[發明專利]一種水聲多目標自主檢測與方位跟蹤方法

在審

• 申請號: 201310703672.4
• 申請日: 2013-12-19
• 公開（公告）號: CN104730528A
• 公開（公告）日: 2015-06-24
• 發明（設計）人: 李崢;黃海寧;李宇
• 申請（專利權）人: 中國科學院聲學研究所
• 主分類號: G01S15/66
• 分類號: G01S15/66
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;王敬波

技術領域

本發明屬于聲納數字信號處理領域，特別涉及一種無人工干預情況下水聲多目標自主檢測與方位跟蹤方法，可以直接用于無人值守的聲納系統，如水下無人航行器探測聲納等。

背景技術

水下探測聲納在得到波束曲線后，需要進行目標檢測，并對目標方位進行連續跟蹤，以獲取穩定準確的連續目標方位信息，即獲取目標穩定的航跡。現有技術中，常規做法是：人工設置檢測閾值，并根據實際情況進行實時調節，并對目標跟蹤結果進行實時糾正，保證目標檢測與跟蹤穩定正確。

針對水下聲納系統的工作環境和實時性特點，現有的多目標方位檢測與跟蹤主要面臨以下兩個問題：

由于水聲環境的復雜性以及平臺噪聲的影響，目標方位的檢測結果不可避免地存在測量誤差，并且會出現不確定的中斷和野值，需要在降低虛警概率的情況下盡可能保持目標航跡的連續穩定，剔除雜波和野值的干擾；

當多個目標的方位長時間相互接近，或者出現交叉的情況時，多個觀測方位可能會落入一個跟蹤門內，或者一個觀測值位于多個關聯區域內，如何確保觀測方位和已知航跡的正確關聯是一個非常復雜而困難的問題；

在人工干預的情況下，這些問題可以通過人工智能來較好的解決，如根據實際的背景噪聲調整檢測閾值，降低檢測虛警率的同時提高檢測概率，另外在多目標跟蹤過程中，可以實時矯正跟蹤結果，保證目標航跡不會出錯。但對于無人值守的聲納系統，尤其是應用在無人航行器上的主動或被動探測聲納，缺少人工干預和調節，這些因素會導致聲納系統難以穩定準確的獲取目標方位信息，從而使聲納的功能大打折扣。

因此，實際應用中需要一種能夠在無人工干預情況下，對水聲多目標進行穩定檢測與方位跟蹤的方法。

發明內容

本發明目的在于，克服無人工干預情況下多目標跟蹤過程中面臨的水聲環境復雜性引起的方位歷程出現的不確定中斷和野值，以及多個目標的方位相互接近甚至航跡交叉的難題，從而提出一種無人工干預情況下水聲多目標自主檢測與方位跟蹤方法。

本發明綜合考慮這些問題，結合數據關聯和方位預置跟蹤算法，一方面提出了自主方位檢測實現了對波束曲線的自動檢測，改進了閾值檢測方法，以在能獲取較好檢測效果的基礎上，更便于工程實現。另一方面，提出了一種適用于無人工干預情況下的基于前向預測和檢測更新數據關聯的多目標自主方位跟蹤算法，能夠獲取穩定準確的連續目標方位信息，即提供目標穩定的航跡信息。基本原理如圖1所示。

數據關聯是本發明的重要過程，也是多目標跟蹤技術中最重要和最困難的問題，其作用是把當前時刻觀測到的有效目標方位與已知航跡進行比較并配對。

方位濾波是根據數據關聯結果，對目標方位航跡進行濾波，用來消除觀測誤差的影響，一般采用卡爾曼濾波就可以實現；方位預測是依據平臺和目標的運動模型，根據已有航跡對下一時刻的目標方位做一步預測，完成數據關聯的準備工作，同時為跟蹤門的設置提供參考信息，方位濾波和預測共同組成了跟蹤維持過程。目標航跡的發現與清除分別通過跟蹤起始和終止的判決做出。

本發明的方法詳細流程如圖2所示，方法的核心思想是設置一個二維緩存數組存儲目標航跡，用于預測目標下一個時刻的方位，與檢測值進行數據關聯，確保目標航跡不會因為方位漏檢而中斷。

本發明的方法通過設置一個二維緩存數組存儲目標航跡，用于預測目標下一個時刻的方位，與檢測值進行數據關聯，結合數據關聯和方位預置跟蹤算法，獲取穩定準確的連續目標方位信息；

具體步驟描述如下：

1）自主方位檢測

對于當前t_k時刻數據快拍的波束曲線B_i(t_k)(i=1,2,…,360°)進行自主方位檢測，假設檢測到了M個目標，方位分別表示為θ_m(t_k)(m=1,2,…,M)，將這些方位測量值輸入跟蹤系統。這一步驟在聲納目標檢測與跟蹤過程中是必須的，本發明的自主方位檢測只是改進了常規的閾值檢測方法，以在能獲取較好檢測效果的基礎上，更便于工程實現。方位測量值就是從波束曲線中檢測出來的。

2）方位預測

對于此前存在的每個目標，根據所記錄的航跡θ_n(t_i)(i=1,2,…,k-1)預測目標在當前快拍的方位θ_n'(t_k)，預測之前首先檢測水下無人平臺的航向角速度，判斷平臺的運動方式：