一种辐射噪声线谱检测中的抗干扰方法

1.本发明涉及一种辐射噪声线谱检测中的抗干扰技术，属于水声目标入射噪声信号特征提取与识别技术领域。


背景技术：

2.声呐等水声系统利用水听器阵列接收水中声信号，实现水中目标检测、定位、识别等功能，其中目标识别和定位是尤为重要的环节，关系着指挥人员正确的判断和决策。由于设备本身以及环境中存在很多干扰，因此辐射噪声线谱检测中的抗干扰技术对于区分目标和干扰具有重要的支持作用。
3.水声目标识别主要通过提取目标特征量区分目标类型和种类信息。目标特征信息是目标原始数据中包含或可提取的能精确和简化表明目标状态和身份的信息。水声目标主要包括噪声、运动、尾流和几何结构等特征信息，不同水声目标的特征信息不同。潜艇等水下航行器和水面舰船在航行中不可避免地产生辐射噪声，因此水中目标的辐射噪声是目前被动声呐工作的主要信息源，辐射噪声的特征是被动声呐目标识别的主要依据。
4.但是，由于结构振动、电路噪声等干扰因素，水听器接收信号中可能存在有谐波关系的干扰或持续的固定干扰。针对以上两种干扰，本发明对被动声呐处理输出的线谱信息矩阵进行统计分析，计算该线谱信息矩阵中线谱的干扰置信度和干扰持续的时间，通过判断干扰置信度和干扰持续时间是否大于门限值，来判断线谱是否为干扰导致的线谱。


技术实现要素：

5.技术问题：本发明的目的是针对辐射噪声线谱检测中的抗干扰问题，提供一种辐射噪声线谱检测中的抗干扰方法。该方法先将检测到的所有线谱信息(线谱频率、检测次数、首次出现帧号、末次出现帧号)记录在线谱信息矩阵中，并根据检测次数、检测次数占比和谐波关系设定干扰置信度值。当线谱信息矩阵积累至一定时长后，根据当前线谱的置信度以及持续时间来判断该线谱源是否为干扰信号。在保证线谱检测概率不变的情况下，减小具有谐波关系的干扰和环境中的常量干扰，以达到降低虚警概率，达到抗干扰要求。
6.技术方案：本发明采用的一种辐射噪声线谱检测中的抗干扰方法，包括如下步骤：
7.步骤1，初始化数据处理参数、辐射噪声线谱检测信息矩阵、置信度最大值及判定门限；
8.步骤2，读取一帧辐射噪声线谱检测信息，包括线谱频率、检测次数、首次出现帧号、末次出现帧号，更新至线谱信息矩阵中，并且根据线谱的检测次数及其占比确定各线谱的干扰置信度取值；
9.步骤3，遍历当前帧辐射噪声线谱检测信息中的每一根线谱，若在辐射噪声线谱信息矩阵中与当前帧辐射噪声线谱检测信息中的线谱构成倍频关系的线谱个数超过门限值，则将辐射噪声线谱信息矩阵中对应线谱及其倍频线谱的干扰置信度取值设置为置信度最大值，否则干扰置信度取值保持初值；
10.步骤4，判断处理帧数是否达到处理帧数门限，若达到则进行步骤5，否则进入步骤6；
11.步骤5，遍历当前帧辐射噪声线谱检测信息中的每一根线谱，根据当前帧辐射噪声线谱检测信息中的线谱在辐射噪声线谱信息矩阵中对应的线谱干扰置信度，确定当前帧辐射噪声线谱检测信息中的线谱是否为干扰线谱，若干扰置信度大于置信度门限，且持续时间大于持续时间门限，则判定线谱是干扰，否则判定线谱为疑似目标线谱；
12.步骤6，若选择结束干扰处理，则结束处理，否则判定结束后返回步骤2继续读取下一帧的线谱检测信息。
13.其中，
14.所述步骤1初始化如下参数：
15.步骤1.1，设定采样率fs、频率分辨率δf以及每一帧的检测时长t，辐射噪声线谱检测频率下限f
l
和检测频率上限fh；
16.步骤1.2，设定用于保存辐射噪声线谱信息的矩阵g，g为n行5列的矩阵，其中步骤1.2，设定用于保存辐射噪声线谱信息的矩阵g，g为n行5列的矩阵，其中其中为向上取整的符号；g的第一列为线谱频率fn，第二列为线谱检测次数mn，第三列为线谱首次出现帧号f
fn
，第四列为线谱末次出现帧号l
fn
，第五列为线谱干扰置信度bn；线谱信息矩阵第一列各元素的初始值为f
l
+(n-1)
×
δf，n＝1,2,3,
…
,n，其余四列初始值均赋为0；
17.步骤1.3，设定每帧检测出的线谱数最大值km，处理帧数门限m
λ
，当前帧号为r，并令r＝1；
18.步骤1.4，设定辐射噪声线谱初始化置信度的检测次数门限γ，检测次数占比门限αi，βi,i＝1,2,3,4,5；
19.步骤1.5，设定辐射噪声线谱的置信度门限b
λ
，置信度最大值b
max
，倍频关系个数门限n
λ
，倍频个数上限值q；
20.步骤1.6，设定辐射噪声线谱持续时间门限t1和持续时间门限t2；
21.步骤1.7，设定判断辐射噪声线谱相等或谐波关系时的允许误差f
ε
。
22.所述步骤2具体包括如下步骤：
23.步骤3.1，读取第r帧辐射噪声线谱检测信息，即线谱频率fk，k＝1,2,3,
…
,k，k表示当前帧检测出的线谱总数，且k≤km；
24.步骤3.2，对第r帧检测到的k根线谱，若存在正整数p，且1≤p≤n，使得矩阵g第p行的元素满足|f
k-f
p
|《f
ε
，则令m
p
＝m
p
+1，l
fp
＝r；此时，若f
fp
＝0，则令f
fp
＝r，否则f
fp
保持不变；若αi《m
p
/l
fp
《βi，且m
p
》γ,i＝1,2,3,4,5，则令b
p
＝i。
25.所述步骤3具体包括如下步骤：
26.步骤4.1，对矩阵g中的每根线谱fn，用nn表示矩阵g中与fn构成倍频关系的线谱数；若l
fn
》0，令nn＝0，变量j＝1，数组h的q个元素初始化为0；
27.步骤4.2，若存在正整数q，2≤q≤q+1，使得矩阵g中第j行的元素满足|q
×fn-fj|《f
ε
且mj＞0,则令nn＝nn+1，并令h的第q个元素h(q)＝j；
28.步骤4.3，若j《n，则令j＝j+1，并返回步骤4.2；
29.步骤4.4，若nn≥n
λ
，则令bn＝b
max
，并且令所有h(q)≠0对应的b
h(q)
＝b
max
。
30.所述步骤4具体包括如下步骤：判断检测帧数是否达到门限m
λ
，即若r≥m
λ
则进行步
骤5，否则进入步骤6。
31.所述步骤5具体包括如下步骤：对第r帧检测到的k根线谱，在辐射噪声线谱信息的矩阵g对应的线谱频率为f
p
，p为该线谱在矩阵g中对应的行号：
32.步骤6.1，对第r帧检测到的k根线谱fk，k＝1,2,3,
…
,k，若存在正整数l，且1≤l≤n，使得矩阵g第l行的元素满足|f
k-f
l
|《f
ε
，则进行步骤6.2；
33.步骤6.2，若b
l
＝b
max
且(l
fl-f
fl
)
×
t》t1，则判断线谱频率为fk的辐射噪声线谱为干扰线谱，否则进行下一步判断；
34.步骤6.3，若b
l
》b
λ
且(l
fl-f
fl
)
×
t》t2则判断线谱频率为fk的辐射噪声线谱为干扰线谱，否则判断该辐射噪声线谱为疑似目标线谱。
35.所述步骤6具体包括如下步骤：若选择结束干扰处理，则终止抗干扰处理，且辐射噪声线谱信息矩阵不再变化；否则令r＝r+1，返回步骤2，继续更新辐射噪声线谱信息矩阵并进行抗干扰处理。
36.有益效果：与现有技术相比，本发明公开的方法具有以下优点：1.在保证线谱检测概率不变的情况下，减小具有谐波关系的干扰和环境中的常量干扰，以达到降低虚警概率，达到抗干扰要求；2.线谱信息矩阵的设置不仅可以记录一段时间辐射噪声线谱情况，也可以方便在一些环境下对特定频率的线谱进行抑制。
附图说明
37.图1为本发明方法的实施流程图。
38.图2为实施例中辐射噪声线谱干扰置信度。
39.图3为实施例中辐射噪声线谱单帧检测结果。
40.图4为实施例中经过抗干扰处理的辐射噪声线谱检测多帧检测结果。
41.图5为实施例中经过抗干扰处理的辐射噪声线谱检测准确率和虚警率。
42.图6为未进行抗干扰处理时的辐射噪声线谱检测多帧检测结果。
43.图7为未进行抗干扰处理时的辐射噪声线谱检测准确率和虚警率。
具体实施方式
44.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
45.本发明对被动声呐处理输出的长序列线谱信息进行分析，统计该序列中线谱信息以得到了线谱信息矩阵，最后结合线谱信息矩阵中置信度、检测此时占比以及持续时长是否达到设定的门限规则，从而判断线谱是干扰或目标。
46.实施例1：
47.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。
48.如图1所示，本发明的辐射噪声线谱检测中的抗干扰方法，包括如下步骤：
49.步骤1，初始化数据处理参数、辐射噪声线谱信息矩阵及判定门限，具体为：
50.(1)设定采样率fs＝2khz、频率分辨率δf＝0.06hz以及每一帧的检测时长t＝32s，辐射噪声线谱检测频率下限f
l
＝50hz，检测频率上限fh＝500hz。湖上实验时，目标频率值为81hz、165hz、204hz、311hz、500hz。
51.(2)设定用于保存辐射噪声线谱信息矩阵为825
×
5矩阵g。其中
表示线谱总容量。线谱信息矩阵共5列，g的第一列为线谱频率fn，第二列为线谱检测次数mn，第三列为线谱首次出现帧号f
fn
，第四列为线谱末次出现帧号l
fn
，第五列为线谱干扰置信度bn。线谱信息矩阵第一列表示检测频率范围内的所有线谱频率，因此该列的初始值为50hz至500hz、间隔为0.03hz的数组，其余四列为实时更新量，因此初始值赋值为0；
52.(3)设定每帧检测出的线谱数最大值km＝100，初始积累帧数门限m
λ
＝20帧，即640s，当前帧号为r，并令r＝1；
53.(4)设定辐射噪声线谱初始化置信度的检测次数门限γ＝20次，检测次数占比门限αi,βi,i＝1,2,3,4,5，其值如下表1所示；
54.表1检测次数占比在不同门限下的置信度值
[0055][0056]
(5)设定辐射噪声线谱的置信度门限b
λ
＝3，置信度最大值b
max
＝6，倍频关系个数门限n
λ
＝6，倍频个数上限值q＝8；
[0057]
(6)设定辐射噪声线谱持续时间门限t1＝320s和持续时间门限t2＝1000s；
[0058]
(7)设定判断辐射噪声线谱相等或谐波关系时的允许误差f
ε
＝0.01hz；
[0059]
步骤2具体为：
[0060]
(1)读取第r帧辐射噪声线谱检测信息，即线谱频率fk，k＝1,2,3,
…
,k，k表示当前帧检测出的线谱总数，且k≤100；
[0061]
(2)对第r帧检测到的k根线谱，若存在正整数p，且1≤p≤825，使得矩阵g第p行的元素满足|f
k-f
p
|《0.01hz，则令m
p
＝m
p
+1，l
fp
＝r；此时，若f
fp
＝0，则令f
fp
＝r，否则f
fp
保持不变；若αi《m
p
/l
fp
《βi，且m
p
》20,i＝1,2,3,4,5，则令b
p
＝i；
[0062]
步骤3具体为：
[0063]
(1)对矩阵g中的每根线谱fn，用nn表示矩阵g中与fn构成倍频关系的线谱数；若l
fn
》0，令nn＝0，变量j＝1，数组h的9个元素初始化为0；
[0064]
(2)若存在正整数q，2≤q≤9，使得矩阵g中第j行的元素满足|q
×fn-fj|《0.01hz且mj＞0,则令nn＝nn+1，并令h的第q个元素h(q)＝j；
[0065]
(3)若j《825，则令j＝j+1，并返回上一步骤；
[0066]
(4)若nn≥n
λ
，则令bn＝b
max
，并且令所有h(q)≠0对应的b
h(q)
＝b
max
。
[0067]
步骤4具体为：
[0068]
判断检测帧数是否达到门限20帧，即若r≥20则进行步骤5，否则进入步骤6；至此，该方法完成对线谱信息矩阵中线谱干扰置信度的更新，如图2和图3所示，可以看出具有谐
波关系的频率(62.5hz倍频线谱)和常量干扰频率(例如30hz左右)得到了有效屏蔽。
[0069]
步骤5具体为：
[0070]
对第r帧检测到的k根线谱，在辐射噪声线谱信息的矩阵g对应的线谱频率为f
p
，p为该线谱在矩阵g中对应的行坐标：
[0071]
(1)对第r帧检测到的k根线谱fk，k＝1,2,3,
…
,k，若存在正整数l，且1≤l≤n，使得矩阵g第l行的元素满足|f
k-f
l
|《0.01hz，则进行下一步判断；
[0072]
(2)若b
l
＝b
max
且(l
fl-f
fl
)
×
32s》320s，则判断线谱频率为fk的辐射噪声线谱为干扰线谱，否则进行下一步判断；
[0073]
(3)若b
l
》3且(l
fl-f
fl
)
×
32s》1000s则判断线谱频率为fk的辐射噪声线谱为干扰线谱，否则判断该辐射噪声线谱为疑似目标线谱。
[0074]
步骤6具体为：
[0075]
若选择结束干扰处理，则结束处理；否则令r＝r+1，返回步骤2。
[0076]
首先根据图2所示，当遇到置信度为b
max
的具有谐波关系的干扰频率，以及置信度大于3的常量干扰频率，检测之后会屏蔽这些干扰频率，达到很好的抗干扰效果。并且抗干扰效果会随着时间的推移逐渐趋于稳定，本例只选取了抗干扰处理1000s(第32帧)后的一段时间区间作为实例。
[0077]
通过图4为经过抗干扰处理后的线谱检测结果，图6为未进行抗干扰处理时的线谱检测结果，实线条表示湖上实验时发射的辐射噪声线谱，空心原点表示检测到的线谱频率点。可以看出，未进行抗干扰处理时(图6)，时频图上有众多谐波干扰和常量干扰，在使用了本发明的抗干扰方法后(图4)，具有谐波关系的干扰频率和常量干扰频率得到了屏蔽。经过抗干扰处理的辐射噪声线谱检测准确率和虚警率如图5所示，未进行抗干扰处理时的辐射噪声线谱检测准确率和虚警率如图7所示，在线谱检测准确率不变的前提下，虚警概率大幅度下降。通过计算，在出现目标的时间区域，每帧的平均虚警概率从原来的82.33％降低到58.15％，每帧的平均虚警个数从原来的25.92降到7.27。
[0078]
上述实施例表明，采用本发明的抗干扰方法计算并筛选得到的检测点很好地去除了具有谐波关系的干扰和环境中的持续干扰，大大降低了虚警概率，达到很好的抗干扰效果。
[0079]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其它形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

技术特征：
1.一种辐射噪声线谱检测中的抗干扰方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1，初始化数据处理参数、辐射噪声线谱检测信息矩阵、置信度最大值及判定门限；步骤2，读取一帧辐射噪声线谱检测信息，包括线谱频率、检测次数、首次出现帧号、末次出现帧号，更新至线谱信息矩阵中，并且根据线谱的检测次数及其占比确定各线谱的干扰置信度取值；步骤3，遍历当前帧辐射噪声线谱检测信息中的每一根线谱，若在辐射噪声线谱信息矩阵中与当前帧辐射噪声线谱检测信息中的线谱构成倍频关系的线谱个数超过门限值，则将辐射噪声线谱信息矩阵中对应线谱及其倍频线谱的干扰置信度取值设置为置信度最大值，否则干扰置信度取值保持初值；步骤4，判断处理帧数是否达到处理帧数门限，若达到则进行步骤5，否则进入步骤6；步骤5，遍历当前帧辐射噪声线谱检测信息中的每一根线谱，根据当前帧辐射噪声线谱检测信息中的线谱在辐射噪声线谱信息矩阵中对应的线谱干扰置信度，确定当前帧辐射噪声线谱检测信息中的线谱是否为干扰线谱，若干扰置信度大于置信度门限，且持续时间大于持续时间门限，则判定线谱是干扰，否则判定线谱为疑似目标线谱；步骤6，若选择结束干扰处理，则结束处理，否则判定结束后返回步骤2继续读取下一帧的线谱检测信息。2.根据权利要求1所述的一种辐射噪声线谱检测中的抗干扰方法，其特征在于，所述步骤1初始化如下参数：步骤1.1，设定采样率f
s
、频率分辨率δf以及每一帧的检测时长t，辐射噪声线谱检测频率下限f
l
和检测频率上限f
h
；步骤1.2，设定用于保存辐射噪声线谱信息的矩阵g，g为n行5列的矩阵，其中步骤1.2，设定用于保存辐射噪声线谱信息的矩阵g，g为n行5列的矩阵，其中其中为向上取整的符号；g的第一列为线谱频率f
n
，第二列为线谱检测次数m
n
，第三列为线谱首次出现帧号f
fn
，第四列为线谱末次出现帧号l
fn
，第五列为线谱干扰置信度b
n
；线谱信息矩阵第一列各元素的初始值为f
l
+(n-1)
×
δf，n＝1,2,3,
…
,n，其余四列初始值均赋为0；步骤1.3，设定每帧检测出的线谱数最大值k
m
，处理帧数门限m
λ
，当前帧号为r，并令r＝1；步骤1.4，设定辐射噪声线谱初始化置信度的检测次数门限γ，检测次数占比门限α
i
，β
i
,i＝1,2,3,4,5；步骤1.5，设定辐射噪声线谱的置信度门限b
λ
，置信度最大值b
max
，倍频关系个数门限n
λ
，倍频个数上限值q；步骤1.6，设定辐射噪声线谱持续时间门限t1和持续时间门限t2；步骤1.7，设定判断辐射噪声线谱相等或谐波关系时的允许误差f
ε
。3.根据权利要求1所述的一种辐射噪声线谱检测中的抗干扰方法，其特征在于，所述步骤2具体包括如下步骤：步骤3.1，读取第r帧辐射噪声线谱检测信息，即线谱频率f
k
，k＝1,2,3,
…
,k，k表示当前帧检测出的线谱总数，且k≤k
m
；步骤3.2，对第r帧检测到的k根线谱，若存在正整数p，且1≤p≤n，使得矩阵g第p行的元
素满足|f
k-f
p
|<f
ε
，则令m
p
＝m
p
+1，l
fp
＝r；此时，若f
fp
＝0，则令f
fp
＝r，否则f
fp
保持不变；若α
i
<m
p
/l
fp
<β
i
，且m
p
>γ,i＝1,2,3,4,5，则令b
p
＝i。4.根据权利要求1所述的一种辐射噪声线谱检测中的抗干扰方法，其特征在于，所述步骤3具体包括如下步骤：步骤4.1，对矩阵g中的每根线谱f
n
，用n
n
表示矩阵g中与f
n
构成倍频关系的线谱数；若l
fn
>0，令n
n
＝0，变量j＝1，数组h的q个元素初始化为0；步骤4.2，若存在正整数q，2≤q≤q+1，使得矩阵g中第j行的元素满足|q
×
f
n-f
j
|<f
ε
且m
j
＞0,则令n
n
＝n
n
+1，并令h的第q个元素h(q)＝j；步骤4.3，若j<n，则令j＝j+1，并返回步骤4.2；步骤4.4，若n
n
≥n
λ
，则令b
n
＝b
max
，并且令所有h(q)≠0对应的b
h(q)
＝b
max
。5.根据权利要求1所述的一种辐射噪声线谱检测中的抗干扰方法，其特征在于，所述步骤4具体包括如下步骤：判断检测帧数是否达到门限m
λ
，即若r≥m
λ
则进行步骤5，否则进入步骤6。6.根据权利要求1所述的一种辐射噪声线谱检测中的抗干扰方法，其特征在于，所述步骤5具体包括如下步骤：对第r帧检测到的k根线谱，在辐射噪声线谱信息的矩阵g对应的线谱频率为f
p
，p为该线谱在矩阵g中对应的行号：步骤6.1，对第r帧检测到的k根线谱f
k
，k＝1,2,3,
…
,k，若存在正整数l，且1≤l≤n，使得矩阵g第l行的元素满足|f
k-f
l
|<f
ε
，则进行步骤6.2；步骤6.2，若b
l
＝b
max
且(l
fl-f
fl
)
×
t>t1，则判断线谱频率为f
k
的辐射噪声线谱为干扰线谱，否则进行下一步判断；步骤6.3，若b
l
>b
λ
且(l
fl-f
fl
)
×
t>t2则判断线谱频率为f
k
的辐射噪声线谱为干扰线谱，否则判断该辐射噪声线谱为疑似目标线谱。7.根据权利要求1所述的一种辐射噪声线谱检测中的抗干扰方法，其特征在于，所述步骤6具体包括如下步骤：若选择结束干扰处理，则终止抗干扰处理，且辐射噪声线谱信息矩阵不再变化；否则令r＝r+1，返回步骤2，继续更新辐射噪声线谱信息矩阵并进行抗干扰处理。

技术总结
本发明公开了一种辐射噪声线谱检测中的抗干扰方法，包括以下步骤：(1)初始化数据处理参数、辐射噪声线谱信息矩阵及判定门限；(2)读取一帧线谱检测得到的线谱信息，更新辐射噪声线谱信息矩阵，辐射噪声线谱信息矩阵中的线谱信息包括线谱频率、检测次数、首次出现帧号、末次出现帧号以及干扰置信度；(3)根据当前线谱的检测次数及其占比，确定当前线谱的干扰置信度取值；(4)通过判断辐射噪声线谱信息矩阵中的线谱与当前线谱是否构成倍频关系，并更新辐射噪声线谱信息矩阵中的线谱干扰置信度；(5)当处理帧数达到一定数量时，根据辐射噪声线谱信息矩阵中的干扰置信度，判断当前线谱是否为干扰线谱。干扰线谱。干扰线谱。


技术研发人员：安良 崔扬 方世良 朱传奇 王晓燕 曹红丽
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/21