降低子带峰值能量检测虚警的方法研究

楼万翔 陈伏虎

（第七一五研究所，杭州，310023）

降低子带峰值能量检测虚警的方法研究

楼万翔 陈伏虎

（第七一五研究所，杭州，310023）

子带峰值能量检测算法是一种线性高分辨力宽/窄带检测方法，但该算法存在虚警高等问题。针对这一问题，提出了时间积分、峰值筛选和剔除噪声孤点等方法来降低虚警率。计算机仿真及实验数据处理结果表明，三种方法相结合使用能够有效降低子带峰值能量检测算法的虚警，并提高显示效果。

能量检测；子带峰值；降低虚警

舰艇辐射噪声的功率谱由连续宽带分量和在若干离散频率上的窄带分量构成，对应检测方法分别为宽带检测和窄带检测。这两种方法均基于固定频带，当被检测信号的频带大于或小于处理频带时，都会使检测性能下降。另外，当存在干扰时，由于受波束宽度影响，会无法分辨方位相近的两个目标。Michael Bono等人提出了一种子带峰值能量检测算法[1]（Sub-band Peak Energy Detection，SPED），该算法把接收到的信号分成若干个子带，在每个子带能量检测后进行峰值筛选，最后把每个子带的峰值相加作为检测的输出，以此来提高检测的分辨率，并提高检测性能[2]。

但是子带峰值能量检测算法应用于较低信噪比时，虚警往往非常大。本文提出了三种方法来降低子带峰值能量检测算法的虚警，三种方法结合使用能够有效抑制干扰，降低虚警。

1 子带峰值能量检测

假设声呐的工作频段被分成N个子带，对第i个子带作波束形成，其输出的子带空间谱为Pi(Θ)(Θ=[θ1,θ2,…θk,…θN])，k为波束号。对子带空间谱取其局部峰值，非峰值点归零，形成子带峰值谱，即

并构成子带峰值谱矩阵，

矩阵P(Θ)的列向量表示子带信息，行向量表示方位角信息。然后对相同方位不同子带上的峰值进行累加，得到能量谱，即

从式（1）和式（3）可以看出，如果在某一方位上存在宽带信号，则在该方位上对应的几个子带峰值谱中都会出现局部峰值，累加后信号得到加强。而噪声在各子带内随机出现，累加后其能量被平滑。两个目标只要在方位上和频率上没有完全重合就能分辨出这两个目标。子带峰值能量检测的流程如图1所示。

图1 子带峰值能量检测流程图

虚警是限制子带峰值能量检测性能的问题之一。子带峰值能量检测方法在提取峰值时不仅提取了目标峰值，还提取了噪声峰值，而且在每个子带中目标局部峰值是唯一的，因此噪声峰值的数目远远多于目标峰值，同时随着信噪比下降，子带中虚警的数目和能量也随着增大，子带合成之后虚警成倍增长。频带的增加可以对噪声进行平滑，从而降低虚警。频带减小，噪声平滑效果变差，虚警会增加。子带峰值能量检测方法局部峰值增加，从而增加了虚警，影响检测性能，因此降低虚警很重要[3]。

2 虚警处理

2.1 降虚警处理方法

为了降低子带峰值能量检测的虚警，提出以下三种方法：

（1）时间积分。不同于常规检测的一次积分，在子带检测中采用二次积分的方法。第一次积分在子带处理中，第二次积分在子带合成后，第一次积分时间要短于第二次。

（2）峰值筛选。假设目标频段在第i～j个子带中，那么pi(Θ)～pj(Θ)中既有噪声局部峰值又有目标局部峰值，且目标局部峰值能量通常大于噪声能量，而其他子带所提取全部为噪声局部峰值。假设对每一个子带峰值谱设一能量门限为pΛi，当pi(Θ)＞pΛi时，保留该值，同时去除其他值。pΛi越高，虚警越小，但目标的漏检概率增大。pΛi的取值与子带数目N和信噪比成正比，选取时应根据实际情况。

（3）剔除噪声孤点。矩阵P(Θ)中的非零值包含噪声的局部峰值和目标的局部峰值，如果目标信号已知为一宽带信号，则在矩阵P(Θ)中目标方位角上目标所处频段的子带中存在连续的值，即pn(θk)≠0,(n=i,i+1,…,j)，而随机噪声峰值表现为独立的点，即pn−1(θk)=0，pn+1(θk)=0，pn(θk)≠0，根据该特性可对噪声峰值进行剔除，如图2和图3所示。

图2 子带-方位图整体图

图3 子带-方位局部放大图

但是当子带长度大于目标信号长度或目标信号为窄带时，目标峰值只会出现在某个pi( Θ)中，会被误为噪声峰值而被剔除。信噪比降低时，目标局部峰值提取不连续，从而导致目标信号能量被部分剔除，降低了检测能力。当信噪比降低到无法检测出目标时，宽带信号完全淹没在噪声孤点中。目标信号能量将会被完全剔除。因此，该方法不适用于窄带信号和低信噪比条件。

为了获得更好的降虚警效果，上述三种方法可相结合使用。首先对子带波束形成的空间谱进行一次积分，再对其进行峰值筛选，然后剔除噪声孤点，最后对处理后的数据进行二次积分。三种方法相结合使用后，降低虚警的效果更加明显。

2.2 仿真分析

为了验证处理方法的正确性，对线阵的宽带信号子带峰值能量检测进行了仿真，仿真条件如下：均匀线列阵阵元个数M=32，阵元间距满足半波长空间采样要求，处理频段为2 000～5 000 Hz。单目标信号，信号为带限信号，频率范围为2 900～3 100 Hz，采样点数为2 048点，采样频率为10 000 Hz。信号的入射角度为30°，信噪比为−20 dB，背景噪声为白噪声。综合考虑处理频段和处理速度，选取子带峰值能量检测法中子带带宽为20 Hz，经过降虚警方法处理后的仿真结果如图4、5。

对比仿真图4和图5，当信噪比为−20 dB时，常规波束形成虚警数目较多，达到了18个；使用子带峰值能量检测方法并且进行降虚警处理后，虚警数目显著降低，为5个，虚警率降低了72%。

图4 常规波束形成

图5 降虚警处理后

2.3 实验数据处理

图6～图11为实验数据处理图。试验采用28阵元均匀线列阵，阵元间距为0.24 m。采样频率为15 kHz，工作频段为1 600～3 200 Hz。每个快拍处理数据段长度为2 048个采样点，目标静止，其方位角约在105°，在140°附近存在一个振动干扰，干扰方向不固定。根据工作频段的长度，子带检测把工作频段分成73个子带，子带的带宽为20 Hz。。

图6 CBF常规能量检测波束图

图7 子带峰值能量检测波束图（降虚警前）

图8 子带峰值能量检测波束图（降虚警后）

图9 CBF常规能量检测方位历程图

图10 子带峰值能量检测方位历程图（降虚警前）