[发明专利]基于空间相似度的水下目标尺度特性提取方法

权利要求书

1.基于空间相似度的水下目标尺度特性提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A，获取目标回波阵列接收数据矩阵x(n)：

x(n)=[x₁(n),x₂(n),…,x_M(n)]

其中，x(n)是大小为N×M的数据矩阵，M表示水听器接收基阵阵元个数，阵元间距为d，每个阵元接收长度为N的实时采集数据或提取N点存储数据x_j(n)，n=1,2,…,N，j=1,2,…,M；

步骤B，计算分布源目标回波信号的自相关矩阵

阵列接收信号的自相关矩阵为：

其中，(.)^H表示共轭转置，r_x为自相关矩阵R_x的组成元素；

构造托普利兹Toeplitz协方差矩阵R_T：

RT=r(1)r*(2)···r*(M)r(2)r(1)···r*(M-1)············r(M)r(M-1)···r(1)]]>

其中，r^*(j)为r(j)的共轭；托普利兹Toeplitz矩阵的元素为：

r(i)=1M-j+1Σm=1Mrx(m,m-j+1)]]>

其中，m=1,2,...M；托普利兹Toeplitz矩阵中的组成元素r(j)是相关矩阵R_x下三角部分各对角线上元素的平均；

步骤C，采用常规波束形成法CBF计算分布源目标回波信号的空间功率谱，单个理想点源目标时，归一化常规波束形成CBF空间功率谱表示为：

其中，表示单个理想点源目标时归一化功率谱，表示基阵的响应矢量，[.]^T表示矩阵转置，(.)^H表示共轭转置，为入射到基阵的信号入射角，λ表示声波的波长；

分布源目标时，其归一化相干分布源的常规波束形成CBF空间功率谱为：

其中，为目标等效亮点的入射角，K为等效亮点数；

步骤D，选择空间度量区间，其过程如下：

步骤D-1，设定归一化常规波束形成CBF空间功率谱阈值P_T；

步骤D-2，由理想点目标空间功率谱的主瓣区间重构一个多维向量X，当P‾s>PT]]>时，X=P‾s;]]>

步骤D-3，由相干分布源的常规波束形成CBF空间功率谱构建另一个多维向量Y，即：Y=P‾m;]]>

步骤E，空间相似度度量

步骤E-1，分别采用欧氏距离法、加权欧氏距离法和向量空间余弦相似度法，比较向量X和向量Y间的差异，设向量x_i为向量X的元素，向量y_i为向量Y的元素，i=1,2,...,p，p为向量X,Y的元素数目；则：

欧氏距离dist(X,Y)为：

dist(X,Y)=Σi=1p(xi-yi)2]]>

加权欧氏距离wdist(X,Y)为：

wdist(X,Y)=Σi=1pai(xi-yi)2]]>

其中，a_i为加权系数，i=1,2,…,p，且

向量空间余弦相似度sim(X,Y)：

sim(X,Y)=cosψ=Σi=1pxiyi[Σi=1pxi2]1/2·[Σi=1pyi2]1/2]]>

其中，ψ表示向量的夹角；

步骤E-2，设定空间相似性度量评价指标

以距离度量的倒数作为空间相似性度量，则空间相似性度量评价指标包括：

SIM1(X,Y)=1dist(X,Y)]]>

SIM2(X,Y)=1wdist(X,Y)]]>

SIM₃(X,Y)=sim(X,Y)

其中，SIM₁(X,Y)代表欧氏距离法的空间相似度度量；SIM₂(X,Y)代表加权欧氏距离法的空间相似度度量；SIM₃(X,Y)代表向量空间余弦相似度方法的空间相似度度量；

步骤E-3，空间相似度计算

由于向量和的空间维数不相等，进行空间相似度计算时，采用滑动窗口方法，假设的维数为L₁，的维数为L₂，其中L₁<L₂：其具体步骤如下：

步骤E-31，设计算迭代次数初始值k=0；

步骤E-32，选择中的L₁个数据，重构向量

步骤E-33，与进行相似性度量运算，得到：

SIM₁(X,Y),SIM₂(X,Y),SIM₃(X,Y)

步骤E-34，迭代次数加1，即k=k+1；

步骤E-35，若k<L₂，返回步骤E-32；否则，结束；

步骤F，确定目标源尺度特性

确定空间相似度度量判决门限SIM_T：

SIM_T=α·R²·cos⁸θ+β·R

其中，R为接收基阵与目标的距离；θ为照射角，α，β为系数；

如果空间相似度度量SIM_q(X,Y)>SIM_T，为点源目标；如果SIM_q(X,Y)<SIM_T，为分布源尺度目标；其中，q=1,2,3。