仿生多谐波宽带抗混响波形设计与低速目标检测方法研究

The potential benefit of bio-inpired harmonic signal and low-speed target detection in reverberation environment are studied. Firstly, based on echolocating animal sounds, including nonlinear FM of bats and clicks of dolphins, the bionic harmonic signals are analyzed. Secondly, the relationship between anti-reverberation advantage and waveform parameters is investigated by analyzing reverberation data under the typical clutter environment. Then, the anti-reverberation waveform design can be done by using the the relationship between anti-reverberation advantage and waveform parameters. Lastly, the low-speed target detection methods will be studied and proved by experimentation.

复杂背景下的低速甚至静止目标探测是当前水下信号处理领域的研究热点，动物声纳在恶劣捕食环境下的卓越性能提供了借鉴之处。本项目以水下智能仿生声纳为背景，开展基于仿生多谐波信号体制下的低速目标检测研究。首先，针对多谐波非线性调频信号（仿蝙蝠）和多谐波非均匀宽带脉冲串（仿海豚）两类强混响环境下回声定位动物所用声信号，从波形参数入手，挖掘多谐波宽带的信号抗混响优势并建模。接下来，针对典型环境，依据抗混响优势模型完成人工声纳波形仿生设计与优化。最后，采用仿生接收体制，寻求混响背景下稳健的目标检测方法，并开展实验验证工作。项目所开展的回声定位动物发射波形抗混响优势挖掘研究，具有重要的基础研究意义，对现有探测系统的波形设计具有重要的理论指导意义，项目所进行的抗混响检测研究具有广阔的工程应用前景。

混响背景环境下低速甚至静止目标的探测是当前水下信号处理的研究难点，而动物声纳在恶劣捕食环境下的卓越性能为我们提供了可能借鉴。本项目以水下仿生声纳为背景，从信号波形的角度挖掘了动物声呐的抗混响机理，设计了仿生波形，并进行了混响背景下的静止和低速目标检测。所完成的研究内容如下：.1）分析了仿蝙蝠和仿海豚信号及其混响。结果表明，仿蝙蝠多谐波非线性调频信号模糊度函数为交叉的刀刃形，具有距离速度联合分辨能力。相对于幅度和时延参数，二次谐波的频带参数对混响及实物回波的匹配滤波输出影响更明显。仿海豚脉冲串信号为梳状谱，具有优良的局域距离-速度分辨能力，其模糊度函数为钉板形，相对于调频结构，包络，脉冲个数，子脉冲长度等信号参数对钉板分布有影响。.2）挖掘了仿生波形的抗混响性能。结果表明，动物的宽波束、宽频带体制(谐波)能利用空间上的低通滤波效应压制侧向的混响。对于主轴方向到达的混响，多谐波非线性调频信号、调频脉冲串所具有的距离-速度联合高分辨率能够有效地抑制混响。基波和二次谐波相对带宽差、脉冲串及其子脉冲持续时间分别为影响两种信号抗混响能力的关键参数。.3）完成了仿生抗混响波形设计。结果表明，对于工程实际中的带宽受限系统，构造基波和二次谐波峰脊斜率差别更大的多谐波是可取的设计方式；对于时宽受限系统，构造子脉冲个数更少的调频脉冲串是可取的设计方式。两种方式可以分别提高带宽、时宽受限条件下的信号分辨能力，进而有利于混响抑制。.4）完成了基于仿生信号的目标检测。结果表明，谱相关和谱变换模型能在混响背景下检测仿蝙蝠多谐波信号的回波，其时延分辨能力超越匹配滤波器，且能对侧向回波产生输出模糊。基于多普勒滤波的脉冲串信号检测算法结合多普勒滤波和副本相关检测，提高了输出信混比，达到了混响背景下检测低速目标的目的。.项目研究揭示了多谐波是大棕蝙蝠实现混响抑制的主要因素，说明有效利用空域低通滤波、时域高分辨是实现宽波束体制下混响背景目标检测的关键，具有重要的基础研究意义，为进一步开展仿生声呐研究打下了基础。项目所阐明的影响仿生信号抗混响能力的波形参数对现有探测系统的波形设计具有重要的理论指导意义。项目所研究的对应于不同波形的信号检测方法对实现混响掩蔽目标探测、精细成像等具有理论和工程应用价值。