多基阵联合的无源纯方位目标运动分析研究

研究基于两声呐基阵的方位数据融合的目标运动分析方法,给出了伪线性处理、扩展卡尔曼滤波、最大似然估计等算法的模型,进行了仿真实验,比较和分析了仿真结果。计算结果表明,所给出的多基阵联合的无源纯方位目标运动分析方法,不仅克服了单基阵纯方位目标运动分析需要本舰机动的限制,而且提高了参数估计算法的稳定性和全局性。     

纯方位目标跟踪的ST-MEF-PDAF方法研究

传统的最大熵模糊概率数据关联滤波器(MEF-PDAF)算法用于水下杂波环境下单站纯方位目标跟踪存在对系统模型变化鲁棒性差、跟踪机动目标能力低的问题;为了解决这些问题,对MEF-PDAF算法进行了改进,提出了强跟踪MEF-PDAF(ST-MEF-PDAF)算法;与强跟踪滤波器(STF)算法类似,ST-MEF-PDAF算法通过引入渐消因子来实时调节增益矩阵,提高了算法的鲁棒性;进行了水下杂波环境下单观测站纯方位目标跟踪的仿真实验,ST-MEF-PDAF能够在500秒以内跟踪机动目标,而传统的MEF-PDAF算法不能,即ST-MEF-PDAF算法跟踪机动目标的能力高于传统的MEF-PDAF算法。     

量测噪声不确定情况下的水下多目标稳健方位跟踪

提出了使用Sage-Husa算法估计量测噪声的集势化概率假设密度(CPHD)滤波方位跟踪方法,实现了量测噪声不确定情况下多水下声学目标的稳健方位跟踪。首先,将水下目标方位的变化建模为Singer模型,利用传统目标方位估计方法的结果作为量测值,将方位估计误差看作量测噪声,建立了方位量测模型。然后,给出了CPHD滤波水下多目标方位跟踪算法,该算法利用上一时刻的方位跟踪结果和目标方位变化模型预测目标方位,并利用量测值和量测模型对预测值进行更新得到方位跟踪结果。最后,考虑到量测噪声方差为决定跟踪性能的重要参数,利用改进的Sage-Husa算法在跟踪过程中实时自适应地估计不确定量测噪声的方差,从而实现了多目标的稳健方位跟踪。经海试数据验证,所提出算法将目标方位测量的平均最优子模式分配(OSPA)误差从10°以上降低至2°,显著提高了方位测量精度。所提水下多目标稳健方位跟踪方法能够有效提高量测噪声不确定情况下的方位跟踪性能。     

机动目标跟踪的自适应相互作用多模型算法

 针对目标跟踪中的目标机动问题提出了一种“基于自适应相互作用多模型”的算法。使用不同的几个子模型来描述目标的运动状态,各个模型有自己的随目标估计状态和当前测量值变化的模型概率,并且各模型之间能通过马尔可夫链的控制自动平滑切换。仿真实验表明了该算法能很好地适应目标的机动,即使采用两个子模型来描述目标的运动,跟踪精度也比较好。     

基于阵元域数据的联合检测与跟踪算法

为了提高对弱目标的检测与跟踪能力,采用一种基于阵元域数据驱动的联合检测与跟踪算法。在假定多目标信号互不相关,且目标个数已知的条件下,采用最大后验(MAP)方法从阵元域数据中直接估计目标的状态。与传统的检测跟踪算法不同,该算法在目标方位信息的基础上,增加能量信息,用于目标跟踪从而提高跟踪能力,同时又通过跟踪目标轨迹的预测以提高检测能力。仿真结果显示,该算法可提高对弱目标的检测能力和跟踪能力,解决传统的跟踪算法对于交叉目标的错跟与失跟问题,在目标非快速机动的情况下得到很好的检测跟踪结果。海试结果显示该算法具有重要的实际工程应用价值。     

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。      

观测站非机动情况下的渐进无偏目标跟踪算法

针对无源目标跟踪中将非线性测量方程伪线性化带来有偏估计的缺点,提出了一种基于方位和径向速度联合估计的渐进无偏目标跟踪算法。该算法通过对方位-径向速度组成的伪线性测量方程的噪声协方差矩阵进行约束,使其均方误差达到最小,得到目标状态向量的最小二乘无偏解。仿真和实验结果表明,在观测站非机动情况下,算法能够渐进无偏地收敛到真值,收敛后的距离跟踪误差在5%以内。     

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。      

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.     

无源声呐场景中使用辅助粒子滤波的邻近目标检测前跟踪方法

针对无源声呐多目标方位跟踪问题,研究了一种基于粒子滤波的检测前跟踪方法,关注于改善邻近目标和机动目标的跟踪性能。首先,提出了一种考虑了邻近目标影响的似然函数;其次,采用辅助变量利用量测信息优化粒子采样,当算法运动模型与目标实际运动状态失配时,这种策略具有很大优势。结合以上两点,提出了一种检测前跟踪算法,该算法将邻近目标划分为一组,使用邻近目标的预测状态计算目标的似然,计算效率较高。利用仿真生成的数据和海上采集的实际数据分别验证了该算法的性能,并与其他多目标粒子滤波检测前跟踪算法进行比较,证明了该算法具有良好的跟踪性能。在目标邻近和目标机动的情况下,该算法的优势更加明显。     

Manatee position estimation by passive acoustic localization

Passive sound source localization with sensor arrays is based on the estimation of the time difference of arrival (TDOA), and precise TDOA is required to achieve accurate position estimation. For a majority of practical localization systems (based on TDOA estimation with four sensors in two dimensions), only three time delays are computed to determine the location of interest. This paper presents an approach to determine the position of a manatee by using four hydrophones and all the combinations of the TDOAs available. With four hydrophones, six TDOAs are computed and then combined three by three to get 20 possible points for each position to estimate. Experimental results using the Hilbert envelope peak technique to estimate the TDOAs and the least square method to estimate the position are presented. For the tests conducted it is shown that for a manatee call having a high signal-to-noise ratio, the individual position estimated for each of the 20 combinations of TDOAs lies on a straight line, providing a good estimation of the direction of arrival approximately 85% of the time. However, a good estimation of the position is obtained for a manatee near the hydrophone array approximately 55% of the time.     

时延估计与双线阵左右舷分辨

针对双线列阵的左右舷分辨问题，特别是双线阵间距较大时的左右舷分辨问题，文中提出了一种以时延估计为理论基础的左右舷分辨方法，将双线阵的左右舷分辨问题转变成对轴向对称的两路波束信号进行时延估计，然后根据时延值的符号判断出目标所处的左右舷。该方法具有算法简单、对阵形畸变不敏感的优点。经过湖试实验数据分析验证，证明是一种简单、有效、可行的左右舷分辨技术。     

交叉验证多路径匹配追踪水声矢量阵稀疏方位估计

水下运动目标的高分辨DOA估计和目标的左右舷分辨问题一直是水声阵列信号处理中的一个核心问题。矢量阵相比于声压阵具有天然的左右舷分辨能力和更高的处理增益,近年来得到了广泛关注。Capon等一些传统高分辨处理方法存在不能解相干源、需要多快拍处理以及对阵列流行误差敏感等多种问题。针对水声阵列信号处理领域面临的以上问题,利用声呐工作场景中空间目标的稀疏性,本文提出了一种基于交叉验证技术的多路径匹配追踪（Multiplepath Matching Pursuit with Cross Validation,CV-MMP）声矢量阵稀疏DOA估计算法。该算法采用交叉验证技术可以在未知场景中目标个数的条件下实现稀疏DOA的估计,相比于常规的声矢量阵Capon算法而言,可以在小快拍数甚至单快拍数条件下实现多目标的稀疏DOA估计以及高分辨能力。仿真和海试试验数据处理验证了提出的算法的有效性。      

目标跟踪与定位中的视觉标定算法研究

目标跟踪与定位中的一个重要步骤就是摄像机标定,其目的是估计摄像机的外部和内部参数。在严格的几何约束关系之上建立准确的数学模型,提出一种快速得到摄像机中心的方法,然后通过合理的求解次序获得其他摄像机参数,保证了标定参数的精度。利用计算出来的标定参数校正失真图像中的各个像素位置以重新得到像素间原来的空间关系,从而产生精确的不失真图像,并且利用摄像机标定参数对标定模板上的点进行位置计算后,再和实际位置比较进行检验。图像的校正效果实验以及精度验算的结果表明：提出的算法得到了准确可靠的标定参数,和其他算法相比有效提高了精度,能够满足运动跟踪时目标特征位置估计的精度要求。     

Seabed geoacoustic characterization with a vector sensor array

This paper proposes a vector sensor measurement model and the related Bartlett estimator based on particle velocity measurements for generic parameter estimation, illustrating the advantages of the Vector Sensor Array (VSA). A reliable estimate of the seabed properties such as sediment compressional speed, density and compressional attenuation based on matched-field inversion (MFI) techniques can be achieved using a small aperture VSA. It is shown that VSAs improve the resolution of seabed parameter estimation when compared with pressure sensor arrays with the same number of sensors. The data considered herein was acquired by a four-element VSA in the 8-14 kHz band, during the Makai Experiment in 2005. The results obtained with the MFI technique are compared with those obtained with a method proposed by C. Harrison, which determines the bottom reflection loss as the ratio between the upward and downward beam responses. The results show a good agreement and are in line with the historical information for the area. The particle velocity information provided by the VSA increases significantly the resolution of seabed parameter estimation and in some cases reliable results are obtained using only the vertical component of the particle velocity.     

光电经纬仪实时引导的实现

在由四台光电经纬仪与雷达组成的测量网络中,为了提高光电经纬仪实时捕获跟踪空间目标的能力,建立基于目标位置估计的实时引导系统.利用滑窗式最小二乘法将光电经纬仪实时交汇数据和雷达的实测数据进行互联,解算出目标的瞬时位置,经时延补偿后获得目标的位置估计,经坐标转换后实现光电经纬仪的实时引导.实时引导系统充分利用了所有测量站的测量信息,可提高引导数据的引导准确度和可靠性.试验结果表明,该方法快速提供的平滑引导数据,不仅能准确将目标引入光电经纬仪的视场,亦可为其他测量设备提供参考数据.     

A machine vision technique for subpixel estimation of three-dimensional profilometry

A quick and efficient technique for a charge-coupled device (CCD)-based profilometric measurement system is proposed and verified by experiment. When a laser stripe is projected onto an object, the deformed laser line image is detected by a CCD camera with subpixel resolution and is automatically transferred to its space position using a least-squares mapping algorithm. Measurements are executed on each separate surface of a three-dimensional object and the multi-surface data are integrated through a process of coordinate transformation. Large arrays of data points are acquired on each surface by means of a scanning mechanism. Because the measuring data from each laser stripe position can provide two-dimensional information concerning the surface contour, the laser stripe and the CCD camera are integrated into a measurement system for obtaining the entire three-dimensional information. Theoretical analysis shows that this technique can determine the three-dimensional profile of an object with an accuracy below 0.2 mm.     

The time-delay estimation method of resolving left-right target ambiguity for twin-line array and its realization

The directivity function of twin-line array sonar can be used to identify left/right target. But the performance is limited by the distance between two lines and also exists the blind area for target identification. A method, which is based on the time-delay estimation between two line arrays, is proposed to identify left/right target. The method is robust with the variation of distance between two line array, the blind area is considerable decreased. The theoretical analysis results and realization method is described. An algorithm base on interpolation method for precisely estimating tune-delay of two line array are derived, therefore the left-right ambiguity problem is solved.     

水下声学滑翔机用于东印度洋声传播特性分析及声源估计

常规实验方法无法同步获取深海大尺度声学和水文数据,水下滑翔机可作为同步观测平台解决该问题.首先利用在东印度洋北部海域水下滑翔机同步获取的声传播和水文实验数据,分析了水下滑翔机的自噪声谱级和实验海区声传播特性,然后推算并修正了滑翔机水下运动轨迹,利用第一影区水下滑翔机接收声传播信号的脉冲多途到达时间差对声源进行测距与定深。潜标接收噪声与滑翔机自噪声谱级对比表明,水下滑翔机在海洋中无动力运动时的系统自噪声接近于潜标观测的海洋环境噪声。滑翔机实测的声传播损失与模型计算结果吻合较好,第一影区水下声源测距定深结果与实际位置较为一致,测距与定深的相对误差均小于5%。利用加载水听器的水下滑翔机可以实现水文环境数据与声学信号的同步观测,对深海声传播特性测量及定位算法研究具有重要意义。      

一种深度学习的立体阵波达方向估计方法

针对常规波束形成主瓣宽且目标分辨能力低的问题,提出一种基于深度卷积神经网络的波达方向估计方法。算法使用常规波束形成计算二维空间功率谱,将预处理后的空间功率谱图输入深度卷积神经网络。该文利用神经网络学习解卷积映射关系,输出主瓣宽度更窄的空间功率谱图,从而实现高分辨率二维波达方向估计。该算法对阵列结构没有限制,适用于立体阵。仿真结果表明该文方法在不同目标个数、快拍数及信噪比参数下均能准确估计目标方向。该文方法目标分辨能力优于常规波束形成方法。在低快拍情况下,目标方向估计误差低于自适应波束形成方法。