利用频域β-warping变换的浅海修正纯方位目标运动分析方法

针对纯方位目标运动分析方法收敛时间较长的问题,提出了一种利用频域β-warping变换的浅海修正纯方位目标运动分析方法.该方法利用频域β-warping变换从声强干涉结构中提取与目标距离成线性关系的时延,进而估计距离特征量,并利用距离特征量推导得到的目标状态向量的线性约束修正纯方位扩展卡尔曼滤波算法。数值仿真结果表明,对于浅海匀速直线运动目标,在信噪比不低于8 dB的情况下,与常规纯方位扩展卡尔曼滤波算法相比,改进算法将距离估计的收敛时间由26.5 min缩短至11.5 min.在浅海水平不变波导远场条件下,该方法可以快速稳定地估计距离特征量,并能够对目标进行可靠地跟踪定位。      

利用信号自相关函数warping变换的浅海水下移动观测平台机动优化方法

水下移动观测平台的机动航路对纯方位目标运动分析方法的使用性能具有重要的影响。针对此问题,提出了一种利用信号自相关函数warping变换的浅海水下移动观测平台机动优化方法。该方法利用warping变换从接收信号自相关函数中提取与目标距离相关的简正波相干项的特征频率,进而估计距离特征量,再根据预估的目标初始距离范围估计目标运动态势范围。针对观测平台机动方式为匀速转弯运动的情况,以目标方位变化率为评价指标得到了观测平台在所估计的目标运动态势范围下的最优转弯角速率。在浅海Pekeris波导环境下的数值仿真结果和实验数据处理结果表明:方位变化率与纯方位扩展卡尔曼滤波算法的性能密切相关;利用warping变换可以有效地估计距离特征量;观测平台根据以方位变化率为评价指标得到的最优转弯角速率进行机动可以获得较好的目标跟踪性能,收敛时间较短,目标位置估计误差较小。      

三维信息测量的运动声源无源测距

针对运动声源无源测距问题,给出了目标方位、多普勒频移和距离特征量作为测量信息来估计目标初始距离的方法。通过伪线性化的处理方法,构造了一个异方差的线性模型。在声呐平台直航条件下,证明了非径向运动的声源目标,利用3个目标方位、2个多普勒频移和2个距离特征量的观测信息,可以唯一地确定目标的距离、速度和航向,而仅利用目标方位和距离特征量的观测信息,系统是不可观测的。蒙特卡洛数值模拟表明:对于初始距离5 nm(海里)的情形,三维信息测量方法比参考方法的目标距离的平均收敛时间要少200 s左右,收敛时间标准差要少40 s左右。随着初始距离的增加,两种方法收敛时间差有变大的趋势,这意味着三维信息构造的方法的稳健性优于参考方法。实验数据也进一步验证了在300 s左右,目标距离的估计逐渐趋于收敛。因此,该方法可以在稳定的干涉结构条件下,实现运动声源的无源定位。      

波导不变量误差对频域β-warping变换及浅海被动测距的影响*

频域β-warping变换可将接收信号自相关函数中简正波互相关部分,变为时域上时延随声源距离线性增大的脉冲序列。对信号自相关函数进行β-warping变换需要已知波导不变量值。但是,在实际应用中,很难获得波导不变量的准确值。研究表明,在事先获得粗略的水体声速剖面参数的情况下,如果估计得到的波导不变量为其真实值的q倍,那么频域β-warping变换后得到的脉冲时延也会变为波导不变量取真实值时的q倍。进一步研究表明,在水平不变浅海波导中采用频域β-warping变换进行被动测距时,通过设置一个已知距离的引导声源,那么即使估计得到的波导不变量存在一定误差,实际测距结果仍与真实距离符合得较好。     

基于纯方位的浅海距离特征量解算分析

目标辐射噪声的LOFAR图中的干涉条纹包含了目标的运动参数和环境信息。当LOFAR图中的干涉条纹模糊或缺失时,其中的目标距离信息将无法提取。对于匀速直线运动的声源目标,仅利用方位信息,通过构造距离特征量和目标方位的关系模型,给出了一种浅海估计距离特征量的补充方法。浅海数值仿真和实验验证表明了该方法的可行性和有效性。     

浅海运动目标波束域波导不变量测距方法研究

波导不变量是描述海洋波导环境声信号水平距离与频率干涉结构现象的特征参量。运动目标波导不变量测距方法需要已知目标速度值,运动目标速度一般是未知的。针对这一问题,本文提出了一种利用水平线阵估计目标运动速度的浅海波导不变量测距方法。该方法通过不同时刻波束域声信号互谱分析进行声源速度估计,结合HOUGH变换提取的LOFAR图斜率和波导不变量进行运动目标测距。仿真结果表明,该方法能够有效的进行运动目标的距离估计。利用2013年7月浅海实验数据,该方法估计出了发射船的距离,并与GPS测量的距离进行对比,相对误差小于10%。     

方位和径向速度联合的浅海目标运动分析方法

提出了一种利用目标方位和径向速度联合的浅海目标运动分析方法。该方法克服了传统纯方位目标运动分析方法要求观测站机动的局限性。将浅海传播条件下径向速度的宽带和窄带估计结果与目标方位相结合,利用卡尔曼滤波原理得到了一种目标跟踪定位方法。仿真结果表明,在观测站非机动和低信噪比情况下,该方法利用单个观测站即能够对宽带或窄带的运动目标进行准确地跟踪定位。利用1996年5月的实验数据对算法性能进行了验证,估计结果与真实目标距离符合较好,距离跟踪误差在10%以内。      

浅海运动目标波束域波导不变量测距方法研究

波导不变量是描述海洋波导环境声信号水平距离与频率干涉结构现象的特征参量。运动目标波导不变量测距方法需要已知目标速度值,运动目标速度一般是未知的。针对这一问题,本文提出了一种利用水平线阵估计目标运动速度的浅海波导不变量测距方法。该方法通过不同时刻波束域声信号互谱分析进行声源速度估计,结合HOUGH变换提取的LOFAR图斜率和波导不变量进行运动目标测距。仿真结果表明,该方法能够有效的进行运动目标的距离估计。利用2013年7月浅海实验数据,该方法估计出了发射船的距离,并与GPS测量的距离进行对比,相对误差小于10%。      

浅海负跃层条件下的warping变换宽带无源测距方法

夏季浅海波导中常常存在强烈的负跃层,研究warping变换无源测距在这种水文条件下的使用方法具有重要的应用价值。对于上发上收、上发下收和跃层强度较小时下发下收的情况,海面海底反射类简正波对声场起主要作用,可以对接收信号的自相关函数进行时域warping变换,利用特征频率匹配的方法进行无源测距。而对于跃层强度较大时下发下收的情况,水体折射-海底反射类简正波对声场起主要贡献,可以对接收信号的自相关函数进行频域β-warping变换进行无源测距。并且能在事先获得粗略的水体声速剖面参数的情况下,通过设置一个已知距离的引导声源,那么即使估计得到的波导不变量存在一定误差,实际测距结果也可以与真实距离符合得较好。利用warping变换对一次夏季浅海实验接收到的目标发出的宽带信号进行无源测距,估计距离与真实距离符合较好,相对误差在20%以内。      

利用波导不变量进行运动单线阵的无源测距测速

为克服单线阵难以无源测距、测速的缺点,提出了利用目标辐射低频声场干涉结构和波导不变量的运动单线阵无源测距、测速方法。定义了运动目标的距离距变率比（目标距离与距离变化率的比值）,并利用与目标辐射声场的时间-频率干涉结构和波导不变量相关的变量来表征距离距变率比。根据此定义,通过对目标辐射声场的时间-频率干涉结构图进行Radon变换等处理,实现对距离距变率比的估计。利用所估计的距离距变率比,结合平台速度、目标方位角和目标航向角实现对目标距离和速度的同时估计。仿真实验验证了所提方法在测距、测速时的正确性和有效性。结果表明:所提方法在目标航向角较大时有较高的距离、速度估计精度;同时,目标方位估计误差越小,所提方法的距离、速度估计精度越高。      

基于波导不变量的目标运动参数估计及被动测距

结合波导不变量的概念推导了中近程目标的干涉条纹方程,它表明在浅海声场中此干涉条纹为一族类双曲线.采用Hough变换对LOFAR图和方位-时间历程进行处理,可以估计反映环境信息的波导不变量β、航向角(φ)以及最近通过距离和航速比r0/v.仿真研究和海试数据分析均表明,低频声场确实存在稳定的干涉结构,结合图像处理手段进行参...     

机动目标逆合成孔径激光雷达方位成像快速算法

针对逆合成孔径激光雷达对机动目标成像时存在方位多普勒时变的问题,提出了一种基于方位时频域keystone变换的机动目标逆合成孔径激光雷达方位成像快速算法.利用多分量线性调频子回波信号的调频斜率与起始频率的比值为常量这一特点,在方位时频域采用keystone变换将多分量线性调频信号同时转换为多分量单频信号,利用快速傅里叶变换实现方位聚焦.采用基于分数阶傅里叶变换和最小熵的线性调频参量估计方法,实现了对调频斜率与起始频率比值的精确、快速估计.结果表明,与现有的基于Radon-Wigner变换的距离-瞬时多普勒成像算法相比,所提出的算法成像效率大大提高,且能够保留更多的目标细节信息,适合于逆合成孔径激光雷达的实时成像.     

基于倾斜阵的距离与方位联合估计*

针对阵列倾斜引起的阵不变量方法定位精度下降的问题,该文结合倾斜阵声源定位的三维模型提出一种基于倾斜阵的距离与方位联合估计算法。该算法通过联合自校正方位距离联合估计方法对阵列倾角在声源-接收平面的投影量进行估计和补偿,改善目标距离估计误差的同时,利用匹配出的阵列倾角投影量反向估计目标方位,获得对声源二维位置的估计。通过仿真验证了该算法能够在阵列倾角较小时实现目标方位与距离的联合估计。     

纯方位水下目标运动分析方法研究

本文讨论如何使用目标运动分析方法对水下目标进行纯方位距离估计。纯方位距离估计是目标运动分析领域中难度最大、应用范围最广的一个方面。由于纯方位目标运动分析是一个非线性问题，因此绝大部分基于线性模型的估计方法经多年研究证实很难适用于本问题，特别是在目标方位观测噪声较大的情况下，经典估计方法很难得到无偏的估计结果。本文在使用广义最小二乘法对目标运动要素进行粗略估计的基础上，又使用均匀设计方法对目标运动要素进一步寻优。本文所提供的算法经多次模拟实验验证，在目标方位观测噪声较大的情况下，对远距离目标运动要素的估计仍能做到误差较小且收敛较快。     

一种基于β-warping变换算子的被动声源距离估计方法

基于浅海简正波水平波数差与波导不变量之间的关系, 本文提出了一种适用于水平不变浅海声波导中接收信号自相关函数的频域卷绕变换算子. 该算子可以将接收信号自相关函数中的简正波互相关成分变换为时域上可分离的脉冲序列, 且脉冲序列的相对延迟时间包含声源距离信息. 利用已知距离的引导声源, 由单水听器记录的脉冲信号即可实现被动声源距离估计. 对仿真和实验获得的脉冲信号数据处理结果验证了该变换算子用于被动声源距离估计的有效性.     

浅海中运动声源径向速度与距离的无源估计

针对浅海波导中声源距离的无源估计问题,提出了一种环境参数和声场模型无关的、不依赖于引导声源的运动声源径向速度以及距离估计方法。该方法首先通过双水听器低频声场强度距离波数谱变换(R-K)的相位差获得干涉简正波水平波数,对水平波数轴定标来估计运动声源的径向速度。进一步地,对接收信号自相关函数进行WARPING变换得到运动声源距离的无源估计。对于反射类简正波为主的声场,在某一假定距离下根据某两时刻接收信号WARPING变换后干涉简正波谱峰频率与假定距离的关系估计距离;对于反射类或折射类简正波为主的声场,根据两个时刻接收信号的β-WARPING变换后干涉简正波的脉冲时延估计距离的值。数值仿真分析了等声速、负梯度以及温跃层3种水文环境下的噪声以及环境宽容性,结果表明径向速度与距离的估计不依赖于环境参数。利用2005年北黄海实验数据验证了方法的可行性,径向速度与距离的估计值与实际值符合良好。      

卷积神经网络主动目标方位估计

复杂海洋环境中信道的传输特性、时空变化、频散效应等一定程度上制约了主动声呐目标方位估计的性能。该文引入卷积神经网络(CNN),提出了适用于主动声呐中目标方位的高精度估计方法。仿真声场环境为浅海负梯度,主动发射信号为具有多普勒不变性质的双曲调频信号,水平线列阵作为接收装置,目标按仿真路线运动。该文利用Kraken进行声场数据仿真,并对接收的信号在频域做均匀加权常规波束形成,进而进行卷积神经网络的模型训练和测试。数值仿真研究表明,该文所用方法可以有效估计目标波达方向,对信噪比具有一定的鲁棒性。     

浅海单矢量传感器宽带声源三维定位仿真

针对水平不变的浅海波导中单矢量传感器对低频宽带声源的三维被动定位问题,首先利用平均声强器估计声源方位；其次,通过分离简正模的声压和水平振速分量联合处理获得运动声源相对速度,进一步基于垂直声能流中简正模相干项特征频率不变性以及长时间窗口中多快拍信号的统一处理,建立WARPING变换频谱作为代价函数的搜索处理器,估计该段信号的初始距离,进而获得各时刻声源距离,所提出的方法避免了对拷贝声场和引导声源的依赖；最后,利用多阶简正模相干项与非相干项能量模基处理方法,当声场中存在三阶以上简正模时,可对声源深度进行匹配估计。仿真分析表明,单个矢量传感器能够给出声源的方位、距离及深度估计结果。     

海底反射时延广义Radon变换的无源定位

针对无源声呐目标定位问题,提出了一种基于广义Radon变换的目标参数估计方法。首先,基于深海直达声区推导了直达声与海底第一次反射声的到达时间差与目标运动参数的数学模型;其次,通过求解自相关函数得到目标的多途时延历程(MTDTR);在此基础上引入广义Radon变换的思想,联合两个水听器实现了水面匀速直航目标的航向角、速度、目标相对于水听器的初距和初始方位角估计。利用仿真数据和实验数据验证了该方法具有良好的参数估计性能。三亚东南部海域实验结果表明,通过两个锚系在深海海底附近的声压水听器对水面目标进行定位,可以实现在12.71 km范围内,测距误差小于0.29 km,相对误差小于3%的定位精度。     

线性等式约束下的纯方位目标运动分析

对于匀速直线运动的声源目标,为了缩短解算目标运动要素的时间,提高解算目标运动要素的精度,本文利用距离特征量导出了不同时刻间的目标距离关系,并将该距离关系转化为状态变量的两种线性约束,即硬约束和软约束。结合伪线性法,给出了两种改进的Kalman滤波算法,在理论上证明了硬约束条件下的状态估计优于软约束条件下的状态估计,软约束条件下的状态估计优于无约束条件下的状态估计。数值模拟和实验验证表明了新方法的可行性和有效性,随着目标方位方差变大,新方法的收敛时间和精度越来越优于经典方法。