拖曳线列阵声呐平台噪声的空域矩阵滤波抑制技术

针对拖曳线列阵声呐平台噪声构成近场强干扰影响声呐弱目标探测的问题,利用近场平台噪声的多途传播特性,将匹配场定位技术和平面波目标方位估计技术结合,使用平台噪声到达接收阵的拷贝向量以及平面波方向向量共同设计平台噪声零响应约束空域矩阵滤波器,实现了平台噪声抑制.推导得出滤波器设计最优化问题的最优解,利用广义奇异值分解简化最优解表达式,并给出滤波器对平面波方向向量整体响应误差以及对平台噪声拷贝向量响应。利用平台噪声拷贝向量与远场平面波方向向量相关性,解释了平台噪声构成强干扰的原因,以及滤波后存在探测盲区的原因。由仿真可知,空域矩阵滤波处理可获得更小的探测盲区,同时获得盲区外更高的探测能力.     

拖线阵机动时的自适应波束形成

提出了一种MVDR(最小方差无失真响应)的改进算法,用以解决常规MVDR算法由于阵形时变而出现的性能下降问题。在获得时变阵形估计数据的基础上,该算法以统计时段内的平均阵形为基准阵形,在每个扫描方向上根据实际阵形和基准阵形的差异对阵列互谱矩阵多样本进行相位补偿,从而实现统计时段内的互谱矩阵多样本相干累加和目标检测。数值仿真与海上实验数据处理结果表明:与传统MVDR算法相比,改进算法有效缓解了时变阵形下的目标测向角度模糊问题,可提高拖线阵目标左右舷分辨性能、增强弱目标检测能力。     

纯方位目标运动分析的一种“检测前跟踪”技术

被动检测中,当目标信噪比较低时,传统的波束形成估计目标方向有较大的误差,为此我们提出一种改进的检测前跟踪技术,即直接对波束输出的方位-功率图序列做运动分析。对目标所有可能的运动路径进行时间积分,理论上与目标真实轨迹最靠近的路径将获得最大的功率累积量。本文结合纯方位目标运动分析的规律,以不降低检测性能为前提,开发了一种简化的路径搜索策略。在计算机仿真实验中,也证实了该简化搜索策略使得运算量至少降低了两个数量级。     

一种最差情况下性能最优化的特征分析自适应波束形成方法

自适应波束形成在弱目标检测和空域滤波中应用广泛。然而在实际海洋环境中,失配情况比较普遍,往往会导致传统自适应波束形成方法性能明显下降。针对此问题,本文基于特征分析重构观测信号协方差矩阵来抑制干扰对弱目标检测的影响,在此基础上进一步利用凸优化算法来提高波束形成方法的鲁棒性。数值仿真和海试数据处理结果表明,本文所提方法在抑制干扰对弱目标影响的基础上,在阵元位置平均误差不超过入射信号中心频率对应波长的40%的情况下,仍可以鲁棒地检测目标信号。同时,该方法显著提高了自适应波束形成方法的输出信干噪比,且受对角加载量取值的影响较小。     

利用Doppler-warping变换的水下对空运动声源的线谱探测EI北大核心CSCD

提出了一种利用Doppler-warping变换的水下对空运动声源的线谱探测方法。该方法首先利用Doppler-warping变换线性化目标线谱的多普勒相位,再提取线性化后的目标线谱点,结合波束形成算法实现对目标的探测。仿真和海试数据处理结果表明,与直接提取目标线谱实现探测的方法相比,所提出方法有以下几个优势:(1)将目标线谱多普勒相位线性化,线谱跟踪更为稳定连续;(2)将目标线谱频带展宽的能量重新集中到原频率附近,在低信噪比环境下能更好地提取目标线谱;(3)将干扰线谱瞬时频率非线性化,能更好地实现干扰线谱的分离。海试数据处理结果表明,实现了对远至16.8 km处空中运动目标的水下有效探测,探测能力与抗干扰能力明显增强。     

一种深空背景空间小目标条痕检测算法

针对深空慢速运动目标(目标在焦面的运动速度小于1 pixel/frame)提出了一种最大似然条痕检测算法,能够在较低信噪比情况下实现有效的慢速目标检测。算法将目标脉冲形状信息引入信号模型中,是最大值投影算法的改进形式。建立基于高斯噪声分布的图像信号模型,在此基础上推导了最大似然条痕检测算法模型;分析该算法的实时性及其理论探测性能;采用蒙特卡罗仿真方法比较最大似然条痕检测算法与最大值投影检测算法的检测性能。仿真结果表明,输入信噪比为3.5时,最大似然条痕检测算法的探测概率为95%,其相同探测概率条件下所需信噪比比最大值投影算法降低了2.5(即最大值投影算法要达到95%的检测概率,所需信噪比为6)。算法实时性分析表明,最大似然条痕检测算法的实时处理能力为31.25 Mb/s。     

一种复杂海天背景下红外弱小目标检测算法

红外弱小目标的检测是红外搜索跟踪系统(IRST)中的一项关键技术,常用的目标检测算法存在受海杂波严重、虚警率较高等问题,分析了海天背景下红外图像的背景、小目标的特征,提出了一种海杂波背景下的红外小目标检测算法。首先统计图像的行均值和梯度,用最小二乘法拟合出海天线,然后利用形态学算子抑制图像背景,并采用自适应阈值将图像二值化,最后分析图像的梯度特征,抑制海杂波和云层的干扰。实验结果表明,该方法能精确地提取海天线,稳定地提取海天背景下的弱小目标,虚警率低于5%,目标检测概率超过97%。     

一种空间目标在轨检测图像预处理算法

通过对美国天基可见相机(SBV)在轨检测算法(Moving target indicator,MTI)算法进行改进,使其更加快速有效地检测出淹没在噪声杂波中的目标条纹.MTI改进算法使用了一种新的二维图像检测预处理算法一一依概率加窗检测算法.依概率加窗检测算依据同一大小检测窗口内,目标所在检测窗内出现的非零点比纯噪声检测窗内多的特性,通过检测窗门限滤波,在可能剔除部分目标点的同时,极大地抑制噪声.接着使用三点共线条纹检测算法,剔除可疑目标条纹,进一步降低虚警概率,提高检测概率.通过算法性能分析可知,MTI改进算法的虚警概率降低15倍,检测概率99%时所需信噪比从6降低为3,并且总体计算量降低6个数量级.MTI改进算法减少计算量的同时,降低虚警概率并提高榆测概率,在工程应用中更有利于算法的实时实现.     

一种改进的三帧差分运动目标实时检测算法

针对传统的三帧差分法提取的运动目标存在大量的噪声和空洞,提出了一种改进的三帧差分运动目标实时检测算法。该算法采用Surendra背景提取算法提取有效背景,对视频流中连续的三帧图像分别进行背景减除,得到的结果作为反馈对背景进行选择性更新,利用HSV颜色空间去除阴影后进行三帧差分,将差分结果进行“与”运行,通过将中间帧背景减除结果与“与”运算的结果进行“或”运算,这样可以得到运动目标的完整信息。实验结果表明,该算法能够快速、完整、准确地检测出运动目标,可有效应用于实时监控系统。     

一种基于广义Duffing振子的水中弱目标检测方法

海洋环境中,在水下目标的线谱频率未知或者目标辐射噪声的连续谱很弱时,很难实现水中弱目标的准确检测,本文提出基于广义Duffing振子检测系统的水下目标辐射噪声检测方法.通过对传统周期扰动的Duffing振子信号检测系统的分析和推广,提出了一种可输入非周期、非平稳信号的广义Duffing振子检测系统,可检测输入的无先验信息目标信号.为实现广义Duffing振子系统运动状态的精确、有效判断,提出了一种相空间图形的离散分布列计算方法,通过类网格函数实现了利用统计复杂度对系统输出的嵌入式表征,从而实现了无先验信息时的水中弱目标的嵌入式检测.相同条件下与传统检测方法仿真对比可知,本文提出的方法可以检测到更低信噪比下的目标,并能满足水中检测实时性要求.     

拖曳阵被动合成孔径目标深度稳健估计

使用水下无人平台作为拖曳阵的载体,进行被动目标深度估计具有灵活性高和隐蔽性好的优点。针对实际应用中存在的平台自噪声干扰和阵列瞬时随机加速度扰动问题,提出了一种稳健的目标深度估计方法。该方法分为3个步骤,首先对阵元接收信号进行自适应噪声抵消和相位抖动滤波,然后对声压进行距离积分实现简正波模态估计,最后计算模态匹配度,最大值对应的深度为目标深度估计结果。仿真表明在干扰背景下该方法的目标深度估计稳健性优于传统方法,声源频率、合成孔径距离和信干比决定了目标深度估计误差。利用实验数据验证了该方法对水下低频线谱声源的深度估计能力。     

Multi-step geoacoustic inversion with a towed line array

Geoacoustic inversion is important for acoustic field predictions and matched field localizations in shallow water.Combing the Matched-field inversion(MFI) and the Reflectionloss inversion,a multi-step Bayesian inversion for geoacoustic parameters was presented.This method applied the posterior probability density(PPD) or inversion results from one inversion as prior information for subsequent inversion.First,the sensitive parameters were determined by the MFI.Second,the insensitive parameters were determined by the Reflection-loss inversion based on the PPD and inversion results from the MFI.The PPD results indicated that the multi-step inversion method was performed better than direct matched-field inversion,and the inversion results of some parameters were improved significantly.To demonstrate the advantages of the multi-step inversion method on the sound field prediction,the statistical properties of transmission loss based on the posterior probability were introduced.The transmission loss distribution showed that the predicted acoustic fields based on the multi-step inversion method had smaller errors.     

拖曳线列阵用光纤水听器的研究

报道了光纤水听器用于拖曳线列阵的研究结果。在保证光纤水听器声相位灵敏度的前提下, 优化设计了光纤水听器的结构,降低了光纤水听器的加速度灵敏度36dB。实验测得在20-1600Hz 频段,该光纤水听器的相位灵敏度为-162．7dB,频段内灵敏度的起伏为±0．7dB,加速度灵敏度小于-30dB。     

拖线阵左右舷分辨技术的理论分析与实验研究

对拖线阵左右舷分辨技术进行了理论分析和实验研究,给出三元水听器组用于左右舷分辨的两种处理方法。通过对实验数据的处理和分析,验证了理论计算的结果,并将处理算法扩展到宽带情况。研究结果表明,基于最优波束形成理论的三元水听器组处理算法能够进行目标左右航的分辨,并且由于算法简单,可望得到实际应用。     

采用拖曳线列阵的海洋声学参数联合反演方法研究

匹配场反演方法是快速获取海底声学参数的一种有效途径,但是其反映的是水体和海底空间变化环境的平均效果,对海底密度和衰减系数的敏感性较小,且在复杂海底环境下,不确定性明显增加。匹配场反演方法通常采用垂直阵来实现,其机动性较差,只能获得局部海区的环境参数。利用拖曳线列阵可以实现环境参数的走航式获取。提出了基于匹配场与反射损失联合反演的方法,利用其中之一的反演结果作为下一步反演的先验信息,敏感参数与不敏感参数多步反演,并逐步缩小了参数的优化空间。同时引入贝叶斯理论与蒙特卡罗方法对反演参数的后验概率密度进行分析,并利用反演结果的后验分布计算了传播损失随距离的概率分布。研究结果表明,联合反演方法对地声参数进行了更准确的反演,尤其是对海底声速反演效果提高明显。通过传播损失的概率分布发现,估计得到的海底参数用于声场预报时,误差较小。     

拖线阵的阵形畸变与左右舷分辨

能否利用信号处理方法在单根普通线列阵上实现对目标的左右舷分辨是一个具有实用价值的研究点,文中利用线列阵在拖曳过程中产生的阵形畸变现象来解决单根普通线列阵的左右舷分辨问题。首先建立了拖线阵两种可能的阵形畸变模型:阵列呈圆弧状和阵列呈横向随机误差的类直线阵;然后分析了这两种畸变情况对拖线阵波束形成带来的问题;指出了畸变阵从原理上破坏了直线阵列处理中固有的对称性,按照畸变后的阵形进行波束形成,即可完成对目标的左右舷分辨。在合适的水听器位置标准偏差下,镜像源抑制比能达到10 dB以上,并且能显著改善波束形成效果。仿真实验研究充分证明了以上结论。     

A unified algorithm for target detection and tracing based on data of array sensors

A unified method for target detection and tracing based on data from sensors of array is presented in order to improve detection and tracking abilities of the weak targets with low signal-to-noise ratio. Assuming that the multiple targets are uncorrelated each other and the number of the targets is known a priori, the status of the targets can be estimated with the maximum a-posteriori （MAP） method directly through the sensors data. The proposed method is different from the classical method, by which it can detect and track targets simultaneously by adding the target＇s signal energy information besides its direction of arrivM（DOA） information. Simulated and sea trial data results show that the detection and tracing capabilities of weak targets can be improved and wrong tracing and missing tracing problems, which exist in the classical tracing method when it is faced with the crossing targets, can be resolved by the proposed method.     

Subbottom profiling using a ship towed line array and geoacoustic inversion

Bottom profiling traditionally uses broadband signals received on a line array at long ranges to estimate the bottom layer structure and thickness. In this paper, a subbottom profiling method is developed and applied to a ship-towed line array using the same ship towed source to estimate the subbottom layer structure and thickness. A ship towed line-array system can be used to estimate bottom properties using geoacoustic inversion and can cover a wide area in a short time. It needs some prior information about the subbottom structure and layer thickness, without which the solution can be ambiguous and even erratic when resolving parameters over a wide area. It is shown that the required subbottom information can be obtained from the time-angle relation by beamforming the same acoustic signal data used for geoacoustic inversion. The time-angle analysis is used to expose the prevalent physics intrinsic to geoacoustic inversion. One finds that the tau-p relation of the bottom and the bottom reflection coefficients, sampled at discrete angles associated with bottom and multiple surface-bottom returns, are often adequate, for many practical applications, to uniquely determine the geoacoustic bottom at low (< or =1 kHz) frequencies.     

矢量水听器拖曳阵的信号模拟器设计

本文中所设计的基于矢量水听器的拖线阵声纳模拟器,仿真了拖线阵的拖船干扰时域信号和空间传播特性,以及矢量水听器偶极子指向性。对于拖船干扰的仿真用Ecs模型来设定宽带功率谱,以AR模型来拟合指定功率谱,利用海底、海面对声场的一次反射作用仿真了拖船干扰的空间多途信道。利用插值滤波器的方法按照设定的时间精度仿真了宽带信号的阵元间精确延时。处理该模拟器所产生阵元时空采样仿真信号而得到的波束形成结果验证了该模拟器的有效性。     

基于多粒子群算法的视频跟踪研究

粒子群算法是一种新的进化算法,算法思路适合于进行视频跟踪,但是由于在视频跟踪过程中以跟踪窗口作为粒子,因此该粒子具有中心点横坐标、中心点纵坐标和窗口半径三维特征向量,计算冗余较大,难以满足视频跟踪的实时性要求。提出了一种多粒子群视频跟踪算法,即在跟踪过程中使用多个粒子群,粒子群与粒子群之间粒子半径不同,在各粒子群以评价函数收敛到最佳中心点后,再完成各自半径的一维粒子群计算。这样就可将三维粒子群计算分为一个两维和一个一维粒子群计算,最后通过比较得出最佳粒子,作为搜索结果。分析了这一算法成立的必要条件,即当选择Bhattacharyya系数计算方法作为粒子群算法的评价函数时,大于目标的固定窗体的中心点可以收敛到目标的形心。实验证明,这种基于多粒子群的跟踪算法可以应用于实时视频跟踪,其跟踪效果优于传统算法。