矢量潜标的线谱信号目标自动检测方法，所述检测方法通过以下步 骤实现：如图1、图2所示，

步骤一、一级检测：

将谱数据作为输入，经一级检测输出当前时刻谱数据中过门限线谱的个数、频率以及方 位信息；

步骤二、二级检测：

对步骤一一级检测后输出的过门限线谱进行时间上的动态累计，统计每个一级检测后过 门限线谱的过门限次数，用于下面第三级检测，并将过门限线谱的频率以及方位信息缓存至 跟踪线谱缓存区域，用于与下一时刻一级检测过门限线谱的频率以及方位信息进行对比；

步骤三、线谱自动跟踪过程启动：

当二级检测中统计得到的过门限线谱的过门限次数大于计数门限(count_Max)时，启动 自动跟踪过程；当过门限线谱的过门限时间累计数小于丢失计数门限时确定为目标丢失，关 闭自动跟踪过程；

步骤四、线谱合并及结果输出：

将满足自动跟踪过程启动条件的各线谱对应的方位角两两做差形成方位角之差，将方位 角之差小于线谱合并角度门限(thetaDT)的两个过门限线谱确定为同一目标的过门限线谱， 并将这两个过门限线谱进行合并，取这两个过门限线谱方位角的平均值作为合并方位值，至 此得到最终的目标个数及方位信息，并输出。

具体实施方式二：

与具体实施方式一不同的是，本实施方式的基于单矢量潜标的线谱信号目标自动检测方 法，步骤一所述经一级检测输出当前时刻谱数据中过门限线谱的个数、频率以及方位信息的 过程为，如图2所示线谱自动检测各级信号处理框图中的一级检测框图，

步骤一一、将声压通道信号P依次通过快速离散傅里叶变换运算方法FFT、平均周期图 方法的处理，获得稳定的频谱曲线；

步骤一二、将稳定的频谱曲线取对数，之后利用双向α滤波的方法获得连续谱包络；

步骤一三、在连续谱包络基础上通过加固定值的一级检测门限DT的方法去除连续谱干 扰背景，获得一级检测的线谱输出，进一步经过线谱提取统计具体的过门限线谱的个数Num 以及过门限线谱频率f_i，并将过门限线谱按照过门限频率f_i由小到大的顺序排列为过门限线 谱序列；

步骤一四、同时，利用矢量水听器接收到的声压通道信号P和振速通道信号，采用频域 互谱法对步骤一三获得的过门限线谱序列进行方位估计，并将方位估计得到的过门限线谱方 位信息按照对应的过门限线谱序列的顺序排列。

具体实施方式三：

与具体实施方式二不同的是，步骤一二所述利用双向α滤波的方法获得连续谱包络的过 程是，采用双向α滤波的方法获得连续谱包络，具体实现流程如图4所示，

首先，设定测量频段为f_L～f_H，f_L和f_H分别为频率下限和频率上限；

然后，根据功率谱计算结果采用双向滤波器的双向α滤波计算公式：

Y(k)＝Y(k-1)+α[X(k)-X(k-1)]提取连续谱趋势；其中，X(k)表示滤波器的输入序列，Y(k) 表示双向滤波器的输出序列，k代表序列中的当前点，k-1代表当前点k的上一点。本发明中 的输入序列是声压通道频谱序列，k对应的是滤波器当前输入频率值。双向滤波器是将声压 通道频谱进行一次正向α滤波之后将输出结果反转，再进行一次反向α滤波。双向α滤波的好 处一是可以获得更为平滑的连续谱包络背景，二是可以克服单向α滤波的输出滞后问题。

具体实施方式四：

与具体实施方式二或三不同的是，本实施方式的基于单矢量潜标的线谱信号目标自动检 测方法，步骤一三所述经过线谱提取统计具体的过门限线谱的个数Num以及过门限线谱频率 值f_i的过程为，在连续谱包络上加固定值的一级检测门限DT作为各频点的频谱门限，高于 各频点频谱门限的频率确定为过一级检测的过门限线谱，对过门限线谱的个数Num进行统 计，并给出具体的过门限线谱频率f_i。

具体实施方式五：

与具体实施方式四不同的是，本实施方式的基于单矢量潜标的线谱信号目标自动检测方 法，采用频域互谱法对步骤一三获得的过门限线谱序列进行方位估计的过程为，

第一，有功声能流变量计算公式如下：

x方向有功能流：$I_{{\mathrm{PV}}_x}\left(f\right)=\mathrm{Re}\left(S_{PVx}\right(f\left)\right),$其中，$S_{PVx}\left(f\right)=P\left(f\right)V_x^{*}\left(f\right)$表示声压通道信号 P和x轴振速通道信号Vx的互谱；

y方向有功能流：其中，表示声压通道信号P 和y轴振速通道信号Vy的互谱；

其中，P代表矢量水听器接收到的声压通道信号，Vx代表矢量水听器接收到的x方向水 平振速通道信号，Vy代表矢量水听器接收到的y方向水平振速通道信号，f表示频率，P(f) 表示声压通道信号频谱，V_x(f)、V_y(f)分别表示x、y方向水平振速通道信号频谱，上标“*” 表示求共轭，(x，y方向坐标定义如图3所示，)DT代表一级检测门限值，单位为dB；

第二，通过方位计算公式：获得频率f对应的 方位θ(f)；则θ(f_i)表示对各个一级检测获得的过门限线谱频率值f_i对应的方位角估计值， θ(f_i)计算公式为：其中，f_i表示一级检测获得的 过门限线谱频率值，i表示过门限线谱频率序号；T表示积分时间(s)；Δf表示频率分辨率/Hz； 双向滤波器系数为0.1；Num表示线谱个数，单位为根；Num_Max表示最多线谱跟踪个数， 单位为根。

具体实施方式六

与具体实施方式一、二、三或五不同的是，本实施方式的基于单矢量潜标的线谱信号目 标自动检测方法，步骤二所述对步骤一一级检测后输出的过门限线谱进行时间上的动态累计， 统计每个过门限线谱的过门限次数，并将过门限线谱的频率以及方位信息缓存至跟踪线谱缓 存区域的过程为，如图2所示二级检测信号处理框图和如图5所示二级检测信号处理流程图， 对二级检测的处理流程描述如下：

步骤二一、以一级检测输出的过门限线谱的个数Num、频率f_i以及方位信息作为二级检 测输入，初始化二级检测参数，并预先缓存上一组跟踪缓存的过门限线谱的频率信息；

步骤二二、判断当前跟踪线谱缓存是否为空；若是，则将当前以及检测过门限线谱缓存 入二级跟踪线谱区；若否，则逐个将当前时刻一级检测测得的过门限线谱的频率值与二级跟 踪缓存的线谱的频率值进行比较，进行过门限线谱时间累积数的计算，判断二者频率值是否 相同：

若二者频率值相同，找到当前过门限线谱缓存区对应线谱位置，将当前过门限的线谱频 率值f_i对应位置的时间累计数count[f_i]加1；

若二者频率值不相同，认为当前过门限线谱是新线谱，将其按照个线谱频率值f_i的大小 顺序插入跟踪线谱缓存区域的正确位置，当前过门限线谱的频率值f_i对应的时间累计数置1， 则此时形成的跟踪线谱缓存包括当前时刻过门限线谱信息及上一时刻正在跟踪的线谱信息， 且按照频率值f_i由小到大的顺序排列；

若联合判别出未出现连续检测线谱，即上一组跟踪缓存的线谱信息中在当前时刻未出现， 则认为丢失一次，则找到当前过门限线谱的频率值f_i对应位置的时间累计数减1；

其中，频率f_i对应的时间累计数count[f_i]的取值范围为0～count_Max，当频率f_i对应的 时间累计数count[f_i]小于0时，频率对应的时间累计数置0，当频率f_i对应的时间累计数 count[f_i]大于最大值count_Max时，频率对应的时间累计数置count_Max；

步骤二三、动态线谱累计过程线谱的排序一直是由小到大排列的，将每次发现的新线谱 按照线谱频率值f_i大小顺序插入跟踪线谱缓存区域的正确位置后，将线谱时间累计数countf_i为0的完全丢失线谱的频率删除，并将后续线谱整体向前移动替换删除空位，线谱时间累积 计数的位置是跟线谱频率位置一一对应变化，同时每个线谱的方位信息的缓存位置也跟据线 谱频率位置对应进行动态变化；

步骤二四、判断时间累计数count[f_i]是否为零；若是，则改线谱二级检测丢失，清除该 频点对应缓存的频率、方位、时间累计数count[f_i]的值，若否，将时间累计数count[f_i]大于 1的线谱对应的方位信息进行缓存；

步骤二五、输出二级检测结果，且二级检测结果信息包括二级跟踪的过门限线谱个数 Num、各过门限线谱的频率f_i对应的线谱时间累计数count[f_i]以及方位的缓存结果；

其中，线谱频率值f_i对应的线谱时间累计数count[f_i]取整数，单位为个；并设count_Max 表示过门限线谱时间累计数最大值；Num2表示二级跟踪线谱缓存的过门限线谱个数。

具体实施方式七：

与具体实施方式六不同的是，本实施方式的基于单矢量潜标的线谱信号目标自动检测方 法，步骤三所述线谱自动跟踪的过程为，按照图2中自动跟踪信号处理框图和图6目标自动 跟踪信号处理流程图，以二级检测结果作为自动跟踪级的输入，依次判别二级跟踪线谱缓存 区域缓存的过门限线谱计数是否到达count_Max：

当过门限线谱序号i小于等于Num2时，判断序号i的过门限线谱的频率f_i对应的时间累 计数count[f_i]是否达到count_Max()；若是，则确定序号i的过门限线谱的频率值f_i为稳定 检测线谱，启动对该过门限线谱的自动跟踪过程，将频率f_i的线谱自动跟踪标志位flag[f_i] 置1，i值加1，返回过程起始位置判别i是否小于等于Num2；若否，flag[f_i]保持为0，i值 加1，返回过程起始位置判别i是否小于等于Num2，上述为过程循环执行过程，i的初始值 设为1，每执行一次后将i值加1，直至i值等于Num2；自动跟踪过程启动后独立运行，不 需要时间累计数count[f_i]每次都达到count_Max，当自动跟踪线谱的时间累计数count[f_i]小 于count_Max时则表示该过门限线谱的一级检测发生了丢失，但只要计数器值仍在 count_Max-2以上则保持继续跟踪，若计数器在count_Max-2以下则将自动跟踪标志位flag[f_i] 置0，放弃三级的自动跟踪，继续保持二级检测，直到时间累计数count[f_i]等于0，认为完 全丢失目标，清除该目标二级检测数据缓存；其中，Num2表示二级检测缓存跟踪的线谱个 数，flag[f_i]表示频率f_i对应的自动跟踪标志位。

自动跟踪过程独立于一、二级自动检测程序，不影响检测过程，每检测到新线谱达到累 计次数都启动自己的跟踪过程。计算完毕后输出线谱个数、各线谱频率f_i对应的时间累计数 count[f_i]、方位及自动跟踪标志flag值的缓存结果。

具体实施方式八：

与具体实施方式一、二、三、五或七不同的是，本实施方式的基于单矢量潜标的线谱信 号目标自动检测方法，步骤四所述线谱合并的过程为，对于同一目标，可能有很多根线谱， 需要对同一目标的线谱进行合并，以自动跟踪输出结果为输入，启动目标线谱合并程序，按 照图2中多线谱目标合并信号处理框图和图7多线谱目标合并流程图，

步骤四一、进行参数初始化；

步骤四二、判断线谱序号是否小于等于Num2，若否，则表示目标合并过程结束，输出 目标数和方位；若是，将线谱可合并标志初始化为0，然后进行下一步；

步骤四三、判断跟踪标志flag的值是否等于1且线谱频率值f_i对应的时间累计数count[f_i] 是否大于等于count_Max-2，若否，则i值加1，然后返回步骤四二，若是则进行下一步；

步骤四四、判断是否为第一根线谱；若是，则进行初始化参数，将目标个数T_Num置1， 设置目标1基准参考方位，缓存目标1频率、方位信息，然后，i值加1，返回步骤四二；若 否，则进行下一步；

步骤四五、将当前第i个序号对应的线谱方位与当前检到的目标方位逐一进行对比，确 定是否进行合并，具体执行过程为：

设定目标序号j的初始值为1，当目标序号j小于等于目标个数T_Num时，判断当前检 测的第i个序号对应的线谱方位与j号目标方位的方位角之差是否小于设定的线谱合并角度门 限thetaDT；若是，则进行合并，并计算合并后方位值、缓存目标频率、方位、将可合并标志 置1，j值加1，返回步骤四五起始位置，判断j是否小于目标个数T_Num的判决位置；当j 不小于目标个数T_Num的判决位置，j值加1，直接返回步骤四五起始位置j是否小于目标 个数T_Num的判决位置；若否，则第i个序号对应的线谱方位与当前检到的目标方位逐一对 比过程结束，进行下一步，上述过程是循环执行过程，从j等于1开始，每执行一次j值加1， 直到j值等于T_Num为止；其中，通过取第i号线谱方位角与可合并目标的方位角平均值的 方法计算合并后方位值；

步骤四六、判断是否所有当前过门限线谱都无法合并，若否，i值加1，然后，返回步骤 四二；若是，表明发现新目标，将目标个数T_Num加1，并初始化新目标参数：设置基准参 考方位，缓存新目标频率和方位信息，i值加1，然后，返回步骤四二；

循环重复步骤四二至步骤四六的过程，得到最终的目标个数及方位信息，并进行输出给出目 标数和方位结果；其中，thetaDT表示线谱合并门限，单位为°；T_Num表示目标个数，单位 为个；theta[j]表示目标方位，j＝1...T_Num。