基于BDI算法的海底回波檢測方法分析目錄TOC\o"1-3"\h\u31651基于BDI算法的海底回波檢測方法分析 1171001.1動態(tài)門限的計算 1307581.2高分辨角度估計 459611.3運(yùn)動補(bǔ)償 574781.4起始門與終止門的確定 5160311.5TOA與DOA的估計 6BDI算法，全名是（BearingDirectionIndicator），是一種常見的利用信號幅值信息進(jìn)行綜合檢測的算法，它通過對信號的幅值進(jìn)行綜合處理，先對每個波束里的回波的到達(dá)角度(DOA)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，再計算回波的的到達(dá)時間(TOA)[6][31]。其具體執(zhí)行步驟流程圖如圖(1.7)所示[5][6]。1.1動態(tài)門限的計算在海水環(huán)境中，并非只有在發(fā)射的聲波信號觸碰到海底或目標(biāo)后返回至水聽器時，水聽器才會采集到聲波信號?；蛘哒f，水聽器在工作時一直會持續(xù)采集到聲波信號。這是因為海底環(huán)境中具有噪聲信號。再者，回波信號到達(dá)水聽器時也產(chǎn)生旁瓣。這些就導(dǎo)致海底回波信號在返回水聽器時往往會混著噪聲和旁瓣接收。其中，噪聲可以進(jìn)行分析，而旁瓣則可以被剔除[5]，而實(shí)現(xiàn)這一步的方法就是設(shè)定檢測門限。在解釋檢測門限之前，我們先簡單介紹一下從發(fā)射換能器發(fā)出一個聲波到接收到回波信號的這個流程中，隨著時間的推進(jìn)，不同的波束在同一時間接收到的信號的幅度會發(fā)生的變化[4][7]。圖1.7BDI算法處理流程圖在解釋檢測門限之前，我們先簡單介紹一下從發(fā)射換能器發(fā)出一個聲波到接收到回波信號的這個流程中，隨著時間的推進(jìn)，不同的波束在同一時間接收到的信號的幅度會發(fā)生的變化[4][7]。我們先假定發(fā)射換能器發(fā)射了一個聲波的短脈沖，其以球面擴(kuò)展規(guī)律從海面向下進(jìn)行傳播。如圖(1.9)左圖所示，從脈沖發(fā)射開始計算，在時刻，聲波并未到達(dá)海底，所以此時并沒有回波產(chǎn)生。因此在（聲波返回需要經(jīng)歷雙程路徑）時刻對應(yīng)的時間片上，如圖(1.9)右圖所示的角度-幅值空間域離散信號圖上并不會有海底回波信號，其幅值的主要提供者是體積混響和背景噪聲。脈沖發(fā)射后的時刻，如圖(1.10)左圖所示，聲波到達(dá)了海底，但只有半圓擴(kuò)展面上的一點(diǎn)與海底發(fā)生了接觸并返回，因此在（聲波返回需要經(jīng)歷雙程路徑）時刻對應(yīng)的時間片上會有這一回波，定義其為，但這一聲波的到達(dá)方向并不一定是已存在的控制波束的指向，一般會落在兩個波束角度中間[7]。因此實(shí)際情況會如圖(1.10)右圖所示,角度-幅值空間域離散信號圖上在兩個相鄰的角度上有明顯比其他角度更高的幅值圖1.8仿真直線陣接收信號形成FFT波束后的時間采樣-波束號-幅值三維圖像圖1.9時刻的基陣和時刻的時間片脈沖發(fā)射后的時刻，如圖(1.11)，聲波到達(dá)了海底，波振面截取了海底的B和C兩點(diǎn)。于是在時刻這一個時間片上會包含兩組回波信號的幅度值，且分布在兩個不同的角度上，記為和。圖1.10時刻的基陣和時刻的時間片圖1.11時刻的基陣和時刻的時間片另外，在和時刻，會有幾個波束也有角度輸出，這是因為各個波束的主瓣都有一定的寬度，而且還有旁瓣的存在。正因如此，我們在處理接收到的信號時需要將對我們有意義的回波信號與無效的噪聲信號和旁瓣接收信號分開，即動態(tài)檢測門限的設(shè)置。檢測門限簡單來講就是一個有意定義號的信號幅度電平，作為一個檢測用的參考標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)已有信號的部分幅度高于這個電平，就將這一部分假定為可以保留的有效信號；而當(dāng)部分信號的幅度低于這個電平，就會將其定義為無效信號，并進(jìn)行剔除。這一步的理論依據(jù)是噪聲哈旁瓣信號雖然混入了接收的信號中，但它們往往比發(fā)射器發(fā)出的回波信號幅值小很多。這一步是相輔相成的，因為發(fā)射信號脈沖在參數(shù)定義時也會為了便于與無效信號區(qū)分而設(shè)計成幅值較大的信號。另外，需要注意的一點(diǎn)是，這個門限并不是一個一成不變的電平，而是需要隨著時間片數(shù)（即時間的推進(jìn)）而進(jìn)行調(diào)整的。這個門限的確認(rèn)過程需要考慮以下幾個參數(shù)[5][7]:由操作人員手動輸入設(shè)定的門限值；信號接收機(jī)的背景噪聲級；信號接收機(jī)的旁瓣響應(yīng)；潛在的、且會干擾海底回波檢測的噪聲脈沖。在此基礎(chǔ)上，可以對每一個時間片計算出一個門限，得到一組動態(tài)的門限數(shù)據(jù)組。利用好這個隨著時間變化的動態(tài)門限數(shù)據(jù)組，就可以確認(rèn)好各個角度對應(yīng)的幅值的取舍閥值，從而一定程度上地進(jìn)行無效信號的剔除?？紤]到回波信號的幅值遠(yuǎn)比噪聲信號和一些小混響的信號幅值要大，則在同一時刻，對各個波束的信號幅值求得的平均值，得到的結(jié)果將小于前者而大于后者。因此，在本文中根據(jù)圖(1.5)所示的數(shù)據(jù)進(jìn)行每個采樣時刻的動態(tài)門限的計算，公式如下(2-13)其表現(xiàn)于前面示范的圖示如圖(1.12)所見。圖1.12動態(tài)門限幅值與該時間片各波束信號幅值對比1.2高分辨角度估計在一個時間片內(nèi)，回波聲信號到達(dá)水聽器基陣的角度在實(shí)際上并不一定會與控制波束的角度一致，例如圖(1.10)所示的就是在兩個相鄰的控制波束的角度和之間。也就是說，對于某一個方向上的海底反射回來的回波，往往不會只有一個波束輸出，而是會有多個波束的輸出。利用各波束輸出的幅度值進(jìn)行計算，從而確定信號的精確回波到達(dá)角度DOA，這種數(shù)據(jù)處理方式就是高分辨角度估計[6]。高分辨角度估計的第一步就是計算出動態(tài)門限，這點(diǎn)在1.1.1.1已經(jīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的講解，在這里僅對動態(tài)門限處理后的信號圖像做圖示（圖(1.13)）。圖(1.13)所示的是對仿真回波信號進(jìn)行處理時在某時間截取得到的角度-幅度圖。第二步則是基于已知了波束形成器的主波束圖的形狀下進(jìn)行曲線擬合。例如，可以使用曲線擬合的方法，以圖(1.13)為例，在軸（橫軸）上的波束主瓣形狀可以近似為拋物線，于是可以采用對這組保留下來的幅值數(shù)據(jù)采樣最小二乘擬合的方式進(jìn)行處理，可以擬合出這兩組類拋物線的角度-幅度點(diǎn)組成的曲線，擬合曲線的峰值便可以記為是這組高幅度值真正的源角度，也就是1.1中提到的。圖(1.14)上兩條虛線繪制的類拋物線就是這種處理方法的示范展示。圖1.13動態(tài)門限剔除后保留下來的信號與其曲線擬合經(jīng)過了角度DOA的估計后，我們便可以得到一系列的角度-幅度數(shù)據(jù)對，因為這些處理是基于每個時間片采集到的角度-幅度數(shù)據(jù)矩陣得到的，所以可以說這一系列的角度-幅度數(shù)據(jù)對與時間片數(shù)是一一對應(yīng)的。我們把這些由角度、幅度、出現(xiàn)的時間一一組合起來的數(shù)據(jù)對稱為“命中”，每個“命中”包括角度、幅度和出現(xiàn)的時間三類數(shù)據(jù)各一個。1.3運(yùn)動補(bǔ)償高分辨角度估計后得到的一系列“命中”中包含著角度數(shù)據(jù)。然而這些角度數(shù)據(jù)是在水聽器陣的工作基礎(chǔ)下測量的，而水聽器陣安裝在海上的運(yùn)動平臺上。這就意味著，要將海底回波信號轉(zhuǎn)換成海底測量值并進(jìn)行不同時間片的測量數(shù)據(jù)對比，首先需要測量出水聽器陣的運(yùn)動數(shù)據(jù)，將其列入考慮范圍中。這個過程被稱為運(yùn)動補(bǔ)償。接下來以橫搖補(bǔ)償為例，對運(yùn)動補(bǔ)償進(jìn)行講解。假設(shè)水聽器陣的載體只進(jìn)行了圍繞基陣中心的轉(zhuǎn)動，橫搖角是。設(shè)基陣原先是水平的，補(bǔ)償便是在時間片的每個命中上，將橫搖角加到測量值上，即將水聽器的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系中的回波角度。橫搖角、測量值和大地坐標(biāo)系中的回波角度之間的關(guān)系如式(2-14)和圖(1.14)所示。（2-14）圖1.14橫搖角補(bǔ)正1.4起始門與終止門的確定起始門與終止門是決定采集信號開門與關(guān)門的時間點(diǎn)。一般來講，在接收器中需要設(shè)置一個“距離門”，也就是在信號發(fā)射過去一段時間后，開設(shè)一個時間窗，為的是將預(yù)定可能會到達(dá)的回波收入其中。以前常用的能量中心收斂檢測法，其基本思想便是基于這種思路的，假定海底回波信號的能量集中在某一個時間區(qū)間內(nèi)，只要找到了這個區(qū)域，就可以求得波束指向?qū)?yīng)的海底回波的到達(dá)時間[2][20]。在BDI算法處理中，起始門與終止門可以根據(jù)波束控制角和時間計算得到。如圖(1.14)所示，可以按照式(2-15)對其進(jìn)行計算[13][14][27]。式中的是-3dB波束寬度，為掠射角，為發(fā)射脈沖信號寬度。(2-15)圖1.16波束斜入射時海底回波反射情況計算出起始門和終止門后，將其用于“命中”組的處理，便可以剔除起始門和終止門以外的“命中”，僅僅保留門內(nèi)的“命中”。1.5TOA與DOA的估計每一次脈沖的發(fā)射后，保留下來的“命中”組可以構(gòu)成一幅如圖(1.17)左圖所示的“云圖”。圖上的各個圓點(diǎn)每個表示一個首發(fā)周期內(nèi)的“命中”，按照對應(yīng)的角度和時間標(biāo)出。由于波束本身具有一定的寬度，在波束寬度內(nèi)波便會有數(shù)個“命中”。于是，這個“云圖”就可以通過按照波束中心位置和對應(yīng)的波束寬度，劃分出各個區(qū)域。如圖(1.17)中間的圖所示，圖上所保留的“命中”都位于某一個指向角度為的波束寬度內(nèi)，可以將其看作是整個云圖中關(guān)于角度指向為、寬度已知（即波束寬度）的命中“子集”。通過“子集”中的“命中”，就可以計算出信號到達(dá)的時間TOA和信號到達(dá)的角度DOA[2][4][7][26]。這里的處理分為兩步進(jìn)行。第一步，先對波束寬度內(nèi)保留下來的“命中”計算出TOA的均值和標(biāo)準(zhǔn)差?？梢钥醋髟跁r間上存在著一個時間包絡(luò)，它位于以均值為中心、寬度為2的區(qū)間內(nèi)，如圖(1.17)右圖所示。于是，落在這個區(qū)間外部的“命中”在這一步也被剔除。接著，對保留下來的所有“命中”，通過幅度加權(quán)法平均計算出DOA和TOA，計算公式分別如式