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随机有限集理论分布式水声目标跟踪方法研究

随机有限集理论分布式水声目标跟踪方法研究

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作者：吴雨桑浙江大学

学位级别：硕士

水声目标联合定位与跟踪是海洋目标探测领域的重要问题之一,在军事国防、海洋资源开发和海洋科学研究等领域具有相当重要的意义。相较于主动探测方法,被动定位方法隐蔽性更好,且接收水听器成本低、功耗小。然而被动定位方法存在无法持... 详细信息

水声目标联合定位与跟踪是海洋目标探测领域的重要问题之一,在军事国防、海洋资源开发和海洋科学研究等领域具有相当重要的意义。相较于主动探测方法,被动定位方法隐蔽性更好,且接收水听器成本低、功耗小。然而被动定位方法存在无法持续观测目标信号的局限性,特别在低信噪比等非理想环境下,无法根据量测确定目标是否存在。基于随机有限集的目标跟踪算法不仅能够从量测中确定目标的存在性,而且能够在跟丢目标后快速恢复,为水声目标联合被动定位和跟踪这一问题提供了合适的解决思路。同时随着分布式传感器网络技术的发展,利用分布式传感器网络节点放置在不同的空间位置上对监测区域进行覆盖,可以提高空间增益,进而提升跟踪性能。上述背景使得对目标数目未知且时变等复杂场景下的水声目标进行联合被动定位与跟踪成为可能。论文对基于随机有限集理论的分布式水声目标跟踪方法进行研究,主要工作如下:1.对基于随机有限集的状态-空间目标跟踪算法进行研究,为后续章节提供了理论基础。具体地,论文对水声环境下的目标状态模型和量测模型进行讨论,并分析了水声环境跟踪性能评估指标,在目标数目未知且时变的复杂场景中,验证了基于随机有限集的多目标跟踪算法在跟踪精度和计算效率上的优越性,提供了使用势平衡多伯努利滤波算法对阵列信号处理后得到的量测进行滤波处理的合理性。2.对基于阵列信号处理的水声多目标联合定位与跟踪方法进行研究。在低信噪比等非理想环境下,使用阵列信号处理技术进行被动定位可能会导致目标声源真实位置对应的主瓣被噪声干扰对应的峰值淹没而成为旁瓣。为了利用旁瓣中可能存在的目标声源的位置信息,论文分别使用波束形成和匹配场定位两种阵列信号处理方法生成量测,量测设计契合水声物理特点,并结合势平衡多伯努利滤波算法,有效滤除噪声干扰,实现了对水声多目标的有效联合定位与跟踪。3.对基于阵列信号处理的分布式水声多目标联合定位与跟踪方法进行研究。使用单水听器阵列作为分布式传感器网络节点,通过相干信号增益可以实现更远的探测距离和更高的分辨率,并实现对非合作目标的被动定位与跟踪。各个节点协同工作,通过融合不同节点对相同目标声源状态的跟踪信息可以得到更高的跟踪精度。论文将基于匹配场定位的势平衡多伯努利滤波算法与分布式融合算法相结合,提出了一种分布式融合结构下的水声多目标联合定位与跟踪方法,该方法充分利用了分布式融合结构的优越性,在网络具体实现上合理可行,并取得了比单水听器阵列下水声多目标跟踪方法更高的跟踪精度。同时,在保持跟踪精度不明显低于集中式融合结构下的多目标跟踪算法的情况下,该方法使系统通信负担大幅降低,计算效率明显提升。4.对基于机会声源的分布式水声目标联合定位与跟踪方法进行研究,比起传统的匹配场定位算法,基于机会声源的二次互相关定位算法对环境失配的敏感度较低。但在低信噪比等非理想场景下,二次互相关定位算法可能出现目标声源对应的主瓣被噪声干扰对应的峰值淹没而成为旁瓣的情况。论文提出了一种新的量测获取方法,通过选取定位得到的模糊函数中大于设定阈值的峰所对应的位置作为量测,并将生成的量测集送入基于随机有限集的伯努利滤波算法进行滤波,得到了目标声源在监测区域内较好的状态跟踪结果,实现了基于机会声源的分布式水声目标联合定位和跟踪。

关键词：水声目标跟踪分布式网络随机有限集匹配场定位二次互相关

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水下异构多源探测性能推演与信息融合技术

水下异构多源探测性能推演与信息融合技术

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作者：于佳新哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

近年来,随着水声目标隐身技术不断进步以及海洋战场的复杂化,水声目标的探测、定位以及跟踪面临越来越多的挑战。由于海洋目标信号的复杂性、水声环境的强干扰性、探测平台性能参差不齐等因素的影响,单一平台的探测已逐渐无法满足需求... 详细信息

近年来,随着水声目标隐身技术不断进步以及海洋战场的复杂化,水声目标的探测、定位以及跟踪面临越来越多的挑战。由于海洋目标信号的复杂性、水声环境的强干扰性、探测平台性能参差不齐等因素的影响,单一平台的探测已逐渐无法满足需求。因此将主动声呐阵探测节点、被动声呐阵探测节点、基于声场的目标探测节点甚至磁电等节点组装配合形成水下异构多源探测网络,通过对各平台探测得到的量测信息进行平台级和系统级信息融合,得到更加完整全面的战场态势信息,这已经成为未来水下目标探测发展的一个重要方向。在上述背景下,面对水下多目标和隐身目标的探测需求,本文构建了由主动声呐阵、被动声呐阵以及匹配场被动探测平台共同构成的异构多平台协同探测系统。通过该系统的协同观测以及信息融合处理可以获取更加全面、宏观、精确的目标态势信息,为海洋监测以及辅助决策提供新的解决方案。文章首先构建了目标运动模型,基于复杂海洋环境物理特性和由主动声呐阵、被动声呐阵和匹配场被动探测平台共同构成的异构探测系统的物理模型,并在统一的目标运动态势下,依据物理模型得到各个平台的量测信息。其次在各异构平台内依据平台特性构建平台级信息融合物理模型,并进行平台级信息融合得到结果。主动声呐阵平台依据量测的角度和距离信息获得目标的点迹信息,再基于联合概率数据关联等算法跟踪得到主动声呐阵的平台级信息融合结果;被动声呐阵平台依据双平台量测的角度信息进行交叉定位得到点迹信息,进一步基于JPDA算法跟踪得到航迹信息;匹配场被动探测平台依据量测得到的角度和距离信息得到目标的点迹信息,并进一步关联得到目标的航迹信息。最后在融合中心分析异构平台级信息间的关联与差异,探索异构多源探测目标信息的合理融合理论。首先对各平台级信息进行预处理,对于中断过长的航迹进行切分,对于中断较短的的航迹进行补帧。其次对预处理后的航迹进行航迹关联以及虚假航迹过滤,再进一步将各异构平台的航迹进行有机融合得到系统级信息融合结果,获取到更加完整、宏观、精确的目标态势。最后分析各个平台的信息对于系统级信息融合精度以及性能的影响,提高异构多平台探测能力和稳健性。文章构建了水下异构多源探测的物理模型,并进行了平台级信息融合与系统级信息融合的理论研究与分析,为水下异构多源探测系统提供了理论基础以及性能参考,为海洋观测网络化信息技术提供理论基础和技术支撑。

关键词：异构平台探测物理模型异构平台探测信息融合水声目标跟踪

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