基于水声信号概率分布特性的环境自适应检测方法

The change of the probability distribution function or related parameters is one of the basic changes of the statistical natures of the detected sequences when the sonar target signal emerges or disappears，which can be used to detect signals effectively. The Page Test is based on this nature. The performance of the detector decreases while detecting active sonar signals, due to several factors such as the unknown transmission characteristics of underwater channel, the inaccurate estimation of the PDF parameters, and the non-Gaussian and non-white features of the reverberation background and so on. This project proposes the mechanism of information feedback and circumstance self-adaption, combined with the prepositive homogenization technology, to form the active sonar signal processing system which can effectively suppress reverberation and multipath effect with the SNR gain of 2dB compared with the traditional methods.. It is more difficult to detect the passive sonar signals due to the unknown signal length and the unknown PDF model. The project proposes the variable threshold Page Test which is insensitive to the signal length. On the foundation of establishment of typical underwater transient signals, the suboptimum method to evaluate the parameters of the Page Test is also proposed, which makes the detection of underwater transient signals with non-Gaussian PDF possible.. The research achievement is vital to the formation of the sonar signal processing system based on the probability distribution nature, as well as to the improvement of detectivity of the quiet submarine in complicated ocean circumstances.

声纳目标信号出现与消失时概率密度分布（PDF）的变化是被检测序列统计特性的基本变化，该特征可以用来进行有效的信号检测，累积和检验方法正是基于这样的原理。然而该方法在检测主动信号时，由于PDF参数估计不准确及混响背景的非高斯非白特性等问题，检测性能下降。本项目拟建立信息反馈和环境自适应机制，结合前置均匀化处理，构建能有效抗多途、抗混响和噪声干扰的主动声纳信号处理体系，信噪比增益比传统方法提高2dB。. 该方法在检测被动信号时，由于信号长度未知和PDF模型未知，检测难度更大。本项目提出对信号长度不敏感的变门限累积和检测新方法，在对典型水声瞬态信号建立PDF模型的基础上，提出累积和方法参数估计的次最优方法，将被动检测适用范围拓展至典型非高斯水声瞬态信号。. 研究成果对于构建基于水声信号概率特征分布的声纳信号处理体系，提高声纳在复杂海洋环境下对安静型潜艇的检测能力具有重要意义。

在算法理论方面，深入研究改进了了累积和检测门限计算方法、检测和虚警性能分析的FFT方法；研究了利用次最佳方法推导更新量数学表达的过程。在对海试混响数据进行统计特性分析的基础上，设计了基于均匀化的混响背景下的微弱信号检测框架，实现了基于均匀化的副本相关检测器。. 在主动检测方面，研究了参数预报加结果反馈修正的环境自适应机制，利用声纳方程各项引入海洋环境信息，结合匹配滤波器输出端信噪比衰落曲线预设和可疑目标处的信息反馈，自适应地调整检验统计量，增强了累积和后置处理方法对不同声信道的适应能力和稳健性，解决了该方法工程应用的技术瓶颈。多次海试数据的验证结果表明该方法在混响抑制、多途累积、背景干扰抑制等方面作用明显，信噪比增益达到指标要求。. 在被动检测方面，研究了对信号长度不敏感的变门限累积和方法。建立信号长度失配理论模型，改进了性能分析模型，并和长度匹配和失配条件下常规累积和方法的理论和仿真结果进行了比对。该方法解决了累积和检测方法应用于被动声纳检测的关键问题。研究了水声信号非高斯概率分布假设下累积和检测方法。确定利用t分布作为累积和方法中描述瞬态信号的非高斯PDF形式；改进FFT性能分析模型的数值计算方法得到了t分布假设下的检测参数。利用仿真和海试数据比较了在不同信噪比下多种水声瞬态信号在高斯分布和t分布两种假设下的累积和检验效果。t分布假设下累积和方法对短脉冲的检测效果优于高斯分布方差变化假设。该结论进一步拓展了累积和检测方法的适用范围。. 本课题构建的有效抗多途、抗非高斯混响和噪声干扰的主动累积和处理方法体系对于提高在浅海畸变信道中宽带主动声纳的探测能力有着重要的军事效益。检测未知长度和非高斯PDF模型水下瞬态信号的研究成果，对鱼雷瞬态信号、声纳浮标信号以及主动声纳脉冲信号等瞬态信号及早预警具有重要军事意义。