被动声纳目标检测方法研究毕设答辩

1、 本科生毕业论文答辩本科生毕业论文答辩论文题目：被动声纳目标检测方法研究 专业：班级：学号：姓名：xxx指导老师：xxx答辩内容答辩内容一、课题简介一、课题简介二、被动声纳的理论基础二、被动声纳的理论基础三、声纳波束形成三、声纳波束形成四、四、DFT线谱检测线谱检测五、宽带能量检测五、宽带能量检测六、总结与展望六、总结与展望 被动声纳是根据目标航行时发出的辐射噪声来检测目标并判别目标类型的。 本文首先研究了舰船辐射噪声和海洋环境噪声产生的机理，在对舰船辐射噪声和目标声信号特性进行分析的基础上，根据被动声纳接收信号的数学模型，仿真产生舰船辐射噪声、海洋环境噪声以及被动声纳接收信号。接着介绍被动声

2、纳波束形成方法的原理和延迟求和波束形成，并用matlab仿真产生时延滤波器。最后介绍被动声纳检测常用的两种方法：能量检测法和DFT线谱检测法，分析、比较能量检测法和DFT线谱检测法的检测性能。一、课题简介一、课题简介，声吸收系数且检测距离二、被动声纳的理论基础二、被动声纳的理论基础1、谱级信噪比与检测距离的关系、谱级信噪比与检测距离的关系 NLTLSLSNR谱级其中噪声源辐射噪声的声源级：dBSL110谱级信噪比：干扰环境噪声级：50NL传播损失：310log20RRTLmR5000100kmdBf/036. 023频率：kHzf7 . 0谱级信噪比为：-1420dB2、带级信噪比与谱级信噪比

3、的转换关系、带级信噪比与谱级信噪比的转换关系谱级信噪比为：nsPPSNRlg10谱级带级信噪比为：BBSNRBBPPBPBPSNRnsns000lg10lg10lg10lg10谱级带级其中sP表示信号的功率，nP表示噪声的功率， 单频信号带宽，HzB10噪声带宽，2/FsB 所以dBSNRSNR38-带级谱级距离距离/m/m1001005005001000100020002000300030004000400050005000谱级信谱级信噪比噪比/dB/dB20206 60 0-6-6-9.5-9.5-12-12-14-14带级信带级信噪比噪比/dB/dB-18-18-32-32-38-38-

4、44-44-47.5-47.5-50-50-52-52谱级信噪比、带级信噪比与检测距离R的关系3、舰船辐射噪声、舰船辐射噪声00.10.20.30.40.50.60.70.80.9100.10.20.30.40.50.60.70.80.91归一化频率（单位）H(ej) 通常舰船辐射噪声是由宽带连续谱和单频线谱混合而成，其数学模型可以表示为：)()()(tStStSxkFIR滤波器 首先构造一个线性系统,具有与期望的舰船辐射噪声频谱形状相同的频率响应,输入具有恒定功率谱的高斯白噪声,使之通过该线性系统,即可得到与期望的舰船辐射噪声功率谱形状相同的宽带噪声。高斯白噪声波形宽带噪声谱00.20.40

5、.60.811.21.41.61.82-4-3-2-101234时间/s幅度-1500-1000-50005001000150000.010.020.030.040.050.060.07频率/Hz幅度高斯白噪声经过FIR滤波器得到宽带噪声，如下图所示。单频线谱舰船辐射噪声频谱图-1500-1000-50005001000150000.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5频率/Hz幅度-1500-1000-50005001000150000.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5频率/HZ幅度 单频线谱加上宽带噪声谱就是所要模拟的舰船辐射

6、噪声谱，如下图所示。00.20.40.60.811.21.41.61.82-4-3-2-101234时间/s幅度4、海洋环境噪声、海洋环境噪声 由于海洋环境噪声模型比较复杂，通常将海洋环境噪声看作是遍历、平稳的高斯白噪声。海洋环境噪声时域波形海洋环境噪声频谱图-1500-1000-50005001000150000.010.020.030.040.050.060.070.08频率/Hz幅度-1500-1000-50005001000150000.10.20.30.40.50.60.7频 率 /Hz幅度5、被动声纳接收信号模型、被动声纳接收信号模型 被动声纳接收信号是由舰船辐射噪声和海洋环境噪声

7、组合而成，其仿真如图所示。被动声纳接收信号频谱图三、声纳波束形成三、声纳波束形成目的：目的：获得足够大的信噪比，对目标进行定向。基本思想：基本思想：当信号传播到各基元时，出于声程差的缘故，每个基元输出的信号是有差异的，如果我们能把这种差异进行人为的补偿，那么补偿后的信号就都一样了。前置放大延时前置放大延时平方积分iN输出)(1tx)(txN普通波束形成的方框图目标xyr均匀圆阵均匀圆阵ciri) 1(cos)(12,.,2,1i 假设圆心处的信号为 ，则第 个基元所接收到的信号为)(0ts)(0iitssi其中-100-80-60-40-20020406080100-25-20-15-10-5

8、0均 匀 圆 阵 的 波 束 图方 位 /度分贝数/dB-100-80-60-40-20020406080100-25-20-15-10-50均 匀 圆 阵 的 波 束 图方 位 /度分贝数/dB波束图波束图(a) 阵元个数M=12，波束指向00(b) 阵元个数M=12，波束指向045 图中给出了均匀加权时一个12元均匀圆阵的波束图，该响应中有多个瓣，其中响应最大的瓣称作主瓣，该图中波束分别在 处取极大值。00450 、延时求和波束形成延时求和波束形成时延滤波器时延滤波器 )()(tthxxtcsin)(sin且 tx020406080100120140-0.200.20.40.60.811.

9、2幅度采样点数/个-100-80-60-40-20020406080100-25-20-15-10-50均匀圆阵的波束图方位/度分贝数/dB)()()()()()()()()()(0012120120220201101tMstsntststsntststsntsts延时延时延时 每个阵元接收到的信号经过时延滤波器得到信号延迟，由于同相叠加，信号最强，所以)()(121Miiiitsty121)(MiitsMi, 2 , 1NnyPNn12)()(当 时，波束输出有极大值。060四、四、DFT线谱检测线谱检测 被动声纳的线谱检测就是要将舰船辐射噪声的线谱分量从宽带背景噪声中提取出来,以实现对声纳

10、目标的正确检测。DFT线谱检测器：2)()(kXkPX102exp)()(NnNknjnxkX 信号 的DFT写为： )(nx-15-10-50510152000.10.20.30.40.50.60.70.80.91信噪比/dB检测概率：Pd pf1=0.005pf2=0.0005pf3=0.00005DFT线谱检测的理想ROC曲线 由图可以看出，当虚警概率一定时，检测概率与输入信噪比有关；当输入的信噪比一定时，检测概率随虚警概率的变化而变化。 在检测问题中，当不能通过解析的方法或者闭合形式的数值计算方法来确定随机变量超过某一给定值的概率时，就必须借助蒙特卡罗计算机模拟给出所需的数值结果。蒙特

11、卡罗性能仿真蒙特卡罗性能仿真PPM221)1 ()2/(1(6221105 . 1005. 001. 0)005. 01 ()025. 0(1(次相对误差的绝对值：01. 0%95)%1 (100置信水平：概率P为0.005-28-26-24-22-20-18-16-14-12-10-800.10.20.30.40.50.60.70.80.91信噪比/dB检测概率：Pd T=1T=2T=4T=8 由图可以清楚的看出观测时间对检测性能的影响非常大，观测时间越大，检测性能越好，在本次毕设技术指标中，要求当检测距离 ，也就是谱级信噪比 时，检测概率 。mR5000dBSNR14-谱级%85dPDFT

12、线谱检测的特性曲线 对于被动声纳接收到的信号，除去有用的信号，剩余的是噪声，对噪声做1500000次蒙特卡罗仿真实验，确定出当虚警概率 时，检测信号的门限，然后在不同的信噪比下，计算出对应的检验统计量，再把检验统计量与门限进行比较，做1000次蒙特卡罗仿真实验，求出检测到的概率，如下图所示。%5 . 0fP五、宽带能量检测五、宽带能量检测 能量检测是通过时间域的积分处理，使得目标辐射噪声的能量从背景噪声中显现出来，以实现对声纳目标的正确检测。能量检测器的检验统计量为：NkkxxT12)(1/)/(2/)(22221nsnsfdNPQQP检测概率与虚警概率的关系：-30-25-20-15-10-

13、5000.10.20.30.40.50.60.70.80.91信噪比/dB检测概率：Pd pf1=0.05pf2=0.005pf3=0.0005pf4=0.00005能量检测器的理想ROC曲线 由图可以看出当信噪比一定时，不同的虚警概率对能量检测器检测概率的影响，虚警概率越大，检测器的检测性能越好。-28-26-24-22-20-18-16-14-12-10-800.10.20.30.40.50.60.70.80.91信噪比/dB检测概率：Pd T=1sT=2sT=4sT=8s蒙特卡罗性能仿真蒙特卡罗性能仿真 由图可以看出，当观测时间不同时，能量检测器的检测性能也不同。基于本实验的技术指标要求

14、，检测距离 ，也就是谱级信噪比 时，检测概率 。mR5000dBSNR14-谱级%85dP-28-26-24-22-20-18-16-14-12-10-800.10.20.30.40.50.60.70.80.91观测时间T=1s信噪比/dB检测概率：Pd DFT线谱检测能量检测-28-26-24-22-20-18-16-14-12-10-800.10.20.30.40.50.60.70.80.91观测时间T=2s信噪比/dB检测概率：Pd DFT线谱检测能量检测-28-26-24-22-20-18-16-14-12-10-800.10.20.30.40.50.60.70.80.91观测时间T=8s信噪比/dB检测概率：Pd DFT线谱检测能量检测-28-26-24-22-20-18-16-14-12-10-800.10.20.30.40.50.60.70.80.91观测时间T=4s信噪比/dB检测概率：Pd DFT线谱检测能量检测DFT线谱检测器与能量检测器的性能对比线谱检测器与能量检测器的性能对比六、总结与展望六、总结与展望 实验结果表明，在理想的高斯噪声背景下，技术指标要求虚警概率 ，检测距离 ，也就是谱级信噪比 时，检测概率 。DFT线谱检测的性能要