江向東

(水聲對(duì)抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司船舶系統(tǒng)工程部，北京100036)

水下高速目標(biāo)多傳感器聯(lián)合譜特征分布識(shí)別方法

江向東

(水聲對(duì)抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司船舶系統(tǒng)工程部，北京100036)

單傳感器探測(cè)頻段在目標(biāo)識(shí)別具有一定的局限性。探討利用多頻段傳感器進(jìn)行聯(lián)合判定的思路，包括利用航跡聯(lián)合關(guān)聯(lián)、特征優(yōu)化綜合和聯(lián)合識(shí)別的方法。

矢量水聽(tīng)器;目標(biāo)分類

0 引言

高速目標(biāo)識(shí)別是進(jìn)行軟硬對(duì)抗的前提，目標(biāo)識(shí)別可利用的資源包括各聲吶跟蹤目標(biāo)的LOFAR譜、DEMON譜、目標(biāo)方位能量信息、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析信息和目標(biāo)脈沖偵察信息等。其中，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析信息與目標(biāo)高速特征直接相關(guān)，但是受到解算時(shí)間的影響，經(jīng)常無(wú)法滿足識(shí)別的實(shí)效性要求，且對(duì)于水下高速機(jī)動(dòng)目標(biāo)，其運(yùn)動(dòng)軌跡與假設(shè)模型相差較大。基于方位能量，但是受到相對(duì)態(tài)勢(shì)的影響，只能作為輔助因素之一。綜合各種因素進(jìn)行聯(lián)合識(shí)別是水下平臺(tái)識(shí)別高速小目標(biāo)的發(fā)展趨勢(shì)。但目標(biāo)探測(cè)跟蹤的不同階段，需要有較為可靠的方法作為主識(shí)別器，再輔以上述各種信息進(jìn)行加權(quán)綜合。由于頻段差異和平臺(tái)噪聲的影響，利用LOFAR譜識(shí)別難度很大，準(zhǔn)確率低，因此基于DEMON譜的識(shí)別是目前較為可靠的途徑。目前，水下平臺(tái)對(duì)于目標(biāo)的識(shí)別尚局限于單傳感器探測(cè)頻段的識(shí)別，沒(méi)有充分利用多個(gè)頻段之間的互補(bǔ)性。本文探討利用多傳感器探測(cè)信息進(jìn)行聯(lián)合識(shí)別的思路，包括利用特征優(yōu)化綜合和聯(lián)合識(shí)別的方法等。

1 多傳感器多頻段聯(lián)合識(shí)別

1.1 基于歷程的目標(biāo)關(guān)聯(lián)

對(duì)目標(biāo)進(jìn)行聯(lián)合識(shí)別的首要問(wèn)題是目標(biāo)關(guān)聯(lián)，否則就失去了聯(lián)合識(shí)別的基礎(chǔ)，對(duì)于水下平臺(tái)，2部殼體傳感器的位置相近，對(duì)于遠(yuǎn)程目標(biāo)如果目標(biāo)一致，則方位線走向基本一致，其方位線之間的差別主要來(lái)自位置差異和探測(cè)誤差。對(duì)于近處目標(biāo)，安裝位置的差異影響變大。假設(shè)傳感器陣中心之間的位置差為D=30 m，目標(biāo)距離為d，當(dāng)目標(biāo)從遠(yuǎn)及近高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于距離的變化引起探測(cè)方位不一致性，在500 m范圍外，方位差保持大約小于2°，低于傳感器最小分辨角度，可進(jìn)行歷程關(guān)聯(lián)。方位歷程關(guān)聯(lián)可采用最近鄰法，采用方位差序列均方差判定，即時(shí)間T內(nèi)，2個(gè)傳感器對(duì)跟蹤目標(biāo)的方位測(cè)量差序列的均方差。判定門限需考慮2種誤差，由于傳感器安裝位置不同帶來(lái)系統(tǒng)誤差和探測(cè)方位誤差。例如在5 000 m范圍內(nèi)，系統(tǒng)誤差小于2°，探測(cè)誤差假設(shè)2個(gè)傳感器誤差小于1°，則判定2個(gè)目標(biāo)方位走勢(shì)一致的門限值可取3°，小于3.4°認(rèn)為是同一個(gè)目標(biāo)。

T的選擇，航跡歷史選擇較短時(shí)間時(shí)，關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)增加。方位歷程關(guān)聯(lián)是比較目標(biāo)相對(duì)2個(gè)傳感器方位走向趨勢(shì)的異同，T至少需要大于30 s，以便于區(qū)分特殊態(tài)勢(shì)下并行多目標(biāo)問(wèn)題。對(duì)于非并行目標(biāo)，通過(guò)選擇合適的統(tǒng)計(jì)時(shí)間T可區(qū)分，對(duì)于水下高速目標(biāo)，與其他目標(biāo)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)方位線并行的概率較低。

1.2 多頻段譜特征優(yōu)化和提取

多頻段DEMON譜優(yōu)化的原理為:對(duì)于幅度大于一定門限的譜線，取多個(gè)傳感器DEMON譜中幅度最大的作為優(yōu)化譜對(duì)應(yīng)頻率的幅度，小于門限的取最小幅度或者設(shè)置為0，并依據(jù)超過(guò)幅度門限的傳感器個(gè)數(shù)進(jìn)行加權(quán)處理，對(duì)于M(大于2)個(gè)傳感器情況，如果有m個(gè)傳感器的DEMON譜的幅度在該頻點(diǎn)超過(guò)門限，則該頻點(diǎn)加權(quán)幅度為m/M。優(yōu)化后，可得到不同傳感器最為明顯的線譜成分，有利于特征提取。

圖3 優(yōu)化后的目標(biāo)DEMON譜Fig.3 The optimized DEMON spectrum

一般而言，目標(biāo)在勻速狀態(tài)下，窄帶線譜頻率比較穩(wěn)定，線譜幅度受到運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、傳播衰減及多途影響較大，相比之下，頻率穩(wěn)定度好于幅度穩(wěn)定度。如果采取幅度提取的準(zhǔn)則，若判定門限固定，則存在漏檢的概率。利用頻率穩(wěn)定度來(lái)提取線譜，是在較低幅度門限的基礎(chǔ)上，分頻段統(tǒng)計(jì)線譜頻率方差，并將方差轉(zhuǎn)化為線譜穩(wěn)定程度判定量。步驟如下:

1)將聲吶跟蹤目標(biāo)波束輸出的DEMON譜進(jìn)行門限過(guò)濾，去除噪聲干擾;

2)將過(guò)濾后的頻譜進(jìn)行頻段劃分;統(tǒng)計(jì)每個(gè)頻段中的最大值，并記錄其頻率值，

3)統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)，各頻段最大值所對(duì)應(yīng)頻率序列的方差;

4)將方差轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定度幅度。假設(shè)在統(tǒng)計(jì)時(shí)間T內(nèi)，頻段i線譜的頻率分別為fi(j)，其頻率方差為:

則線譜穩(wěn)定度幅度為指數(shù)法:

頻率方差估計(jì)根據(jù)頻域上每個(gè)子帶內(nèi)線譜的頻率的穩(wěn)定度，對(duì)線譜幅度進(jìn)行加權(quán)處理，能提取頻率穩(wěn)定的目標(biāo)線譜?；陬l率方差估計(jì)的穩(wěn)定線譜提取在跟蹤波束中存在干擾目標(biāo)情況下，克服了線譜幅度起伏較大，能提取目標(biāo)線譜特征。其缺點(diǎn)是對(duì)于具有高信噪比線譜，在其頻率不穩(wěn)定情況下，難以有效提取。為了克服高速目標(biāo)線譜可能漂移帶來(lái)的影響，線譜幅度應(yīng)該是以穩(wěn)定度幅度進(jìn)行加權(quán)。

2 調(diào)制譜線譜分布特征量分析

利用目標(biāo)DEMON譜可提取目標(biāo)的軸頻信息，但在低信噪比下，線譜較為雜亂。有些情況下，在DEMON譜中有非調(diào)制原因的線譜成分，此時(shí)計(jì)算機(jī)自動(dòng)算法對(duì)軸頻的提取很不穩(wěn)定，適用性差。可考慮利用線譜的分布特征來(lái)判斷高速目標(biāo)，考慮如下分布特征:

1)能量排列靠前的M個(gè)線譜的頻率分布

設(shè)定頻率門限F，在幅度排列靠前的M個(gè)線譜中，每找到1個(gè)頻率超過(guò)F的譜線，高速目標(biāo)置信度增加;在信噪比(線譜相對(duì)連續(xù)譜背景)排列靠前的M個(gè)線譜中，每找到1個(gè)頻率超過(guò)F的譜線，高速目標(biāo)置信度增加。

2)幅度、信噪比加權(quán)平均頻率分布

依次統(tǒng)計(jì)幅度或信噪比排列靠前的k(k=1，2，…，M)個(gè)線譜的幅度加權(quán)平均頻率，

利用上述規(guī)則，對(duì)23批實(shí)際目標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)不同的傳感器工作頻段的線譜特征進(jìn)行綜合優(yōu)化、提取和識(shí)別，識(shí)別結(jié)果列入表1。

?

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)水下高速目標(biāo)應(yīng)采取多信息綜合識(shí)別，建立基于數(shù)據(jù)庫(kù)信息和經(jīng)驗(yàn)規(guī)則相結(jié)合的判定機(jī)制。在目標(biāo)遠(yuǎn)程發(fā)現(xiàn)跟蹤階段，由于目標(biāo)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析不能很快給出速度信息，應(yīng)盡量依據(jù)多傳感器的探測(cè)信息進(jìn)行綜合特征判定。本文討論了利用多傳感器的DEMON譜進(jìn)行綜合優(yōu)化后，提取線譜特征分布特性來(lái)判定高速目標(biāo)，可作為經(jīng)驗(yàn)規(guī)則用于對(duì)水下高速小目標(biāo)的判定。

Line spectrum distribute based high speed underwater viecle classification menthod

JIANG Xiang-dong
(Science and Technology on Underwater Acoustic Antagonizing Laboratory，Systems Engineering Research Institute of CSSC，Beijing 100036，China)

In this paper，a method of acoustic target corration and recognization based on rediated noise linespectrum distribute is disscussed.The method can be used for surface or underwater target classification.

target recognization;linespectrum extraction

TB565

A

1672－7649(2012)04－0086－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.04.020

2011－05－25

江向東(1979－)，男，主要從事水聲信號(hào)處理等研究工作。