[發明專利]基于頻譜認知和分段跳頻調頻的水下物體探測方法及系統

有效

• 申請號: 201210360869.8
• 申請日: 2012-09-22
• 公開（公告）號: CN102879785A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: 韋崗;張琪;楊萃;陳建量;馬麗紅
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G01S15/02
• 分類號: G01S15/02;G01S15/93
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

技術領域

本發明涉及水下探測技術領域，具體涉及基于頻譜認知和分段跳頻調頻的近距離水下物體探測方法及系統。

背景技術

進入21世紀以來，人類無論是在經濟、軍事還是環境保護問題上都越來越重視對海洋的研究與開發，因而水下目標的探測是我們在開發利用海洋的過程中常常遇到的一個問題，它是指通過聲學、光學和電磁學等手段，利用聲吶、水下電視和磁探儀等設備對水下目標進行探測、觀察與識別的過程。

與陸地上的目標探測有所不同的是，水下探測信號傳播的信道要比陸地上的各種有線、無線信道要復雜得多，這主要體現在四個方面：

探測信號在水下傳播時會產生吸收損耗，逐漸轉化為熱能，稱為吸收損失。吸收損失與海水成分、溫度、壓力、信號頻率和傳播方式等因素有關，并非固定值；

水下信道具有強多徑干擾的特點：當探測設備靠近海面或海底時，會使信號發生折射或反射現象；或當海水中存在氣泡或其他雜質時，也會出現反射、散射等現象；

復雜的海洋背景噪聲：在海洋環境中，海面風浪、海洋生物活動、海上航運等自然和人為活動產生的噪聲，在傳播過程中會與海面、海底和水體等發生相互作用而形成一個復雜的背景噪聲場，即海洋環境噪聲。海洋環境噪聲復雜多變，與海域位置、探測設備的位置、近區和遠區的氣象條件及信號頻率等都有關系；

水下信道是一個隨機時變信道：隨機起伏的海面，隨機、非均勻、非靜止的海水介質及其分布的氣泡層、潮汐、風浪、海洋內波等諸多因素使得水下信道是一個復雜的時變信道，在其中，探測信號的傳播速度、衰減等都會時刻變化，且難以獲得其統計特性。

總之，水下信道是一個極其復雜的時間-空間-頻率變參的隨機窄帶信道，具有高衰減、強多徑干擾、多普勒頻偏嚴重、可用頻帶窄等特點。上述原因使得在水下對探測目標的精確探測變得非常困難。由于在水下無線電波的穿透能力非常弱，基本上無法在海水中傳播，因而目前的水下目標探測技術主要往光學探測和聲學探測這兩個方向發展。而實際上，光波在水下的傳播特性也并不盡如人意，其衰減很快，并且散射現象嚴重，因此其探測距離非常有限，探測精度也不高。

聲學探測技術按工作方式來分，可以分為主動探測和被動探測兩種方式。主動探測是指由探測設備主動向探測目標發送一個或多個探測信號（聲波或超聲波），探測信號到達探測目標處后會產生回波信號，那么通過探測設備接收并分析回波信號，即可識別探測目標的位置、形狀、材質等相關信息。而被動探測沒有專門的發射系統，不發送探測信號，它通過接收目標的輻射噪聲來識別和探測目標物體，確定目標的狀態和性質等。

傳統的主動水下探測系統通常采取的方法是：

在發射機上，常采用固定參數的單頻信號或線性調頻信號作為發射信號。盡管使用短脈沖寬度的矩形波能夠獲得較好的距離分辨率，但是單頻信號在傳播中易受多普勒效應影響，多普勒頻移分辨率和距離分辨率兩者無法兼得，并且自相關性較差，不僅不同探測信號之間容易造成互相干擾，還容易將其他雜質體反射回的雜波作為回波信號接收。而采用線性調頻信號雖然能夠較好地抵抗多普勒效應，但考慮到水下環境的強多變性，固定參數（調制中心頻率、脈沖寬度等）的探測信號難以保持良好性能。

傳統水下探測系統，考慮到海水對高頻率的聲波吸收能力更強，為保證系統的穩健性，一般都選取低頻段的發射波。然而低頻段的海洋環境噪聲能量相對高頻段的要大得多，使得發射端不得不大幅度增加發射信號功率來獲得可靠的信噪比，特別是對于自身反射能力較弱的小物體；

在接收機上，通常建立在理想最佳接收機理論基礎上，將環境條件做理想化處理。如在信號處理過程中，將隨機信號作為各態歷經處理，將不均勻背景作為均勻背景處理，而忽略海洋環境中多徑效應、海洋背景噪聲干擾及邊界影響等不確定因素。因而測量結果與實際情況存在較大差距，并且固定參數的接收機參數及信號處理方法，根本無法保證在復雜多變的海洋環境中的最優；

盡管部分探測系統在接收端對回波信號進行了最優化濾波，但考慮到最優化濾波器需要對復雜的海洋水聲信道進行建模，計算量巨大，無法實現實時探測。

為了在水下環境中實現精確、可靠的探測，可以結合認知無線電技術，對水下環境進行實時認知，通過調整發射信號的頻率和功率等參數來獲得可靠的探測結果。具體來說:

可結合認知無線電技術，對水下信道進行主被動相結合的頻譜認知。通過頻譜認知，選擇符合質量要求的信道進行探測。同時，頻譜認知過程伴隨整個探測過程，因此可以很好地解決水下環境復雜和多變的問題；