声纳目标运动分析的实现方法

目标运动分析是声纳的一个重要问题。为了能够有效地估计目标运动状态,选择适当测度集合是第一步。开发出有力的估计算法是解决目标运动分析的另一个关键步骤。本文简练地回顾了声纳目标运动分析的实现方法。在本文中,目标运动分析被松散地分成两大类。一类是经典的目标跟踪方法的一部分,它把数据融合作为整个估计过程的不可分割的一部分;另一类在估计目标状态时并没有利用数据融合。     

Simulation study of passive target motion analysis

In this paper, the problem of underwater passive target motion analysis (TMA) in three dimensions is discussed using the measurements of passive bearings and elevation and frequency on the condition that acoustic source and observer are in different horizontal planes. Simulation results with both of the PLE (pseudo-linear estimation) and MLE (Maximum likelihood estimation) show that the TMA method is effective in oceanic environment. Its error covariance curves tend to its Cramer-Rao lower bounds.     

一种水下被动目标运动分析与仿真

文章讨论了一种水下运动的目标和观测平台在不同平面的三维情形下,被动目标运动分析与仿真问题,文中从声呐测量的方位角、爷角和频率的数据入手,采用伪线性估计、最大似然估计两种不同的方法,对水下被动TMA问题进行了研究,并分析了两种不同方法的状态参数估计的误差特性。仿真结果表明：由于增加了观测的信息量,上述方法均能得到较好的参数估计结果,且伪线性估计方差向CRLB界接近。上述方法可推广到目标和观测平台处于同一平面的二维情形。     

水下近场目标声探测系统设计研究

为对水下近场目标进行定位和识别,设计了一种小型水下近场目标声探测系统。该系统采用水听器十字阵对目标进行被动方位估计和主动声纳测距相结合的工作方式。为验证声纳探测系统设计的可行性,设计了一个水下目标方位估计的水池实验,该实验系统利用LabVIEW便捷的数据采集和存储功能及MATLAB对算法的强大仿真能力,方便地实现了对水声信号的采集和分析。这种探测系统的设计可为水听器布阵和相关算法的选择提供参考。     

水下小目标合成孔径声呐层析成像技术研究

水下小目标精细成像对于正确识别水下目标具有重要意义。目前,多波束成像声呐和条带合成孔径声呐是获取水下小目标图像的主要手段。水下目标的判别主要利用了目标图像的亮点特征,即使是同一目标从不同方位观测时得到的结果也可能差异较大,这给快速识别确认目标带来了困难。为解决该问题,提出了利用圆周合成孔径声呐对水下小目标进行水声层析成像信号处理方法,提高了声呐的多角度融合观测能力。仿真及试验数据处理结果表明,合成孔径声呐层析成像方法能够获得目标外形轮廓精细特征,有利于水下小目标的正确识别。     

被动声纳目标识别技术的现状与发展

在现代被动声纳系统中，水下目标的自动识别是关键技术之一。文章对被动声纳目标识别的特征提取、特征选择和分类器设计方面进行了回顾。对LOFAR，DEMON和小波变换等特征提取技术进行了讨论，分析了特征优化的重要性和专家系统和神经网络等分类器的优缺点，并简要分析了该领域的过去、现在和未来。     

被动声纳目标识别系统设计研究

目标识别是声纳的主要功能之一,其性能包括识别正确率、泛化能力和识别距离。由于数据样本的保密特性,声纳目标识别系统设计有其自身特色。在设计过程中,应首先降低对数据样本的依赖,把目标辐射噪声的机理分析、组成、运动规律等知识巧妙地运用到系统设计中;其次还应尽可能提高泛化率,以提高声纳目标识别系统对未见过的样本的正确识别能力。讨论了声纳目标识别流程、声纳目标识别系统的设计方法;在声纳目标识别系统的性能评估中,给出了目标识别距离的估算方法。     

方位时延的TMA算法及其可观测性研究

设计了一种新型的水下被动目标运动分析系统,以测得的方位序列和到达不同传感器的时间延迟为基础,建立了状态方程和观测方程。利用非线性系统的可观测性定理分析了该系统,得出了基于方位时延量测水下被动TMA系统的可观测性结论并分析了可观测度。运用扩展卡尔曼滤波算法,对被动定位性能进行了分析。通过计算机仿真实验,验证了得到的可观测性结论。仿真结果同时也表明,该水下被动TMA系统具有收敛速度快、精度高、稳定性好等优点,有着良好的应用前景。     

基于波导不变量的双阵元被动探测方法研究

利用一种水声信道统计不变特征(波导不变量)实现被动探测。采用双阵元,分别对每一个阵元接收的宽带噪声信号进行LOFAR分析,对LOFAR图利用Hough变换等图像处理方法进行参数估计,得到波导不变量和曲线(文中讨论抛物线)参数估计值,进而运用几何关系估计出运动目标的航向角、速度和距离信息。利用Matlab仿真验证了该方法的正确性。     

非线性Kalman滤波器在纯方位被动跟踪中的应用

目标运动分析(简称TMA)是用于估计水下目标时变状态最主要的技术之一。应用了两种非线性滤波器——EKF和UKF来估计单/双基地情况下的目标运动状态,并由蒙特-卡洛仿真给出其跟踪性能。数值结果表明:在大部分情况下,特别是当目标存在机动时,UKF在估计精度和数值稳定性上都要好于EKF,其代价仅是少量地增加了的计算复杂度。     

基于BPSO-KNN算法的被动声呐目标分类识别技术研究

以提取得到的被动声呐目标功率谱特征为基础,采用二进制粒子群(Binary Particle Swarm Optimization, BPSO)优化算法和k最近邻(k-Nearest Neighbor, KNN)分类算法相结合的BPSO-KNN算法进行特征选择和参数优化,分别用KNN分类算法和BPSO-KNN分类算法对实际得到的四类海上被动声呐目标进行分类识别。结果表明,BPSO-KNN算法可对提取的功率谱特征进行特征优化选择,并对KNN分类器进行参数优化,提高了对四类目标的分类精度。该算法在被动声呐目标分类识别方面有参考价值。     

声纳目标运动分析的测度和可观测性

目标运动分析是声纳的一个重要问题,并经过了30多年的认真研究。目标运动分析是建立在从目标信号中提取出的测度的基础上的。不同的测度会引入不同的问题,并有不同的优缺点。因而,目标运动分析可以用从目标信号中提取出的测度来刻画。目标运动分析的特点之一就是在某些态势下目标时不可观测的。为了能够有效地提取出目标参数,选择合适的测度集合和最佳观测者机动至关重要。本文详细讨论了目标运动分析问题的测度、可观测性和最佳观察者机动问题。     

一种基于运动模型的水下目标方位预处理方法

为了改善纯方位目标运动分析方法的性能,提出了一种水下目标方位预处理方法。该方法利用目标运动模型对观测方位序列进行预处理,经仿真验证,与常规的多项式拟合方法相比,能够有效降低水下目标方位观测量的估计误差,提高了目标运动分析的性能,可获得更高的运动参数估计精度。     

三维前视声呐信号处理方法

三维前视声像声呐是安装在小型水下载体上的重要声学探测设备。提出了基于波达方向估计技术的三维前视声呐信号处理方法,接收阵水平方向采用波束形成技术,垂直方向采用波达方向估计技术。在波束内采用分裂孔径相位法提高水平方向分辨率,形成声呐阵前方的三维声像。仿真结果和水池实验结果表明:在接收阵面面积相同的条件下,能够获得优于常规技术的分辨率,可以实现点目标和连续目标的探测,适合于在水下载体上安装使用。     

被动声纳方位估计的宽带盲源分离算法

针对实际被动声纳信号宽带非平稳且统计特性无法预知的特点,由宽带卷积混合模型,建立了融合时间延迟结构与非参数化特性的代价函数,通过核密度技术同时估计目标源的概率密度函数和解混矩阵,并对估计的最优解混矩阵与目标源信号求取每个频点内方位能量谱,最后累加所有子带构成宽带方位能量谱。宽带仿真结果与实际海试表明本文方法在方位分辨率和估计精度方面接近最小方差无失真响应（Minimum variance distortionless response, MVDR）和多重信号分类（Multiple signal classification, MUSIC）算法,在弱目标检测方面具有一定优势。     

极坐标-直角坐标下水下目标跟踪算法及试验研究

在实际水下目标跟踪系统中,由声纳获得的速度量测是一个相对径向速度,并且量测噪声是非白的,为此提出了基于扩展量测和扩展状态的混合坐标系下水下目标跟踪算法。该方法把径向速度量测引入观测模型,提高了目标的状态估计精度和收敛时间;引入了扩充向量,克服了实际水下目标观测噪声非白的影响。提出了水下多目标跟踪水池试验方法。该方法应用静态长线阵和多目标信号源在水池实现了多目标和跟踪体之间的相对运动的模拟。水池试验结果表明所提出的方法性能明显优于基于量测转换跟踪方法(如MC方法),具有重大工程应用价值。     

Estimate-Merge-Technique-based algorithms to track an underwater moving target using towed array bearing-only measurements

Bearing-only passive target tracking is a well-known underwater defence issue dealt in the recent past with the conventional nonlinear estimators like extended Kalman filter (EKF) and unscented Kalman filter (UKF). It is being treated now-a-days with the derivatives of EKF, UKF and a highly sophisticated particle filter (PF). In this paper, two novel methods based on the Estimate Merge Technique are proposed. The Estimate Merge Technique involves a process of getting a final estimate by the fusion of a posteriori estimates given by different nonlinear estimates, which are in turn driven by the towed array bearing-only measurements. The fusion of the estimates is done with the weighted least squares estimator (WLSE). The two novel methods, one named as Pre-Merge UKF and the other Post-Merge UKF, differ in the way the feedback to the individual UKFs is applied. These novel methods have an advantage of less root mean square estimation error in position and velocity compared with the EKF and UKF and at the same time require much lesser number of computations than that of the PF, showing that these filters can serve as an optimal estimator. A testimony of the afore-mentioned advantages of the proposed novel methods is shown by carrying out Monte Carlo simulation in MATLAB R2009a for a typical war time scenario.     

被动定向浮标探潜模型研究

反潜战中,被动定向声呐浮标是一种主要的探潜手段,两枚被动定向浮标同时发现目标即可对其进行定位。研究了初始浮标阵中仅有一枚浮标能够发现目标但不能实现定位的情况下,如何通过补投被动定向浮标对目标进行定位的模型问题。根据水下目标和反潜机的运动特点,将实际中所有可能出现的情况进行了分类讨论,建立了被动定向浮标的补投模型。通过仿真分析了模型的探测效能,验证了模型的正确性和可用性,为被动定向浮标的战术使用提供了一定的理论基础。     

噪声干扰对被动声呐系统的影响及仿真分析

在从信号处理的角度,就干扰信号对被动声呐系统的目标信号检测、目标方位估计、接收系统饱和等方面的典型情况进行了仿真分析,定义了噪声掩盖比、方位偏离度、噪声阻塞级等参数,用以表征干扰信号对被动声呐系统的影响,并给出了典型的仿真结果。     

基于跟踪起始准则的多基地声呐阵位优化算法

针对水下区域监视多基地声呐(如浮标等)发射、接收节点阵位布置问题,提出了一种基于跟踪起始准则的多基地声呐阵位优化算法.该算法首先在分布式和集中式两种多基地融合处理模式下,推导了目标跟踪起始概率计算准则,然后,基于区域目标成功跟踪起始覆盖率,建立了多基地声呐阵位优化数学模型,并采用粒子群算法来优化求解该非凸数学模型,从而...