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水下动目标被动跟踪关键技术研究

作　者: 杨娟
导　师: 惠俊英
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 水声工程
关键词: 被动定位矢量声场干涉谱 STFT-Hough变换专家系统
分类号: TB566
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 555次
引　用: 7次
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内容摘要

水下被动定位技术一直以来是人们关注的焦点。随着对水下声场研究的进一步深入,出现了以声场分析为基础的匹配场被动定位技术。TMA技术则通过对一段时间内数据的综合利用,来对目标运动状态进行分析。它们是被动定位技术中新发展起来的两个热点。本文以这两种方法为出发点,通过分析低频矢量声场,探索适用于单水听器(矢量水听器)的被动定位新方法。文中首先根据射线理论建立了低频矢量声场的模型,给出了传播损失曲线,并与波动理论结果进行了比较,说明射线理论在近距离是波动理论的良好近似。通过对声压、振速的干涉现象进行分析,说明了声压和水平振速符合一致的传播规律。之后,以干涉声场分析为基础,分析了水面舰船干涉条纹的双曲线簇分布规律,目标运动的状态(包括速度、深度和水平距离)将决定双曲线簇的形状。分别讨论了目标运动在深海和浅海状态下,干涉条纹的不同特点。Hough变换是一种用于边缘检测的图像处理手段,在水声信号处理中已被用来与时频分析手段联合起来对信号进行估计,例如Wigner-Hough变换利用对直线的Hough变换来估计线性调频信号斜率等。针对干涉谱双曲线型条纹,本文利用Hough变换提取双曲线参数,可以分析目标的航速、航深和最近通过距离。然后,文章从理论上分析了干涉谱中频率周期的物理意义,给出了测量干涉频率周期对目标定位的方法。讨论了干涉谱分析在水声信号处理中应用的优缺点,利用干涉谱来分析目标尾流干扰的频段,消除强线谱引起的窄带干扰等,对水下靶场等近距离目标被动探测有一定的应用价值。水下高速运动目标的被动跟踪系统,目前己步入实际系统的研制阶段。被动跟踪方式的靶场测控技术,无需在目标上加装合作信标,因而能够大大提高试验效率。水下高速运动目标的被动跟踪需要面临的主要挑战是高速运动目标的多普勒效应和水下信道的多途效应。由于目标高速运动,产生的多普勒效应,使得多普勒补偿成为必需,然而由于水下高速运动目标的多普勒系数很大,分析多普勒变化率成为关键。文章首先推导并分析了二阶多普勒系数及其对一阶补偿的影响,又对二阶多普勒系数估计的信噪比条件进行了分析,之后分析了高速目标运动引起各途径声线之间的多普勒系数差。在此基础上克服高速运动目标多普勒效应的影响。针对被动跟踪系统,为了获得高精度解,需要采用长基线定位手段。然而,传统的长基线定位在不知道目标初始位置的情况下,需要通过大量的计算来进行关联,对于高速运动目标,同时还要进行多普勒补偿,这就进一步增加了计算的负担。根据对本跟踪系统的阵形分析,提出了利用长基线和虚元短基线联合进行被动目标跟踪的方案。既有效地减少了计算量,又不需要增加系统设计成本,达到了最优的设计目的。在近程高精度跟踪系统中,多途效应成为影响定位精度的主要因素,根据本系统用于测量近程高速变深运动目标的特点,设计了被动目标跟踪的抗多途专家系统,能够有效减小相关峰的误判概率,从而保证了被动跟踪系统对水下高速运动目标的运动轨迹可以进行有效测量。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-26
  1.1 立题背景和意义  12-13
  1.2 国内外水雷发展现状  13-15
  1.3 水下动目标定位系统的发展趋势  15-17
  1.4 被动定位技术概述  17-24
    1.4.1 传统被动定位方法  17
    1.4.2 目标运动分析(TMA)  17-21
    1.4.3 匹配场被动定位MFP  21-24
    1.4.4 时间反转镜被动定位(PVTR)  24
  1.5 论文的研究内容  24-26
第2章运动目标的干涉声场分析  26-38
  2.1 引言  26
  2.2 射线理论低频矢量声场模型  26-31
    2.2.1 Pekeries模型  27
    2.2.2 声压场  27-28
    2.2.3 矢量场解析解  28-29
    2.2.4 矢量场数值解  29-30
    2.2.5 传播损失  30-31
  2.3 数据分析  31-37
    2.3.1 传播损失  31-33
    2.3.2 低频矢量声场干涉现象分析  33-37
  2.4 本章小结  37-38
第3章基于STFT-Hough方法的水面目标定位  38-72
  3.1 引言  38
  3.2 舰船辐射噪声的声谱图分析  38-41
  3.3 STFT-Hough方法的基本理论  41-44
    3.3.1 海面偶极子的定位模型  41-42
    3.3.2 双偶极子的定位模型  42-44
  3.4 时频分析  44-47
    3.4.1 时频分析概述  44-45
    3.4.2 短时傅立叶变换(STFT)  45-46
    3.4.3 Wigner-Ville分布(WVD)  46-47
    3.4.4 分数阶傅立叶变换(FRFT)  47
  3.5 Hough变换  47-48
  3.6 参数的提取方法  48-49
  3.7 数据分析和比较  49-60
    3.7.1 海面偶极子模型与双偶极子模型比较  49-52
    3.7.2 深海目标运动参数提取  52-53
    3.7.3 浅海目标运动参数提取  53-56
    3.7.4 实验数据分析  56-60
  3.8 干涉谱测水下竖直运动目标轨迹  60-65
    3.8.1 干涉频率周期定位原理  60
    3.8.2 海面反射声的干涉频率周期定位  60-62
    3.8.3 实验数据分析  62-65
  3.9 干涉谱分析的应用  65-70
    3.9.1 抗多普勒效应影响  65-66
    3.9.2 抗尾流干扰  66-68
    3.9.3 抗强线谱干扰  68-70
  3.10 两种干涉谱定位方法比较  70-71
  3.11 本章小结  71-72
第4章水下高速运动目标的被动跟踪算法  72-128
  4.1 引言  72
  4.2 水下高速运动目标跟踪系统配置方式  72-73
  4.3 高速运动目标的多普勒变化模型  73-87
    4.3.1 理想条件下的多普勒变化模型  73-77
    4.3.2 多途条件下的多普勒变化模型  77-78
    4.3.3 多普勒补偿  78-80
    4.3.4 仿真分析  80-86
    4.3.5 实验数据分析  86-87
  4.4 基于AR模型的抗多途次峰抵消  87-94
    4.4.1 多途径信号传播模型  89
    4.4.2 格型滤波器实现  89-91
    4.4.3 仿真结果  91-94
  4.5 水声分布式系统的多途专家系统设计  94-103
    4.5.1 "专家系统"设计基础  94-95
    4.5.2 "专家系统"工作方式  95
    4.5.3 "专家系统"预判决  95-96
    4.5.4 "专家系统"判决准则  96-98
    4.5.5 仿真分析  98-103
  4.6 长基线定位  103-110
    4.6.1 双曲面交汇定位算法  103-106
    4.6.2 深度精确测量  106-107
    4.6.3 速度测量  107-108
    4.6.4 目标初始航迹建立  108
    4.6.5 时差定位精度空间分布  108-110
  4.7 长基线-虚元短基线联合定位算法  110-126
    4.7.1 虚元-短基线被动定位  110-111
    4.7.2 Gauss-Newton(G-N)和Levenberg-Marquardt(L-M)算法  111-112
    4.7.3 时空关联  112-114
    4.7.4 扩展卡尔曼滤波(EKF)  114-115
    4.7.5 U卡尔曼滤波(UKF)  115-118
    4.7.6 虚元短基线的IMM-UKF机动目标跟踪  118-121
    4.7.7 仿真分析  121-126
  4.8 本章小结  126-128
结论  128-131
参考文献  131-141
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  141-142
致谢  142

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