被動聲納目標檢測方法研究畢設答辯

1、 本科生畢業(yè)論文答辯本科生畢業(yè)論文答辯論文題目：被動聲納目標檢測方法研究 專業(yè)：班級：學號：姓名：xxx指導老師：xxx答辯內容答辯內容一、課題簡介一、課題簡介二、被動聲納的理論基礎二、被動聲納的理論基礎三、聲納波束形成三、聲納波束形成四、四、DFT線譜檢測線譜檢測五、寬帶能量檢測五、寬帶能量檢測六、總結與展望六、總結與展望 被動聲納是根據目標航行時發(fā)出的輻射噪聲來檢測目標并判別目標類型的。 本文首先研究了艦船輻射噪聲和海洋環(huán)境噪聲產生的機理，在對艦船輻射噪聲和目標聲信號特性進行分析的基礎上，根據被動聲納接收信號的數學模型，仿真產生艦船輻射噪聲、海洋環(huán)境噪聲以及被動聲納接收信號。接著介紹被動聲

2、納波束形成方法的原理和延遲求和波束形成，并用matlab仿真產生時延濾波器。最后介紹被動聲納檢測常用的兩種方法：能量檢測法和DFT線譜檢測法，分析、比較能量檢測法和DFT線譜檢測法的檢測性能。一、課題簡介一、課題簡介，聲吸收系數且檢測距離二、被動聲納的理論基礎二、被動聲納的理論基礎1、譜級信噪比與檢測距離的關系、譜級信噪比與檢測距離的關系 NLTLSLSNR譜級其中噪聲源輻射噪聲的聲源級：dBSL110譜級信噪比：干擾環(huán)境噪聲級：50NL傳播損失：310log20RRTLmR5000100kmdBf/036. 023頻率：kHzf7 . 0譜級信噪比為：-1420dB2、帶級信噪比與譜級信噪比

3、的轉換關系、帶級信噪比與譜級信噪比的轉換關系譜級信噪比為：nsPPSNRlg10譜級帶級信噪比為：BBSNRBBPPBPBPSNRnsns000lg10lg10lg10lg10譜級帶級其中sP表示信號的功率，nP表示噪聲的功率， 單頻信號帶寬，HzB10噪聲帶寬，2/FsB 所以dBSNRSNR38-帶級譜級距離距離/m/m1001005005001000100020002000300030004000400050005000譜級信譜級信噪比噪比/dB/dB20206 60 0-6-6-9.5-9.5-12-12-14-14帶級信帶級信噪比噪比/dB/dB-18-18-32-32-38-38-

4、44-44-47.5-47.5-50-50-52-52譜級信噪比、帶級信噪比與檢測距離R的關系3、艦船輻射噪聲、艦船輻射噪聲00.10.20.30.40.50.60.70.80.9100.10.20.30.40.50.60.70.80.91歸一化頻率（單位）H(ej) 通常艦船輻射噪聲是由寬帶連續(xù)譜和單頻線譜混合而成，其數學模型可以表示為：)()()(tStStSxkFIR濾波器 首先構造一個線性系統,具有與期望的艦船輻射噪聲頻譜形狀相同的頻率響應,輸入具有恒定功率譜的高斯白噪聲,使之通過該線性系統,即可得到與期望的艦船輻射噪聲功率譜形狀相同的寬帶噪聲。高斯白噪聲波形寬帶噪聲譜00.20.40

5、.60.811.21.41.61.82-4-3-2-101234時間/s幅度-1500-1000-50005001000150000.010.020.030.040.050.060.07頻率/Hz幅度高斯白噪聲經過FIR濾波器得到寬帶噪聲，如下圖所示。單頻線譜艦船輻射噪聲頻譜圖-1500-1000-50005001000150000.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5頻率/Hz幅度-1500-1000-50005001000150000.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5頻率/HZ幅度 單頻線譜加上寬帶噪聲譜就是所要模擬的艦船輻射

6、噪聲譜，如下圖所示。00.20.40.60.811.21.41.61.82-4-3-2-101234時間/s幅度4、海洋環(huán)境噪聲、海洋環(huán)境噪聲 由于海洋環(huán)境噪聲模型比較復雜，通常將海洋環(huán)境噪聲看作是遍歷、平穩(wěn)的高斯白噪聲。海洋環(huán)境噪聲時域波形海洋環(huán)境噪聲頻譜圖-1500-1000-50005001000150000.010.020.030.040.050.060.070.08頻率/Hz幅度-1500-1000-50005001000150000.10.20.30.40.50.60.7頻 率 /Hz幅度5、被動聲納接收信號模型、被動聲納接收信號模型 被動聲納接收信號是由艦船輻射噪聲和海洋環(huán)境噪聲

7、組合而成，其仿真如圖所示。被動聲納接收信號頻譜圖三、聲納波束形成三、聲納波束形成目的：目的：獲得足夠大的信噪比，對目標進行定向。基本思想：基本思想：當信號傳播到各基元時，出于聲程差的緣故，每個基元輸出的信號是有差異的，如果我們能把這種差異進行人為的補償，那么補償后的信號就都一樣了。前置放大延時前置放大延時平方積分iN輸出)(1tx)(txN普通波束形成的方框圖目標xyr均勻圓陣均勻圓陣ciri) 1(cos)(12,.,2,1i 假設圓心處的信號為 ，則第 個基元所接收到的信號為)(0ts)(0iitssi其中-100-80-60-40-20020406080100-25-20-15-10-5

8、0均 勻 圓 陣 的 波 束 圖方 位 /度分貝數/dB-100-80-60-40-20020406080100-25-20-15-10-50均 勻 圓 陣 的 波 束 圖方 位 /度分貝數/dB波束圖波束圖(a) 陣元個數M=12，波束指向00(b) 陣元個數M=12，波束指向045 圖中給出了均勻加權時一個12元均勻圓陣的波束圖，該響應中有多個瓣，其中響應最大的瓣稱作主瓣，該圖中波束分別在 處取極大值。00450 、延時求和波束形成延時求和波束形成時延濾波器時延濾波器 )()(tthxxtcsin)(sin且 tx020406080100120140-0.200.20.40.60.811.

9、2幅度采樣點數/個-100-80-60-40-20020406080100-25-20-15-10-50均勻圓陣的波束圖方位/度分貝數/dB)()()()()()()()()()(0012120120220201101tMstsntststsntststsntsts延時延時延時 每個陣元接收到的信號經過時延濾波器得到信號延遲，由于同相疊加，信號最強，所以)()(121Miiiitsty121)(MiitsMi, 2 , 1NnyPNn12)()(當 時，波束輸出有極大值。060四、四、DFT線譜檢測線譜檢測 被動聲納的線譜檢測就是要將艦船輻射噪聲的線譜分量從寬帶背景噪聲中提取出來,以實現對聲納

10、目標的正確檢測。DFT線譜檢測器：2)()(kXkPX102exp)()(NnNknjnxkX 信號 的DFT寫為： )(nx-15-10-50510152000.10.20.30.40.50.60.70.80.91信噪比/dB檢測概率：Pd pf1=0.005pf2=0.0005pf3=0.00005DFT線譜檢測的理想ROC曲線 由圖可以看出，當虛警概率一定時，檢測概率與輸入信噪比有關；當輸入的信噪比一定時，檢測概率隨虛警概率的變化而變化。 在檢測問題中，當不能通過解析的方法或者閉合形式的數值計算方法來確定隨機變量超過某一給定值的概率時，就必須借助蒙特卡羅計算機模擬給出所需的數值結果。蒙特

11、卡羅性能仿真蒙特卡羅性能仿真PPM221)1 ()2/(1(6221105 . 1005. 001. 0)005. 01 ()025. 0(1(次相對誤差的絕對值：01. 0%95)%1 (100置信水平：概率P為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檢測概率：Pd T=1T=2T=4T=8 由圖可以清楚的看出觀測時間對檢測性能的影響非常大，觀測時間越大，檢測性能越好，在本次畢設技術指標中，要求當檢測距離 ，也就是譜級信噪比 時，檢測概率 。mR5000dBSNR14-譜級%85dPDFT

12、線譜檢測的特性曲線 對于被動聲納接收到的信號，除去有用的信號，剩余的是噪聲，對噪聲做1500000次蒙特卡羅仿真實驗，確定出當虛警概率 時，檢測信號的門限，然后在不同的信噪比下，計算出對應的檢驗統計量，再把檢驗統計量與門限進行比較，做1000次蒙特卡羅仿真實驗，求出檢測到的概率，如下圖所示。%5 . 0fP五、寬帶能量檢測五、寬帶能量檢測 能量檢測是通過時間域的積分處理，使得目標輻射噪聲的能量從背景噪聲中顯現出來，以實現對聲納目標的正確檢測。能量檢測器的檢驗統計量為：NkkxxT12)(1/)/(2/)(22221nsnsfdNPQQP檢測概率與虛警概率的關系：-30-25-20-15-10-

13、5000.10.20.30.40.50.60.70.80.91信噪比/dB檢測概率：Pd pf1=0.05pf2=0.005pf3=0.0005pf4=0.00005能量檢測器的理想ROC曲線 由圖可以看出當信噪比一定時，不同的虛警概率對能量檢測器檢測概率的影響，虛警概率越大，檢測器的檢測性能越好。-28-26-24-22-20-18-16-14-12-10-800.10.20.30.40.50.60.70.80.91信噪比/dB檢測概率：Pd T=1sT=2sT=4sT=8s蒙特卡羅性能仿真蒙特卡羅性能仿真 由圖可以看出，當觀測時間不同時，能量檢測器的檢測性能也不同?；诒緦嶒灥募夹g指標要求

14、，檢測距離 ，也就是譜級信噪比 時，檢測概率 。mR5000dBSNR14-譜級%85dP-28-26-24-22-20-18-16-14-12-10-800.10.20.30.40.50.60.70.80.91觀測時間T=1s信噪比/dB檢測概率：Pd DFT線譜檢測能量檢測-28-26-24-22-20-18-16-14-12-10-800.10.20.30.40.50.60.70.80.91觀測時間T=2s信噪比/dB檢測概率：Pd DFT線譜檢測能量檢測-28-26-24-22-20-18-16-14-12-10-800.10.20.30.40.50.60.70.80.91觀測時間T=8s信噪比/dB檢測概率：Pd DFT線譜檢測能量檢測-28-26-24-22-20-18-16-14-12-10-800.10.20.30.40.50.60.70.80.91觀測時間T=4s信噪比/dB檢測概率：Pd DFT線譜檢測能量檢測DFT線譜檢測器與能量檢測器的性能對比線譜檢測器與能量檢測器的性能對比六、總結與展望六、總結與展望 實驗結果表明，在理想的高斯噪聲背景下，技術指標要求虛警概率 ，檢測距離 ，也就是譜級信噪比 時，檢測概率 。DFT線譜檢測的性能要