利用频域β-warping变换的浅海目标航向估计方法*

对于单一静止的观测平台,针对直航运动的目标,提出了一种利用频域β-warping变换的浅海目标航向估计方法。该方法利用频域β-warping变换从简正波互相关项中提取与目标距离呈线性关系的脉冲时延,进而估计距离特征量,并根据几何关系建立了目标航向、目标方位和距离特征量的数学模型,利用渐近无偏最小二乘方法对目标航向进行估计。数值仿真和实验数据处理结果表明：在浅海水平不变波导远场条件下,该方法可以对直航运动的目标进行可靠地航向估计,航向估计性能与观测时间内的平均方位变化率密切相关。     

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。      

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。     

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。      

机动目标逆合成孔径激光雷达成像算法

针对逆合成孔径激光雷达对机动目标成像时,其回波信号存在距离向色散和方位向多普勒时变的问题,在建立机动目标精确回波信号模型的基础上,提出一种基于积分立方次相位函数-分数阶傅里叶变换的成像算法.在距离压缩时,首先采用积分立方次相位函数快速估计出回波脉冲的调频率,进而在最佳旋转角下采用分数阶傅里叶变换实现距离像压缩,消除距离色散.经过运动补偿后,在方位压缩时结合积分立方次相位函数-分数阶傅里叶变换与Clean技术实现对每一距离单元上强弱散射点的分离成像,解决由于机动运动产生的方位多普勒时变而形成的图像散焦问题.最后,通过散射点模型的仿真实验,验证了所提方法的有效性.     

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。      

单基阵三维纯方位水下信标声学定位方法

针对水下静止信标的纯方位定位问题,提出一种基于单基阵平台纯方位信息的定位方法。通过水下无人运动平台两次量测的空间角度信息建立非线性方程,利用拟牛顿迭代方法实现稳定数值求解。同时,对量测信息进行预处理和定位后置处理,以进一步提高算法的稳定性和精度。利用计算机模拟水下声传播环境进行定位仿真,结果表明,基于常规波束形成的方位估计结果,在方位量测误差标准差为1°时,所提方法的定位结果相对误差可达3.5%以内。同时,研究了不同方位量测误差条件下、不同海深测量误差条件、观测平台和目标不同态势下定位算法的定位性能。结果表明,此方法可用于对水下静止信标的声学定位,且鲁棒性好。      

浅海中利用单水听器的声源被动测距

针对浅海声波导中远距离脉冲声源被动测距问题,提出了一种利用单水听器接收信号自相关函数进行warping变换的声源被动测距方法。理想水下声波导中,接收信号warping变换输出的傅里叶变换频谱中具有不变性频率特征,即与声源距离无关的各简正波截止频率;信号自相关函数中不同简正波相干成分也存在不变性频率特征;推导了未知声源距离时特征频率提取值与不变性频率特征之间的近似关系式。这些规律可推广到实际浅海声波导,并用于声源被动测距。利用声场计算模型来提供具有不变性频率特征的频谱,对2011年12月北黄海海域水声实验中单水听器接收的脉冲声数据进行了处理,验证了方法的有效性,测距结果和实际距离符合良好,平均测距误差在10%以内。      

利用自相关函数warping变换的浅海声源深度判别

针对浅海波导声源深度判别问题,提出了一种利用warping变换提取接收信号简正波相关项的深度判别方法。对接收信号自相关函数做warping变换,分离其简正波相关项,利用能量占主导的简正波相关项特征频率之间的比例关系,确定其号数,从而分辨水面声源和水下声源。公式推导和数值仿真结果说明:不同深度声源激发的能量占主导的简正波相关项特征频率不同,可以用于判别声源深度。海试实验结果证明:在海水声速随深度不变或缓变的水文环境,低频条件下,该方法可以分离简正波相关项并确定其号数,在未知声源距离的情况下有效进行声源深度判别,且无须声源相对接收器运动。      

联合方位-径向速度的粒子滤波目标运动分析

纯方位目标运动分析方法要求观测平台有效机动才能估计目标运动状态,针对这一问题,联合径向速度与方位角作为测量信息对目标进行运动分析,但基于卡尔曼滤波算法进行解算需要已知粗略的目标状态初始值,且收敛时间较长、误差较大,不利于目标实时跟踪.针对以上问题,提出了一种基于粒子滤波的方位径向速度联合目标运动分析方法,建立目标运动状态分析的粒子滤波算法模型,对目标位置和速度等运动要素进行估计.在目标初始状态未知的情况下,一定程度上缩短了收敛时间,减小了估计误差,海试数据处理结果显示:相同条件下,与原有方法相比,本文所提方法收敛时间从35.1 min缩短至30.0 min;跟踪精度从6.1%提高至3.8%,且无需已知目标状态初始值。      

缓动单站纯方位目标运动分析算法

纯方位目标运动分析对于隐蔽状态下的态势评估具有重要意义。针对缓动单站平台对海上目标的探测问题,基于运动目标的方位历程图,提出一种纯方位目标运动分析（TMA）算法。在探测平台准静止、目标运动状态恒定且探测单目标的条件下,该算法可利用构建的运动模型精确拟合出目标的方位历程变化曲线,进而有效解算出目标的速度初距比、航向角、过正横时间及过正横方位角等目标要素。2020年5月在南海某海区利用搭载于3台低速无人航行器上的单矢量水听器进行了探测试验,将收集到的试验数据对算法进行了验证,结果表明,模型解算结果与参考值的速度初距比均方根误差小于1 h-1,目标航向角均方根误差为6.6°,过正横时间均方根误差为77.4 s。试验数据处理结果验证了算法的适用性。      

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。     

圆合成孔径声呐多点定位运动补偿

圆合成孔径声呐(CSAS)的成像性能受平台运动误差影响而下降,利用单侧回波可估计CSAS基阵的斜距误差,但单侧回波在小测绘带时无法估计升沉误差,针对此问题,提出了一种利用单侧回波信号的声呐平台三维运动估计和补偿方法。首先,对CSAS在不同观测角度的目标回波取极大值获得目标回波的到达时间;其次,基于多个点目标的到达时间建立CSAS三维定位模型;然后利用列文伯格-马夸尔特方法对声呐三维坐标进行估计;最后将位置估计结果与时域反投影成像方法结合实现对目标的成像.仿真结果表明:该方法能精确估计声呐平台运动误差,其空间坐标的估计误差小于仿真信号波长的1/8,从而精确补偿了CSAS在不同空间采样点上的阵元回波时间差,显著提高了目标成像质量。湖上试验结果表明,该算法能够实现对CSAS的运动误差补偿。仿真和试验结果均验证了方法的可行性和有效性。      

A passive source ranging method based on the frequency warping transform of the vertical intensity flux in shallow water

The phase of cross-correlation function of two different normal modes contains source range information, which can be extracted by warping transform due to the dispersive characteristics of the shallow water waveguide. The autocorrelation function of the received pressure or particle velocity contains both modal autocorrelation component(MAC) and modal cross-correlation component(MCC), with the former part usually treated as interference for source ranging. Because the real part of the vertical intensity flux(RPVIF) only contains MCC, a passive impulsive source ranging method based on the frequency warping transform of RPVIF with a single vector receiver in shallow water is presented. Using a waveguide-invariant-based frequency warping operator, the cross-correlation components of two different modes in the vertical intensity flux are warped into separable impulsive sequences, the time delays of which are subsequently used for source ranging. The advantages of source ranging based on warping the vertical intensity flux compared with warping the pressure autocorrelation function are pointed out, and the experiment results are also presented.     

Bearings-Only Target Motion Analysis Using a Dual-Waveband Infrared System

Infrared systems are widely used for target detection, designation and tracking. For example, an Infrared Search and Track (IRST) system, as a typical airborne or shipboard detecting device, is widely equipped for the remote target detection and tracking. In recent years, the problem of target motion analysis (TMA) and tracking has been studied increasingly extensively. In an airborne infrared system, the problem becomes more difficult due to absence of range information. In this paper, the infrared model and motion model of typical aerial targets are described. An airborne dual-waveband IRST system, which is quite familiar nowadays, is choosed for implementation of target motion analysis. Based on the above, a novel and more practical algorithm of target tracking via bearings-only measurements is formed and the major parameters are defined according to a typical airborne dual-waveband IRST system. Finally, data simulation is implemented, and the results demonstrate the new algorithm has a better performance than before for bearings-only target tracking.     

利用拖线阵运动特性的阵形估计方法

有效估计阵形是提高机动条件下拖线阵声呐探测性能的关键,流体力学类阵形估计方法稳定性和可靠性欠佳,导致其难以应用于工程实际,该文针对此问题提出一种基于拖线阵运动特性的阵形估计方法。利用稳态振荡响应公式计算拖船回转机动时拖线阵稳态阵形特性,将转向机动过程中阵上各点运动状态划分为若干阶段,进而依据偏微分方程特征线理论计算各阶段的分界时刻,探究阵上相邻两点的沿阵切线方向差变化规律,最后通过计算当前阵上各点的沿阵方向实现阵形估计。计算机仿真和海上实验数据验证表明算法可行且有效,与传统的流体力学类阵形估计方法相比具有更高的稳定性和更好的工程应用前景。