CN109444898A

CN109444898A - 一种主动声纳单频跟踪方法

Info

Publication number: CN109444898A
Application number: CN201811069753.2A
Authority: CN
Inventors: 胡鹏; 冯金鹿; 李然威
Original assignee: 715th Research Institute of CSIC
Current assignee: 715th Research Institute of CSIC
Priority date: 2018-09-13
Filing date: 2018-09-13
Publication date: 2019-03-08
Anticipated expiration: 2038-09-13
Also published as: CN109444898B

Abstract

本发明涉及声纳信号处理领域,具体涉及声纳的目标跟踪领域，主要是一种主动声纳单频跟踪方法。该发明借助宽带调频信号对疑似目标跟踪连续稳定、精度高的特点，构造一种主动声纳的基于组合信号的单频跟踪方法，能获得稳定、准确的单频跟踪多普勒信息输出结果，工程实现简单，效果好。

Description

一种主动声纳单频跟踪方法

技术领域

本发明涉及声纳信号处理领域,具体涉及声纳的目标跟踪领域，主要是一种主动声纳单频跟踪方法。

背景技术

一般的，主动声纳***可以采用宽带调频信号和单频结合的组合信号进行目标检测跟踪。这主要是利用了调频信号的匹配相关度高、处理增益大，目标回波相对稳定，测距、侧向准确；同时利用单频信号的多普勒敏感度高，实现简单，多普勒速度测量准确。

但是，在实际应用中，特别是浅海条件下，因为信道及环境的影响，目标单频回波的检测具有起伏性和不连续性的特点，这给单频信号的连续跟踪带来困难，同时造成目标多普勒信息检测的不连续。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种主动声纳单频跟踪方法，实现了较好的目标多普勒信息的连续跟踪检测估计。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种主动声纳单频跟踪方法，该方法具体包括：

步骤1)：跟踪引导值选取：显控页面发现疑似目标，人工引导该目标方位距离(θ₀,R₀)跟踪，跟踪标志位从0置1；

步骤2)：下个发射周期目标位置(θ_p,R_p)粗判：根据跟踪标志位判断是否为新航迹起始；若是新航迹起始，则目标位置粗判为引导值(θ_p,R_p)＝(θ₀,R₀)；若是已有航迹的持续跟踪，则目标位置粗判为上周期计算的目标预测位置(θ_p,R_p)；

步骤3)：跟踪波门确定：根据***误差限、量程等确定距离维跟踪波门大小L，则跟踪波门为(L_min,L_max)＝(R_p-L/2,R_p+L/2)；

步骤4)：波门内检测输出结果计算：对于下一个发射周期接收信号，做目标粗略方向θ_p跟踪波门内的调频匹配滤波合波束、互谱***波束和单频检测波束，得到波门内该方向匹配滤波能量输出、互谱相位输出和多普勒检测输出；

步骤5)：测量值获得：根据匹配滤波能量输出结果，在跟踪波门内计算目标该周期距离测量值R_m，并查找互谱相位输出和多普勒检测输出该距离对应的互谱修正角度Δθ_m和多普勒值V_m，则周期测量值输出为(R_m,θ_m,V_m)＝(R_m,θ_p+Δθ_m,V_m)；

步骤6)：滤波模型迭代计算：选择适合的滤波模型，(θ_m,R_m)当做测量值代入滤波方程，计算滤波值(θ_f,R_f)和预测值(θ_p,R_p)，跟踪标志位从1置2；

步骤7)：重复步骤2)～步骤6)，直到跟踪结束。

更进一步的，步骤5)中距离测量值的获取根据实际需求选择适合的跟踪关联准则进行，并设定目标检测门限；若该周期没有符合条件的测量值获取，则认为该次测量丢失，该周期距离、角度以预推值输出；跟踪结束通过人为设定实现，或根据适当的跟踪结束准则判定。

本发明的有益效果为：借助宽带调频信号对疑似目标跟踪连续稳定、精度高的特点，构造一种主动声纳的基于组合信号的单频跟踪方法，能获得稳定、准确的单频跟踪多普勒信息输出结果，工程实现简单，效果好。

附图说明

图1组合信号***工作结构图；

图2目标测量值获取信号流程；

图3卡尔曼滤波器信号流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

假定主动声纳的发射信号为：中心频率为f₁＝2500Hz、带宽为B＝500Hz、脉宽为tp₁＝1.2s的调频信号u₁和中心频率为f₂＝2100Hz、脉宽为tp₂＝0.6s的单频信号u₂。先发调频信号，再发单频信号。跟踪标志位初始化为0。为便于描述，假定某发射周期为第k时刻，上一个发射周期为第k-1时刻，下一个发射周期为第k+1时刻。

步骤1)：跟踪引导值选取

显控页面发现疑似目标，人工引导该目标方位距离(θ₀,R₀)跟踪，跟踪标志位从0置1；

步骤2)：下个发射周期(第k时刻)目标位置(θ_p,R_p)粗判

根据跟踪标志位判断是否为新航迹起始：

a、若跟踪标志位为1，则代表新航迹起始，目标位置粗判为引导值(θ_p,R_p)＝(θ₀,R₀)；

b、若跟踪标志位为2，则代表是已有航迹的持续跟踪，目标位置粗判为上周期计算的目标预测位置(θ_p,R_p)。

步骤3)：跟踪波门确定

本实施例中根据工程经验、***误差限、量程等确定距离维跟踪波门大小L＝1000+2*Tx*12，则跟踪波门为(L_min,L_max)＝(R_p-L/2,R_p+L/2)。(Tx为两次发射之间的时间间隔)

步骤4)：下个发射周期(第k时刻)波门内检测输出结果计算

a、根据跟踪波门(L_min,L_max)，计算fs＝1000Hz采样率下对应的调频和单频波束跟踪波门采样值分为：

(LN1_min,LN1_max)＝round((R_p-L/2,R_p+L/2)/c*2*fs)

(LN2_min,LN2_max)＝round((R_p-L/2,R_p+L/2)/c*2*fs+tp₁*fs)

其中，c为声速，用实测声速值或1500m/s，round(g)为四舍五入取整。

b、调频匹配滤波合波束计算

将2M＝144元阵，划分为两个子阵1,...,M和M+1,...,2M。对这两个子阵分别做(LN1_min,LN1_max)波门内调频回波信号、目标粗略方向θ_p的调频波束形成，得到两子阵调频左右波束输出为y_L(m)，y_R(m)，m＝LN1_min,...,LN1_max为采样序列。则两子阵左右波束的匹配滤波输出为：

z_L(m)＝IFFT(Y_L(k)*U^H(k))

z_R(m)＝IFFT(Y_R(k)*U^H(k))

这里，U^H(k)＝conj(FFT(u₁(m)))为调频拷贝信号为u₁(m)的频域复共轭，Y_L(k)＝FFT(y_L(m))、Y_R(k)＝FFT(y_R(m))分别为两子阵左右波束的频域信号，k代表感兴趣的频带B对应的谱线号。

匹配滤波和波束能量输出为：

Amp(m)＝|z_L(m)+z_R(m)|²

其中，|g|²为复序列求能量操作。

c、调频互谱***波束计算

调频互谱***波束相位输出为：

其中，angle(g)为复序列求相位操作。

d、单频多普勒检测波束计算

对于2M元阵(LN1_min,LN1_max)波门内单频回波信号、目标粗略方向θ_p的单频波束形成，得到单频波束输出为y_d(m)，m＝LN2_min,...,LN2_max为采样序列。

对本单频波束输出信号y_d(m)进行滑动分段傅里叶变换(分段FFT)。在对应单频信号频带范围内，解析每段频谱的最大能量B_max(mm)和对应的多普勒频率F_max(mm)。为使频率测量准确，可选用三点抛物内插方法进行多普勒频率测量。

[B_max(mm),F_max(mm)]＝max(|FFT(y_d((0:NN-1)+St×(mm-1)+LN2_min))|²)

其中，假设信号y_d(m)采样率为fs，则每段FFT点数为滑动步距为St＝NN-round(tp2*fs)，tp₂为单频脉宽，mm为分段序列点数。

单频多普勒检测波束输出为：

V(mm)＝c*(F_max(mm)-f₂)/2f₂-v_bcosθ_p

其中，v_b为本舰航速，f₂为单频频率，c＝1500m/s为声速，或由实测声速代入。

步骤5)：测量值获得

a、设定检测门限T_d＝12dB，计算跟踪波门内匹配滤波和波束能量输出Amp(m)的中值Md，并查找最大值为Amp_max，解析最大值对应距离为RN。若Amp_max≥T_d*Md，则本周期距离测量值R_m＝RN；若Amp_max<T_d*Md，则认为本周期没有超过门限的测量值，距离测量值R_m＝R_p。

b、根据R_m，查找对应位置调频互谱***波束相位输出的值为则互谱修正角度为其中c为声速，f₁为调频中心频率，D为两子阵等效声中心距离。本周期角度测量值为θ_m＝θ_p+Δθ_m。

c、根据Amp(m)和V(mm)采样率的对应关系，查找距离R_m对应位置的单频多普勒检测波束输出V(mm)的值为V_m，即为周期速度测量值。

步骤6)：滤波模型迭代计算：

选择扩展Kalman滤波模型，(θ_m,R_m)当做测量值代入滤波方程，计算滤波值(θ_f,R_f)和预测值(θ_p,R_p)，跟踪标志位从1置2。

a、信号模型的描述和建立

目标状态方程为：

X(k+1)＝F(k)X(k)+Γ(k)u(k)

式中，X(k)＝[x(k),vx(k),y(k),vy(k)]^T为状态向量，x(k)、y(k)是xy两维平面坐标，vx(k)、vy(k)是平面上x、y方向上的速度；u(k)为过程0均值的高斯噪声向量，u(k)＝[u_x,u_y]^T。F(k)状态转移矩阵；Γ(k)为过程噪声分布矩阵；假设T表示周期，则：

测量方程可表示为：

Z(k)＝H[X(k)]+W(k)

式中，Z(k)＝[θ_m(k),R_m(k)]^T为测量向量；H[x]为测量方程；W(k)为具有协方差R(k)的零均值、白色高斯噪声序列。

b、离散卡尔曼滤波初始状态确定

由于实际中无法得到目标的初始状态，可以利用前几次的观测值(θ_m,R_m)建立状态向量的初始估计。本实施例中采用前两次观测值，建立的卡尔曼滤波器的初始值。

Q(k)＝Γ(k)u(k)[Γ(k)u(k)]^T，

c、卡尔曼滤波步骤

在第k+1时刻，滤波器得到新的测量值Z(k+1)＝[θ_m(k+1),R_m(k+1)]^T。

1)由k时刻状态X(k/k)与P(k/k)得到状态一步预测矩阵和一步均方误差阵：

X(k+1|k)＝F(k)*X(k|k)，P(k+1|k)＝F(k)P(k|k)F^T(k)+Q(k)

2)将带入测量值带入到状态滤波：X(k+1|k+1)＝X(k+1|k)+K(k+1)v(k+1)，式中K(k+1)为滤波增益矩阵，其表式为：

K(k+1)＝P(k+1|k)H^T(k+1)(H(k+1)P(k+1)H^T(k+1|k)+R(k+1))^-1；

v(k+1)为新息向量，其表式为：v(k+1)＝Z(k+1)-H(k+1)X(k+1|k)；

3)均方误差更新：P(k+1|k+1)＝P(k+1|k)-K(k+1)S(k+1)K^T(k+1)。

4)将状态滤波输出的状态向量X(k+1|k+1)，带入到状态预测公式X(k+1|k)＝F(k)*X(k|k)，得到一步状态预测向量X_p(k+1)；将状态向量X(k+1|k+1)以及一步预测状态向量X_p(k+1)分别带入到测量方程

得到卡尔曼滤波输出的滤波值向量Z_f＝(θ_f,R_f)^T与预测值向量Z_p＝(θ_p,R_p)^T；

步骤7)：组合信号跟踪输出

步骤6得到滤波值(θ_f,R_f)与步骤5.c得到的测量值V_m组合，作为跟踪输出结果(θ_f,R_f,V_m)；预测值向量Z_p＝(θ_p,R_p)^T作为下周期步骤2中目标位置粗判的输入参数，迭代下周期目标跟踪。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种主动声纳单频跟踪方法，其特征在于：该方法具体包括：

步骤7)：重复步骤2)～步骤6)，直到跟踪结束。

2.根据权利要求1所述的主动声纳单频跟踪方法，其特征在于：步骤5)中距离测量值的获取根据实际需求选择适合的跟踪关联准则进行，并设定目标检测门限；若该周期没有符合条件的测量值获取，则认为该次测量丢失，该周期距离、角度以预推值输出；跟踪结束通过人为设定实现，或根据适当的跟踪结束准则判定。