【《基于BDI算法的海底回波检测方法分析》3400字】

基于BDI算法的海底回波检测方法分析目录TOC\o"1-3"\h\u31651基于BDI算法的海底回波检测方法分析 1171001.1动态门限的计算 1307581.2高分辨角度估计 459611.3运动补偿 574781.4起始门与终止门的确定 5160311.5TOA与DOA的估计 6BDI算法，全名是（BearingDirectionIndicator），是一种常见的利用信号幅值信息进行综合检测的算法，它通过对信号的幅值进行综合处理，先对每个波束里的回波的到达角度(DOA)进行准确定位，再计算回波的的到达时间(TOA)[6][31]。其具体执行步骤流程图如图(1.7)所示[5][6]。1.1动态门限的计算在海水环境中，并非只有在发射的声波信号触碰到海底或目标后返回至水听器时，水听器才会采集到声波信号。或者说，水听器在工作时一直会持续采集到声波信号。这是因为海底环境中具有噪声信号。再者，回波信号到达水听器时也产生旁瓣。这些就导致海底回波信号在返回水听器时往往会混着噪声和旁瓣接收。其中，噪声可以进行分析，而旁瓣则可以被剔除[5]，而实现这一步的方法就是设定检测门限。在解释检测门限之前，我们先简单介绍一下从发射换能器发出一个声波到接收到回波信号的这个流程中，随着时间的推进，不同的波束在同一时间接收到的信号的幅度会发生的变化[4][7]。图1.7BDI算法处理流程图在解释检测门限之前，我们先简单介绍一下从发射换能器发出一个声波到接收到回波信号的这个流程中，随着时间的推进，不同的波束在同一时间接收到的信号的幅度会发生的变化[4][7]。我们先假定发射换能器发射了一个声波的短脉冲，其以球面扩展规律从海面向下进行传播。如图(1.9)左图所示，从脉冲发射开始计算，在时刻，声波并未到达海底，所以此时并没有回波产生。因此在（声波返回需要经历双程路径）时刻对应的时间片上，如图(1.9)右图所示的角度-幅值空间域离散信号图上并不会有海底回波信号，其幅值的主要提供者是体积混响和背景噪声。脉冲发射后的时刻，如图(1.10)左图所示，声波到达了海底，但只有半圆扩展面上的一点与海底发生了接触并返回，因此在（声波返回需要经历双程路径）时刻对应的时间片上会有这一回波，定义其为，但这一声波的到达方向并不一定是已存在的控制波束的指向，一般会落在两个波束角度中间[7]。因此实际情况会如图(1.10)右图所示,角度-幅值空间域离散信号图上在两个相邻的角度上有明显比其他角度更高的幅值图1.8仿真直线阵接收信号形成FFT波束后的时间采样-波束号-幅值三维图像图1.9时刻的基阵和时刻的时间片脉冲发射后的时刻，如图(1.11)，声波到达了海底，波振面截取了海底的B和C两点。于是在时刻这一个时间片上会包含两组回波信号的幅度值，且分布在两个不同的角度上，记为和。图1.10时刻的基阵和时刻的时间片图1.11时刻的基阵和时刻的时间片另外，在和时刻，会有几个波束也有角度输出，这是因为各个波束的主瓣都有一定的宽度，而且还有旁瓣的存在。正因如此，我们在处理接收到的信号时需要将对我们有意义的回波信号与无效的噪声信号和旁瓣接收信号分开，即动态检测门限的设置。检测门限简单来讲就是一个有意定义号的信号幅度电平，作为一个检测用的参考标准。当已有信号的部分幅度高于这个电平，就将这一部分假定为可以保留的有效信号；而当部分信号的幅度低于这个电平，就会将其定义为无效信号，并进行剔除。这一步的理论依据是噪声哈旁瓣信号虽然混入了接收的信号中，但它们往往比发射器发出的回波信号幅值小很多。这一步是相辅相成的，因为发射信号脉冲在参数定义时也会为了便于与无效信号区分而设计成幅值较大的信号。另外，需要注意的一点是，这个门限并不是一个一成不变的电平，而是需要随着时间片数（即时间的推进）而进行调整的。这个门限的确认过程需要考虑以下几个参数[5][7]:由操作人员手动输入设定的门限值；信号接收机的背景噪声级；信号接收机的旁瓣响应；潜在的、且会干扰海底回波检测的噪声脉冲。在此基础上，可以对每一个时间片计算出一个门限，得到一组动态的门限数据组。利用好这个随着时间变化的动态门限数据组，就可以确认好各个角度对应的幅值的取舍阀值，从而一定程度上地进行无效信号的剔除。考虑到回波信号的幅值远比噪声信号和一些小混响的信号幅值要大，则在同一时刻，对各个波束的信号幅值求得的平均值，得到的结果将小于前者而大于后者。因此，在本文中根据图(1.5)所示的数据进行每个采样时刻的动态门限的计算，公式如下(2-13)其表现于前面示范的图示如图(1.12)所见。图1.12动态门限幅值与该时间片各波束信号幅值对比1.2高分辨角度估计在一个时间片内，回波声信号到达水听器基阵的角度在实际上并不一定会与控制波束的角度一致，例如图(1.10)所示的就是在两个相邻的控制波束的角度和之间。也就是说，对于某一个方向上的海底反射回来的回波，往往不会只有一个波束输出，而是会有多个波束的输出。利用各波束输出的幅度值进行计算，从而确定信号的精确回波到达角度DOA，这种数据处理方式就是高分辨角度估计[6]。高分辨角度估计的第一步就是计算出动态门限，这点在1.1.1.1已经进行了系统的讲解，在这里仅对动态门限处理后的信号图像做图示（图(1.13)）。图(1.13)所示的是对仿真回波信号进行处理时在某时间截取得到的角度-幅度图。第二步则是基于已知了波束形成器的主波束图的形状下进行曲线拟合。例如，可以使用曲线拟合的方法，以图(1.13)为例，在轴（横轴）上的波束主瓣形状可以近似为抛物线，于是可以采用对这组保留下来的幅值数据采样最小二乘拟合的方式进行处理，可以拟合出这两组类抛物线的角度-幅度点组成的曲线，拟合曲线的峰值便可以记为是这组高幅度值真正的源角度，也就是1.1中提到的。图(1.14)上两条虚线绘制的类抛物线就是这种处理方法的示范展示。图1.13动态门限剔除后保留下来的信号与其曲线拟合经过了角度DOA的估计后，我们便可以得到一系列的角度-幅度数据对，因为这些处理是基于每个时间片采集到的角度-幅度数据矩阵得到的，所以可以说这一系列的角度-幅度数据对与时间片数是一一对应的。我们把这些由角度、幅度、出现的时间一一组合起来的数据对称为“命中”，每个“命中”包括角度、幅度和出现的时间三类数据各一个。1.3运动补偿高分辨角度估计后得到的一系列“命中”中包含着角度数据。然而这些角度数据是在水听器阵的工作基础下测量的，而水听器阵安装在海上的运动平台上。这就意味着，要将海底回波信号转换成海底测量值并进行不同时间片的测量数据对比，首先需要测量出水听器阵的运动数据，将其列入考虑范围中。这个过程被称为运动补偿。接下来以横摇补偿为例，对运动补偿进行讲解。假设水听器阵的载体只进行了围绕基阵中心的转动，横摇角是。设基阵原先是水平的，补偿便是在时间片的每个命中上，将横摇角加到测量值上，即将水听器的坐标系统转换到大地坐标系中的回波角度。横摇角、测量值和大地坐标系中的回波角度之间的关系如式(2-14)和图(1.14)所示。（2-14）图1.14横摇角补正1.4起始门与终止门的确定起始门与终止门是决定采集信号开门与关门的时间点。一般来讲，在接收器中需要设置一个“距离门”，也就是在信号发射过去一段时间后，开设一个时间窗，为的是将预定可能会到达的回波收入其中。以前常用的能量中心收敛检测法，其基本思想便是基于这种思路的，假定海底回波信号的能量集中在某一个时间区间内，只要找到了这个区域，就可以求得波束指向对应的海底回波的到达时间[2][20]。在BDI算法处理中，起始门与终止门可以根据波束控制角和时间计算得到。如图(1.14)所示，可以按照式(2-15)对其进行计算[13][14][27]。式中的是-3dB波束宽度，为掠射角，为发射脉冲信号宽度。(2-15)图1.16波束斜入射时海底回波反射情况计算出起始门和终止门后，将其用于“命中”组的处理，便可以剔除起始门和终止门以外的“命中”，仅仅保留门内的“命中”。1.5TOA与DOA的估计每一次脉冲的发射后，保留下来的“命中”组可以构成一幅如图(1.17)左图所示的“云图”。图上的各个圆点每个表示一个首发周期内的“命中”，按照对应的角度和时间标出。由于波束本身具有一定的宽度，在波束宽度内波便会有数个“命中”。于是，这个“云图”就可以通过按照波束中心位置和对应的波束宽度，划分出各个区域。如图(1.17)中间的图所示，图上所保留的“命中”都位于某一个指向角度为的波束宽度内，可以将其看作是整个云图中关于角度指向为、宽度已知（即波束宽度）的命中“子集”。通过“子集”中的“命中”，就可以计算出信号到达的时间TOA和信号到达的角度DOA[2][4][7][26]。这里的处理分为两步进行。第一步，先对波束宽度内保留下来的“命中”计算出TOA的均值和标准差。可以看作在时间上存在着一个时间包络，它位于以均值为中心、宽度为2的区间内，如图(1.17)右图所示。于是，落在这个区间外部的“命中”在这一步也被剔除。接着，对保留下来的所有“命中”，通过幅度加权法平均计算出DOA和TOA，计算公式分别如式