目标回波信号检测是主动声呐应用的一个重要方面,尤其对水下运动小平台搭载的目标探测主动声呐而言,其在应用上通常面临一些特殊问题。本文以水下运动小平台搭载的主动声呐为物理基础,对目标回波信号检测技术进行研究。这类平台具有尺度小、机动灵活等优点,但这同时也引发了特有的回波信号检测问题。本文针对平台特点和所面临的问题,重点对声呐波形优化设计技术、复合高斯混响下小样本需求的空时自适应检测、混响干扰下增强目标回波的空时滤波、抑制相关距离旁瓣的失配滤波等关键技术,进行了深入的分析和研究,旨在为水下无人航行器平台的目标主动探测奠定基础。本文主要研究内容和创新点如下:1.对于水下小平台搭载的目标探测主动声呐而言,其平台尺度较小,发射能力有限,因而要求所选用的发射波形应具备足够低的峰均功率比,以利于声呐发射机高效发射来满足探测作用距离需求。对某些特性良好但峰均功率比较高的波形,为了缓解其在小平台主动声呐上应用所面临的困境,需要设计一种能尽量保持波形固有特性,同时获得期望低峰均功率比的波形优化技术。针对该问题,本文提出了一种降低这些波形峰均功率比的优化技术——基于交替投影方法的低峰均功率比波形优化技术,该算法将降低波形峰均功率比问题考虑为频谱成形问题,在交替投影算法基础上通过设计投影约束集合与投影算子实现频谱成形,具有折中控制波形峰均功率比和固有特性的能力,并从理论上分析了方法的收敛性和有效性。受益于交替投影技术,生成的信号具有低幅度谱逼近误差及低带外频谱泄露特性,适于主动声呐的高效发射。仿真实验处理了几何梳状谱信号和伪随机信号的峰均功率比控制,验证了所提方法的有效性。2.运动平台主动声呐的阵列混响具有空时耦合特性,单独从空时域任一维处理都不能最大程度地抑制混响干扰,因而需要借助空时联合处理方法。此外,主动声呐混响通常具有较强的非平稳性,由于海底散射体尺度的不均匀性等囚素,混响也常呈现出非高斯性,因而需要设计能抑制非平稳非高斯混响的空时目标检测方法。针对非平稳非高斯混响背景下运动平台主动声呐的目标回波信号检测问题,本文提出了一种基于STAP的检测方法——复合高斯混响下多通道空时自适应信号检测的一种参量型GLRT方法,其以复合高斯(Compound-Gaussian,CG)模型对非高斯分布进行建模,以多通道自回归参量模型对问题进行降维,具有适应非平稳混响统计特性的小训练样本需求,而后基于GLRT理论构造了多通道参量型检测器CG-PGLRT。在复合高斯或退化的高斯混响背景下,其均表现出一定的适用性。仿真和试验表明所提检测器相比于传统的基于协方差估计的检测器,对训练样本的需求显著下降,并能提供优越的估计和检测性能。3.在主动探测声呐的方位历程图滤波输出中,尽管可能已经考虑了某些混响抑制策略,但在混响影响严重的近距离区域,大量虚假的混响回波亮点会掩蔽真实目标回波的可见性,尤其在浅海环境下,很大程度上会增大后续检测判决的虚警率,因而需要进一步减小混响干扰增强真实目标回波可见性的空时滤波方法。针对在运动平台主动声呐近程目标的方位历程图滤波输出中,残留混响干扰影响真实目标回波后续的检测判决问题,本文提出了几种在混响干扰下增强目标回波的方法——混响干扰下基于低秩稀疏分解增强目标回波的空时滤波,该方法在逐帧的近程目标方位历程图中,假设混响成分是近似低秩的,运动目标回波成分是稀疏的,此外还有残余的噪声成分,从而可以对待分离数据进行低秩稀疏表示。依据数据的组织形式不同,问题可以表示为以矩阵数据为基本输入的离线模型,和以向量数据为基本输入的在线模型。对于离线模型问题,给出了加速近端梯度算法;对在线模型问题,给出了基于不同混响子空间估计方法的低秩稀疏分解算法。仿真和试验将所提分解算法应用到了增强目标回波的空时滤波中,说明了这些方法的有效性。4.在某些噪声为主要干扰的主动声呐场景中,相关处理的距离旁瓣控制是一个非常关键的问题,一方面这关系到非模糊测距问题,另一方面,这涉及到强目标的高距离旁瓣对弱目标主瓣的掩蔽问题,因而需要设计一种低距离旁瓣的滤波方法。针对主动声呐目标回波匹配滤波输出的高距离旁瓣问题,本文提出了一种抑制相关距离旁瓣的方法——最大损失可控的低距离旁瓣失配滤波器设计,该方法能够灵活地控制信噪比最大损失,并且通过加权函数可以有效地控制失配滤波特性,进而实现距离旁瓣抑制的最优化处理。依据干扰背景形式的不同,失配滤波器可被设计成最小化积分旁瓣级或峰值旁瓣级,而后以旁瓣级为优化目标,信噪比损失为约束,构造了二阶锥规划问题并给出了其求解方法。在目标回波信号多普勒已知或未知下,分别给出了一维或二维最优失配滤波器设计。仿真以离散相位编码信号、线性调频信号和伪随机信号为例,分析了相应的失配滤波器的距离旁瓣抑制性能,说明了所提方法对相关距离旁瓣抑制的有效性。