一種基于壓縮感知的水下多亮點(diǎn)目標(biāo)的檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及主動(dòng)聲吶信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于壓縮感知的水下多亮 點(diǎn)目標(biāo)的檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知，主動(dòng)聲吶首先發(fā)射探測(cè)信號(hào)，而后接收水中目標(biāo)反射的回波來(lái)探測(cè)目 標(biāo)并獲取目標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)參數(shù)等信息。目前的主動(dòng)聲吶大多采用脈沖體制，發(fā)射寬帶信 號(hào)，采用匹配濾波技術(shù)獲取較高的處理增益。但是，水下目標(biāo)尤其是水下潛器，外形構(gòu)造一 般比較復(fù)雜，目標(biāo)回波包含外形回波、角反射波等，成分比較復(fù)雜。所以，這類(lèi)目標(biāo)可以看成 少數(shù)幾個(gè)強(qiáng)反射體和多個(gè)隨機(jī)散射體構(gòu)成的復(fù)合散射體，這些散射體都可以看成亮點(diǎn)結(jié) 構(gòu)，且與目標(biāo)的姿態(tài)有關(guān)。當(dāng)探測(cè)脈沖為大帶寬、長(zhǎng)脈寬信號(hào)時(shí)，各亮點(diǎn)回波互相重疊產(chǎn)生 干涉，回波強(qiáng)度呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則的結(jié)構(gòu)。水下目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行正交解調(diào)、匹配濾波處理后，目 標(biāo)回波的處理結(jié)果呈現(xiàn)"刺猬"結(jié)構(gòu)，如圖1所示，這種處理結(jié)果不利于目標(biāo)的判決和參數(shù)估 計(jì)，并可能誤判為多個(gè)目標(biāo)，產(chǎn)生虛警。
[0003] 壓縮感知理論是最近幾年信號(hào)處理領(lǐng)域產(chǎn)生的一種新的信號(hào)處理理論，其思想是 利用信號(hào)的稀疏性對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮測(cè)量，然后利用相應(yīng)的重構(gòu)算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行重建。壓縮 感知可以通過(guò)少量的采樣值對(duì)信號(hào)重建，突破了傳統(tǒng)的香農(nóng)采樣定理的限制，大大降低了 對(duì)高分辨率信號(hào)的采集、處理的難度，主要用于圖像壓縮、稀疏信道的估計(jì)。匹配追蹤(MP) 算法是一種基于迭代貪婪追蹤的稀疏重建算法，基本思想是每一次迭代過(guò)程中，從過(guò)完備 原子庫(kù)里選擇與信號(hào)最匹配的原子構(gòu)建稀疏逼近，并求出信號(hào)表示殘差，然后繼續(xù)選擇與 信號(hào)殘差最匹配原子，經(jīng)過(guò)一定次數(shù)迭代，信號(hào)可以由一些原子線性表示。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 水下目標(biāo)的多亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)中，強(qiáng)反射體具有稀疏性，可以使用3-6個(gè)亮點(diǎn)表示水下目 標(biāo)的主要反射特性。本發(fā)明利用壓縮傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)亮點(diǎn)分布的估計(jì)，利用目標(biāo)的 亮點(diǎn)分布特性，對(duì)匹配濾波器的系數(shù)進(jìn)行修正，用修正后的匹配濾波器對(duì)目標(biāo)回波進(jìn)行處 理，提尚水下多殼點(diǎn)目標(biāo)的檢測(cè)性能。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0006] -種基于壓縮感知的水下多亮點(diǎn)目標(biāo)的檢測(cè)方法，包括以下步驟：
[0007] (1)利用發(fā)射基帶信號(hào)構(gòu)成過(guò)完備原子庫(kù)，則目標(biāo)回波基帶信號(hào)表示為過(guò)完備原 子庫(kù)與目標(biāo)亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)的乘積再加上加性高斯白噪聲；
[0008] (2)使用壓縮感知技術(shù)的匹配追蹤算法，得到完善的目標(biāo)亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)并估計(jì)得到稀 疏的目標(biāo)殼點(diǎn)結(jié)構(gòu)；
[0009] (3)利用估計(jì)得到的目標(biāo)亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)去修正匹配濾波器的系數(shù)；
[0010] (4)用修正后的匹配濾波器的系數(shù)對(duì)原始的目標(biāo)回波基帶信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處 理。
[0011] 優(yōu)選的，步驟(1)所述過(guò)完備原子庫(kù)為矩陣，所述矩陣的每個(gè)列向量是經(jīng)過(guò)某個(gè)延 時(shí)的發(fā)射基帶信號(hào)。
[0012] 優(yōu)選的，步驟(2)所述使用壓縮感知技術(shù)的匹配追蹤算法得到完善的目標(biāo)亮點(diǎn)結(jié) 構(gòu)的步驟為：
[0013] (201)所述過(guò)完備原子庫(kù)中的每一列分別與目標(biāo)回波基帶信號(hào)求內(nèi)積，找到最大 值，以及對(duì)應(yīng)的列向量所在的列數(shù)，所述最大值和所述列數(shù)分別與目標(biāo)亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)的幅度和 延時(shí)有關(guān)；
[0014] (202)利用所述最大值和所述列數(shù)得到目標(biāo)亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)的一個(gè)亮點(diǎn)；
[0015] (203)對(duì)目標(biāo)回波基帶信號(hào)進(jìn)行更新，從目標(biāo)回波基帶信號(hào)中減去已知亮點(diǎn)形成 的回波信號(hào)，得到目標(biāo)回波基帶信號(hào)的殘差信號(hào)；
[0016] (204)對(duì)目標(biāo)回波基帶信號(hào)的殘差信號(hào)繼續(xù)步驟(201)-(203)的處理過(guò)程，得到完 整的目標(biāo)亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)。
[0017]進(jìn)一步的，步驟(2)所述估計(jì)得到稀疏的目標(biāo)殼點(diǎn)結(jié)構(gòu)的方法為:從完整的目標(biāo)殼 點(diǎn)結(jié)構(gòu)中選擇3-6個(gè)強(qiáng)亮點(diǎn)，作為目標(biāo)亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)。
[0018]優(yōu)選的，所述目標(biāo)回波基帶信號(hào)的得到方法為：主動(dòng)聲吶的接收陣列接收的目標(biāo) 回波經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行常規(guī)的波束形成、正交解調(diào)、降采樣， 得到目標(biāo)回波基帶信號(hào)。
[0019] 相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0020] 本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于利用目標(biāo)亮點(diǎn)的稀疏特性，將壓縮感知技術(shù)中的匹配追蹤算 法用于目標(biāo)亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)的估計(jì)，用估計(jì)得到的亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)修正匹配濾波器系數(shù)，對(duì)目標(biāo)回波進(jìn) 行匹配濾波處理。這種方法提高了對(duì)水下多亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)目標(biāo)檢測(cè)的處理增益，減少了目標(biāo)虛 警數(shù)量。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1為多亮點(diǎn)目標(biāo)回波的常規(guī)匹配濾波處理結(jié)果；
[0022] 圖2為本發(fā)明水下多亮點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)的技術(shù)方案框圖；
[0023]圖3為本發(fā)明水下多亮點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)的【具體實(shí)施方式】流程圖；
[0024]圖4為本發(fā)明匹配追蹤算法估計(jì)的亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)；
[0025]圖5為本發(fā)明修正后的匹配濾波器的處理結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相 互組合。
[0027] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0028] 本發(fā)明提出一種基于壓縮感知的水下多亮點(diǎn)目標(biāo)的檢測(cè)方法，下面對(duì)本發(fā)明的具 體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0029] 發(fā)射信號(hào)的基帶波形用S(n)(0<ndl)表示，亮點(diǎn)的分布情況用h(n)(0<n<L- l)表示。對(duì)接收到的目標(biāo)回波進(jìn)行正交解調(diào)，得到基帶信號(hào)R(n)(0<r^M-l，M=N+L-l)。 [0030 ] 2.R(n)中包含了多個(gè)稀疏分布的強(qiáng)亮點(diǎn)回波的疊加，可以表示為
[0032]其中，u(n)為加性高斯白噪聲。上式寫(xiě)成矩陣形式為
[0034] 可以簡(jiǎn)寫(xiě)為
[0035] R = Ch+u (3)
[0036] 3.根據(jù)公式(3)求解h，可以利用壓縮感知理論中的匹配追中算法(MP算法），求解 步驟如下：
[0037] (1)令？ = 1，〇 = 1?，(31表示矩陣(：的第1個(gè)列向量，€『為(31的共輒轉(zhuǎn)置矩陣，將矩陣〇 備份為Cb。
[0038] (2)求解矩陣C的列向量與rP的內(nèi)積，即b =cfrp，〇 得到內(nèi)積向量 b的最大值8[)及取得最大值時(shí)矩陣C的列向量標(biāo)號(hào)IP。
[0040] (3)得到表示亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)的向量h的第p個(gè)值/<//;>，Ip表示該值在向量中的位置。
[0042] (4)令p = p+l，更新殘差向量& ，同時(shí)令矩陣(》P列為0,即 c, = 0 !·ρ a
[0043] (5)重復(fù)(2)(3)(4),直至得到完整的向量h，即目標(biāo)的亮點(diǎn)分布。
[0044] (6)向量h是稀疏的，保留3-6個(gè)最大值，其余值可以置零，得到ft。
[0045] 4.利用過(guò)完備原子庫(kù)和亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)修正匹配濾波器的系數(shù)。
[0047] 5.利用修正的匹配濾波器的副本信號(hào)RP對(duì)接收基帶信號(hào)R進(jìn)行匹配濾波處理，以 及后續(xù)的信號(hào)處理算法。
[0048]本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】可由圖2、圖3進(jìn)行描述。
[0049] 本發(fā)明在水下多亮點(diǎn)目標(biāo)的檢測(cè)過(guò)程中，可以將"刺猬"形狀的匹配濾波器輸出改 進(jìn)為簡(jiǎn)潔的單峰輸出，從而提高了信號(hào)處理增益，降低了虛警數(shù)量，有效地提高了聲吶的探 測(cè)性能。圖1、圖4和圖5直觀地顯示了本發(fā)明的效果：水下多亮點(diǎn)目標(biāo)回波直接經(jīng)過(guò)匹配濾 波處理，顯示為圖1所示的"刺猜"形狀;通過(guò)本發(fā)明可以估計(jì)出目標(biāo)的亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)，圖4中三幅 圖分別表示了亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)的實(shí)部、虛部和模的分布;使用估計(jì)所得的亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)匹配濾波系 數(shù)進(jìn)行修正，用修正后的匹配濾波器檢測(cè)多亮點(diǎn)目標(biāo)回波，效果如圖5所示，雜亂的峰值形 成為簡(jiǎn)潔的單峰，提高了處理增益，降低虛假目標(biāo)數(shù)量，便于目標(biāo)的判決。
[0050] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于壓縮感知的水下多亮點(diǎn)目標(biāo)的檢測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 利用發(fā)射基帶信號(hào)構(gòu)成過(guò)完備原子庫(kù)，則目標(biāo)回波基帶信號(hào)表示為過(guò)完備原子庫(kù) 與目標(biāo)亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)的乘積再加上加性高斯白噪聲； (2) 使用壓縮感知技術(shù)的匹配追蹤算法，得到完善的目標(biāo)亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)并估計(jì)得到稀疏的 目標(biāo)殼點(diǎn)結(jié)構(gòu)； (3) 利用估計(jì)得到的目標(biāo)亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)去修正匹配濾波器的系數(shù)； (4) 用修正后的匹配濾波器的系數(shù)對(duì)原始的目標(biāo)回波基帶信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓縮感知的水下多亮點(diǎn)目標(biāo)的檢測(cè)方法，其特征在 于，步驟(1)所述過(guò)完備原子庫(kù)為矩陣，所述矩陣的每個(gè)列向量是經(jīng)過(guò)某個(gè)延時(shí)的發(fā)射基帶 信號(hào)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓縮感知的水下多亮點(diǎn)目標(biāo)的檢測(cè)方法，其特征在 于，步驟(2)所述使用壓縮感知技術(shù)的匹配追蹤算法得到完善的目標(biāo)亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)的步驟為： (201) 所述過(guò)完備原子庫(kù)中的每一列分別與目標(biāo)回波基帶信號(hào)求內(nèi)積，找到最大值，以 及對(duì)應(yīng)的列向量所在的列數(shù)，所述最大值和所述列數(shù)分別與目標(biāo)亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)的幅度和延時(shí)有 關(guān)； (202) 利用所述最大值和所述列數(shù)得到目標(biāo)亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)的一個(gè)亮點(diǎn)； (203) 對(duì)目標(biāo)回波基帶信號(hào)進(jìn)行更新，從目標(biāo)回波基帶信號(hào)中減去已知亮點(diǎn)形成的回 波信號(hào)，得到目標(biāo)回波基帶信號(hào)的殘差信號(hào)； (204) 對(duì)目標(biāo)回波基帶信號(hào)的殘差信號(hào)繼續(xù)步驟(201)-(203)的處理過(guò)程，得到完整的 目標(biāo)亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓縮感知的水下多亮點(diǎn)目標(biāo)的檢測(cè)方法，其特征在 于，步驟(2)所述估計(jì)得到稀疏的目標(biāo)亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)的方法為:從完整的目標(biāo)亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)中選擇3-6個(gè)強(qiáng)殼點(diǎn)，作為目標(biāo)殼點(diǎn)結(jié)構(gòu)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的一種基于壓縮感知的水下多亮點(diǎn)目標(biāo)的檢測(cè)方法， 其特征在于，所述目標(biāo)回波基帶信號(hào)的得到方法為:主動(dòng)聲吶的接收陣列接收的目標(biāo)回波 經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行常規(guī)的波束形成、正交解調(diào)、降采樣，得到 目標(biāo)回波基帶信號(hào)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種基于壓縮感知的水下多亮點(diǎn)目標(biāo)的檢測(cè)方法，包括：(1)發(fā)射基帶信號(hào)可以構(gòu)成過(guò)完備原子庫(kù)，接收信號(hào)表示為過(guò)完備原子庫(kù)與亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)的乘積；(2)使用壓縮感知技術(shù)的匹配追蹤算法，估計(jì)目標(biāo)的亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)；(3)利用估計(jì)所得的目標(biāo)亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)去修正匹配濾波器的系數(shù)；(4)用修正后的匹配濾波器的系數(shù)對(duì)目標(biāo)回波進(jìn)行匹配濾波處理。本發(fā)明在水下多亮點(diǎn)目標(biāo)的檢測(cè)過(guò)程中，可以將“刺猬”形狀的匹配濾波器輸出改進(jìn)為簡(jiǎn)潔的單峰輸出，從而提高了信號(hào)處理增益，降低了虛警數(shù)量，有效地提高了聲吶的探測(cè)性能。
【IPC分類(lèi)】G01S7/539
【公開(kāi)號(hào)】CN105548994
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510900596
【發(fā)明人】劉大利, 趙旭琛, 白生煒, 曹純重, 王正凱, 韓智銳, 陳杰鴻, 李文文
【申請(qǐng)人】天津工業(yè)大學(xué), 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所
【公開(kāi)日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2015年12月8日