基于线性最小二乘估计的双基地声纳定位优化算法

针对双基地声纳系统存在冗余信息的问题,基于线性最小二乘估计理论提出了一种定位优化算法,建立了T/R？R型声纳系统水下定位的数学模型。通过MATLAB软件的仿真分析,给出了影响该算法性能的各个因素,并与传统TOL算法进行了对比。仿真结果表明,采用线性最小二乘估计算法能更好地利用系统测量的冗余信息,显著提高双基地声纳基线区和侧边区的定位精度。该算法具有受基线长度和站址误差影响小等优点,是一种具有工程应用价值的双基地声纳定位算法。本文的研究可为多基地声纳定位优化问题的研究提供理论基础。     

双基地加权最小二乘估计算法定位精度研究

本文通过将双基地声呐中发射和接收站的测量数据进行融合处理,提出了基于加权最小二乘估计(WLS)的双基地声呐定位优化算法,给出了算法的原理和误差分布.通过数值仿真,研究了系统参数对算法定位精度的影响,给出了不同条件下定位误差的几何分布.并将该算法与单纯基于声波到达时间算法的定位性能进行了比较.仿真结果表明,双基地WLS算法充分利用了双基地系统的冗余信息,具有较高的定位精度.该研究为多基地声呐水下目标的探测、定位和跟踪提供了理论依据.     

基于非线性最小二乘的双基地声纳定位优化算法

双基地声纳定位是一种重要的定位方法,采用优化算法来提高定位精度是其重要的研究内容。本文采用了将双基地声纳定位方程转化为非线性最小二乘(NLS)问题的技术方法,并后置最优化方法LMF算法,研究了基于多基地接收源的目标定位性能和定位精度的几何稀释(GDOP),给出了定位误差分布。通过数值仿真,研究了不同基线长度时双基地声纳的定位精度,并将NLS拟和算法的多接收源定位性能与纯时间估计定位性能进行了比较。研究表明,本文的基于多基地接收源的目标定位方法相对于纯时间估计定位方法提高了定位精度,特别是在相对短的基线(7.4 km基线长度)情况下,可提高30%的精度。该研究为最优化方法在水声定位中的应用提供了依据。     

双基地声纳混响建模分析

在浅海环境下,混响是影响双基地声纳系统性能的主要因素,基于双基地声纳的几何特点,对接收端的混响进行了建模,并在接收端具有指向性的条件下,得出了混响面积以及接收端信混比的计算公式,对不同条件下接收端的混响强度以及信混比的变化进行了仿真分析,得到了不同条件下双基地声纳接收混响强度与收发位置、信号脉宽以及接受指向性的关系。     

双基地声纳探测范围分析

双基地声纳在一定程度上综合了单基地主动和被动声纳的优点,具有扩大探测范围的优势,但并不能够在全方位上都获得探测距离优势,在某些方位上甚至不如等效单基地声纳。在双基地声纳系统中,根据能量关系推导出双基地声纳系统最大可探测范围的数学模型,并进一步定量分析了基线长度、等效半径与探测范围和各个方位上的探测距离的关系,提出了优势区域、优势角的概念。在此基础上,给出了不同情况下双基地声纳的几种优化使用配置方案。     

多基地声纳配置策略研究

本文提出了一种基于检测覆盖范围的多基地声纳配置策略。首先，根据声纳的作用距离公式，分析了双基地声纳的检测覆盖范围特性，它为卡西尼卵形线包围的区域；然后，将此特性推广到三基地和多基地声纳，指出多基地声纳的检测覆盖范围主要与发射、接收机的位置有关，且检测覆盖区域主要集中在发射、接收机附近；最后，在对多基地声纳模型进行部分简化的基础上，提出一种用圆来代替检测覆盖区的多基地声纳配置算法。该算法经过仿真验证，表明配置效果较好。     

T2-R型多基地声纳定位精度研究

建立一种T²-R型多基地声纳定位的几何模型,提出利用时间-方位信息进行目标定位（MTBL)算法,并给出算法定位误差的几何分布。通过数值仿真,重点研究了基线长度、声源配置和测量误差对算法定位精度的影响,并对其他影响因素也作了定性分析。仿真分析结果表明：随着基线长度增加,大部分区域定位精度提高;在一定的声源配置方式下,算法精度对时间测量误差比较敏感,而方位测量误差对定位精度影响较小;合理进行声源配置,可以提高探测区域的平均定位精度。该研究为T²-R型多基地声纳的水下定位提供了理论依据。     

基于最佳线性无偏估计的双基地雷达走位方法

利用坐标转换后的伪测量值，根据最佳线性无偏估计原理，提出一种双基地雷达目标的定位方法并给出了算法定位误差的Cramer-Rao理论下限表达式，在不同噪声条件下对算法进行仿真计算，结果表明该方法可以显著提高双基地雷达目标的定位精度，其理论下限和仿真结果都明显优于最小二乘方法。     

声纳低截获技术方法与策略研究

根据声纳低截获因子方程,结合雷达与通信领域低截获经验和声纳自身特点,提出了低截获信号发射和双基地（多基地）两项低截获声纳技术的实现策略。并围绕空、时、频以及能量这4大要素,介绍了低频信号技术、大时间带宽积技术、复合频（码）制技术、随机或非线性体制技术以及时频捷变技术等5项低截获声纳信号设计方法,深入分析了LPI波形的特性,设计出了一些具有良好低截获性能的波形,并以降频梳状信号（几何comb）和非线性调频脉冲串信号（NLFM）为例进行了仿真验证。结果表明,通过这种信号设计方法设计出来的信号具有较强的抗截获性能。     

浅水低频主动声呐数据的探测和跟踪技术

低频主动声呐(LFAS)系统受到浅海海域混响的影响。声音与海底的相互作用引起大量的声呐接触,从而导致高虚警率。提出了一种能够减少由静止物体或噪音引起的声呐接触的分类运算法则,该分类运算法则用于收集海上试验数据。运用接收器工作特性曲线来评价该运算法则的性能。此外,在对数据进行分类计算前后,采用多假设跟踪算法处理。     

基于图像声纳SLAM算法在AUV组合导航中的应用

为了在有限的体积、功耗及成本范围内提高自主水下航行器（AUV）远程、深海导航定位精度,提出了将基于图像声纳的同时定位与地图创建（SLAM）方法应用于AUV水下组合导航系统,利用图像声纳获取AUV与地形特征点之间的距离和3D方位数据,结合捷联惯性导航系统（SINS）得到的导航数据,通过扩展卡尔曼滤波（EFK）方法对载体状态和地图状态进行连续并行估计和量测,将得到的误差估计反馈回SINS进行修正,可抑制其随航行时间和距离增加的姿态、速度和位置误差。此外,在地形特征点向量中加入声学尺寸元素,可提高特征识别的准确性。仿真结果表明,在持续观测到有效的地形特征点条件下,惯导误差得到了较好抑制,特别是在AUV返程或往复巡航过程中,重复观测到同一地标时,可大幅提高水下组合导航的定位精度。     

基于纯方位角测量的水下目标被动跟踪技术

水下目标的被动跟踪技术在军事上具有重要的应用价值,为了解决基于纯方位角测量的水下目标被动跟踪技术在实际应用中的问题,研究了几种适合于单、双观测站的水下目标被动跟踪算法.分别对伪线性估计算法、扩展卡尔曼滤波算法、无迹卡尔曼滤波算法在不同参数情况下的性能进行了详细的仿真与分析.仿真结果表明,静止单观测站虽不能获得目标的完全观测,但是在具有一定先验信息的情况下,伪线性估计算法也可以实现对目标轨迹的估计;双观测站可以获得对目标的完全观测,并且在观测方程严重非线性的情况下,无迹卡尔曼滤波方法的性能要优于扩展卡尔曼滤波方法.仿真结果对工程应用具有重要的参考价值.     

融合多尺度统计信息模糊C均值聚类与Markov随机场的小波域声纳图像分割

声纳图像成像质量差、特征信息弱,目标分割存在一定困难,为此提出一种融合多尺度统计信息的模糊C均值(FCM)聚类与Markov随机场(MRF)的小波域声纳图像分割算法。小波域中低频信息统计特性描述了低频不同区域像素聚类情况,高频信息反映了该方向纹理特征,依据低频子带的统计峰值选取FCM初始聚类中心,应用小波域FCM聚类算法对声纳图像进行预分割,抑制噪声的影响,提高了预分割的准确性;构建初分割后图像的多尺度MRF模型,尺度间节点标记的相关性采用1阶Markov性表征,尺度内构建2阶邻域系统描述系数间的标记联系,标记场采用双点多级逻辑模型建模,同一标记的系数特征场采用高斯模型建模,弥补了MRF算法中层次信息和轮廓信息描述的不足;应用迭代条件模型算法求其最小能量下的标记场,实现声纳图像分割。从视觉主观效果和客观评价指标两方面的实验结果验证表明,该算法分割声纳图像均优于FCM聚类算法和MRF算法,分割的声纳图像边缘与细节的清晰度、精细度均有一定程度改善。     

一种改进的逆合成孔径声纳距离-瞬时多普勒成像方法

介绍了基于时频分析的逆合成孔径声纳距离-多普勒成像的数学模型，并针对传统时频分析方法中交叉项对成像质量的影响，使用了新的时频分析方法，从而较好地抑制了交叉项的干扰。数字仿真结果表明，该改进方法是可行的。     

基于改进的马尔可夫随机场声纳图像分割方法研究

声纳图像与普通的光学图像相比，具有对比度低、成像质量差、受噪声污染严重等特点，传统的图像分割方法难以取得高精度、鲁棒性强的分割结果。提出了一种基于改进的马尔可夫随机场(MRF)声纳图像分割方法。即对于MRF模型参数的建立，提出了新的3类分割空间邻域MRF模型参数；在此基础上把新建立的3类分割空间邻域MRF模型参数和层次间相互作用的模型参数，应用于空间分层MRF 3类分割中，得到最终精确的3类分割结果。通过对人造模拟声纳图像以及真实声纳图像的分割实验，验证了本文提出的分割方法具有较高的分割精度和适应性。该方法考虑了声纳图像中像素间的空间相关性，因而提高了其最终分割性能。     

正态分布转换算法在声纳图像处理中的应用

根据声纳图像匹配处理的实时性需求,研究了正态分布转换算法。该方法基于对图像中目标点的概率分布进行匹配,不需要提取图像的几何特征或灰度特征,可有效缩短匹配时间。通过对均值滤波法、中值滤波法、小波去噪法、形态学平滑法4种图像去噪和迭代阈值法、最大熵法、一维Otsu法和二维Otsu法4种分割算法,进行仿真并对比,选出符合实时性处理的方法,即中值滤波法和一维Otsui法。基于美国德州仪器公司的数字信号处理芯片,将图像去噪、分割和匹配算法在硬件上实现,硬件实现结果和仿真结果一致,实现了声纳图像匹配的实时处理。     

匹配滤波器失配下的双基地多输入多输出雷达多目标角度估计

提出了基于匹配滤波器失配的双基地多输入多输出（MIMO）雷达多目标角度估计算法。建立了存在时延、多普勒频率补偿误差情形下的双基地MIMO雷达模型。采用交替迭代的思想,将发射角、时延补偿误差和多普勒频率补偿误差的参数估计问题转化为一个二次规划问题并求解出发射角。用ESPRIT算法估计目标的接收角,并且实现了收发角度的自动配对。仿真实验证明了ESPRIT算法的有效性。此外在附录中推导了本文信号模型下的克拉美罗界。提出了基于匹配滤波器失配的双基地多输入多输出（MIMO）雷达多目标角度估计算法。建立了存在时延、多普勒频率补偿误差情形下的双基地MIMO雷达模型。采用交替迭代的思想,将发射角、时延补偿误差和多普勒频率补偿误差的参数估计问题转化为一个二次规划问题并求解出发射角。用ESPRIT算法估计目标的接收角,并且实现了收发角度的自动配对。仿真实验证明了ESPRIT算法的有效性。此外在附录中推导了本文信号模型下的克拉美罗界。     

宽带多普勒声纳信号波形设计

宽带多普勒声纳相对窄带多普勒声纳提高了测速精度,并已广泛应用于多种载体的导航。为了研究其提高精度的机理和设计波形,从海底回波特性出发,从频域推导了窄带多普勒声纳的克拉美-罗界;利用重复相位编码信号的等效时域形式推导了宽带多普勒声纳的克拉美-罗界,分析了引起单波束测速误差的因素以及宽带相对窄带提高精度的原因;最后对波形参数与精度的关系进行了分析并给出了波形参数选择方法。数字仿真表明了理论分析结论的正确性。     

混响背景下主动探测声纳性能预报

根据主动声纳方程,进行了混响背景下主动探测声纳的性能预报,讨论了主动探测声纳工作频率对作用距离的影响,比较了不同混响反向散射强度下主动探测声纳作用距离的变化情况。分析结果表明,混响背景下主动探测声纳的作用距离随频率的降低而减小;随着混响反向散射强度的减小,主动声纳性能增强,作用距离增大,这对工程实际中更好地选取主动声纳参数,进而提高主动探测声纳性能具有一定的参考意义。     

声呐数据实时压缩算法性能分析

在反水雷领域,声呐探测技术作为主要的探雷手段,其探测数据显得尤为重要。由于声呐数据量大,并且许多探测数据相当珍贵,因此实时的存储与传输声呐数据成为急待解决的关键问题。对声呐数据的实时压缩就是解决该问题的一种良好技术手段。