一种有效抑制虚警干扰的累积和检验算法

    0 引  言

    累积和变化检测(page test)的理论最早在20世纪50年代中期由英国科学家E.S.Page提出,近20年来已广泛应用于信号处理、模式识别、系统监控、质量控制、故障检测等研究领域.2002年Douglas A. Abraham首次将累积和检验算法引入水声信号处理[1].2006年该算法应用到意大利NATO水下研究中心低频主动声呐(low fre-quency active sonar)系统的信号处理链中[2].

    这种后置时间处理根据主动声呐回波中目标出现前后概率密度分布的变化,利用级联在常规匹配滤波器之后的瞬态信号检测算法,对属于同一目标的回波段进行与信噪比相关的能量累加,其检验统计量由归一化匹配滤波器的平方输出决定.该算法可判定信号的前后沿,从而确定非相干累积的有效长度,利用多途能量提高检测效果.但较大的虚警检测结果是该算法在工程应用中遇到的主要问题之一.实际上,除了采用非时变近似求门限的方法导致了虚警概率的增加,以往采用的双门限策略和累积流程也是使得虚警概率增加的原因.

    本文介绍了累积和检验方法门限的计算过程和算法流程,并分析了导致虚警概率增加的原因,在此基础上提出的单门限策略和新的累积流程能有效抑制虚警干扰,利用海试数据验证了新方法的有效性.

    1 累积和检验算法在主动声呐检测中的应用

    该算法等价为一循环往复的序贯检测,门限设为h和0,若检验统计量W小于0,重新设为初始值0;若W超过门限h时,变化发生;若检验统计量处于0和h之间时,转入下一个检测阶段.其检验统计量为

    式中:g(y)为累积和检测器非线性量,要求满足:E[g|H0][0<E[g|H1].主动声呐回波的概率分布具有瞬态变化特点,如式(2),这为累积和检验算法在主动声呐检测中的应用提供了可能.

    式中:ns和ne分别为瞬态变化发生和结束时刻.

    在浅海多途信道中,将搬到基带的回波信号输入匹配滤波器,其平方输出进行归一化处理的结果y(n)满足以下概率分布密度形式

    目标不存在时,y(n)为2个自由度的中心V2分布;当目标信号存在时,y(n)为2个自由度的非中心V2分布,非中心分布参数为D(n)=2.10SNR[n]/10,SNR是匹配滤波器输出端信噪比.根据非线性量的表达和偏差b的选取原则[3],有

    式中:L为V2分布的自由度.非线性量除与变化发生前后概率分布密度的形式有关,还与匹配滤波器输出端信噪比SNR有关,SNR是一个时变序列,可以通过声呐方程来估算.因此由式(1)、式(4)知,非线性量g(z)、检验统计量W也随时间变化,并受到发射信号能量、传播损失、目标强度、混响和噪声背景等因素影响.