王珺琳,陳 博

(中國電子科學研究院，北京 100041)

基于運動目標的OBF方法檢測性能分析

王珺琳,陳 博

(中國電子科學研究院，北京 100041)

航空磁異常探測是航空反潛的重要技術(shù)手段?，F(xiàn)有的磁異常探測方法多是基于靜止目標的假設(shè)條件，本文基于標準正交基分解(OBF)方法，建立了運動目標下的OBF檢測模型，并給出了理論推導，分析說明了運動目標對OBF方法檢測性能的影響，最后給出了不同目標速度和航向下的計算機仿真結(jié)果，驗證了理論分析的正確性。

磁異常檢測；運動目標；OBF

0 引 言

航空磁探儀作為一種有效的被動探潛設(shè)備，通過感知磁性目標擾動地磁場所產(chǎn)生的磁異常信號實現(xiàn)對潛艇目標的探測，具有隱蔽性好、連續(xù)搜索、使用簡單可靠、定位精度高等優(yōu)點[1]。

當目標距離傳感器較近時，通過計算磁信號幅值就可以實現(xiàn)磁異常信號檢測，文獻[2-5]分別分析了不同條件下目標產(chǎn)生的磁異常信號對磁探儀探測性能的影響。隨著距離的增大，信號強度逐漸減弱，簡單的幅值計算無法檢測到背景噪聲中的目標信號，此時最為有效的方法為能量檢測，主要從目標磁場特征和背景磁場特征兩方面著手，其中，基于目標磁場特征的最具代表性的研究為Boris Ginzburg等人在2002年提出的標準正交基分解(OBF)方法[6]，但OBF算法要求背景噪聲滿足高斯白噪聲假設(shè)，因而實際應(yīng)用時需要針對環(huán)境數(shù)據(jù)進行算法的修正以獲得更佳的檢測效果，為此，國內(nèi)學者張堅、陳敏等人分別提出了基于小波域OBF分解的磁異常信號檢測算法[7]和一種自適應(yīng)磁異信號檢測算法[8]以改善地磁背景噪聲非高斯帶來的影響，現(xiàn)有大部分基于目標特征的磁異常檢測方法都是從OBF算法演變而來。另一類磁異常檢測方法是基于背景噪聲(地磁場)特征分析，認為存在磁性目標時，背景噪聲的信號特征會發(fā)生改變，利用該變化實現(xiàn)目標磁場信號的檢測，該類方法的好處是無需對目標信號形式進行假設(shè)?；诒尘霸肼曁卣鞯拇女惓z測成果也多來自于Boris Ginzburg團隊的研究，主要包括最小熵濾波(MED)算法[9]和高階過零檢測(HOC)算法[10]。

能量檢測方法對不同的目標磁矩具有穩(wěn)定的性能，但現(xiàn)有的檢測方法多是基于目標靜止的假設(shè)條件，沒有考慮目標運動對檢測性能的影響。本文以O(shè)BF方法為基礎(chǔ)，通過建立運動目標的OBF模型，分析了不同的目標速度及航向下的仿真結(jié)果，驗證了不同條件下目標運動對檢測性能的影響。

1 OBF模型

OBF方法[6]將潛艇偶極子模型分解成三個正交基底線性組合的形式，然后利用背景噪聲與該分解基底不相關(guān)的特性，通過接收數(shù)據(jù)與三個不同正交基底的乘積求和達到目標信號能量積累的目的。其原理框圖如圖1所示。

圖1 OBF磁異檢測算法流程圖

當目標距離磁傳感器的距離大于目標尺度的2-3倍時，目標可被看作是磁偶極子，由磁偶極子模型可知，空間任一點處的磁場強度為[11-12]：

(1)

由于潛艇的磁感應(yīng)強度的模值遠小于地磁場，因此，標量磁探儀測得的磁異常值可以表示為：

(2)

建立如圖2所示的坐標系，且假設(shè)目標靜止，以目標為原點，傳感器運動方向為X軸，垂直向上為Z軸，R0為目標到傳感器運動軌跡的最短距離，D為傳感器在坐標系下的橫坐標，且令ω=D/R0。

圖2 目標模型坐標系

(4)

其中，

(5)

an是和地磁矢量、目標磁矩矢量有關(guān)的系數(shù)。且正交基底滿足如下關(guān)系：

(6)

則構(gòu)建能量檢測準則為：

(8)

其中：

(7)

2 運動目標OBF模型

當目標以速度vm和方向α運動時(為便于分析，這里考慮目標僅在XY平面運動，且與X軸夾角為α)，則目標運動的距離矢量為ro=(uR0cosα,uR0sinα,0)，坐標關(guān)系如圖3所示。

圖3 運動目標模型坐標系

這里令u=Do/R0，Do為目標橫坐標。因此公式(1)中的距離矢量變?yōu)椋?/p>

rv=r-ro=

(8)

為了便于分析，這里考慮β=0時的情況，因此，運動目標模型寫成公式(4)的形式為：

(9)

(10)

(11)

目標運動對OBF的影響主要體現(xiàn)在不再滿足公式(6)，即：

(12)

顯然，C越接近1，公式(6)越成立，對OBF檢測性能的影響越小。

3 仿真試驗

(1)目標航向和速度對目標磁信號的影響

圖4(a)給出了目標航向為0°時，目標靜止及目標速度和載體速度比率分別為0.25和0.5時的接收目標磁信號對比；圖4(b)給出了目標靜止及目標和載體速度比率為0.5時，目標航向分別為0°、90°時的接收目標磁信號對比。

圖4 目標航向和速度對目標磁信號的影響

從圖4中曲線可以看出，目標運動會使目標信號產(chǎn)生幅值變化及峰值/谷值偏移等問題，并且從圖中可以看出，速度比率越大，運動目標磁信號越偏離靜止目標磁信號；相同速度比率下，目標航向不同也會影響目標磁信號，航向為0°時產(chǎn)生的變化大于航向為90°時的情況。

(2)目標航向和速度對正交基積分值的影響

圖5 目標航向和速度對正交基積分值的影響

對比圖5(a)中曲線，可以看出，隨著速度比率的增加，兩個正交基乘積的積分值越偏離1，目標航向為0°時，偏離最大，也就是說速度比率越大，對OBF的影響越大，且該情況下目標航向為0°時對OBF的影響最大；對比圖5(b)中曲線，可以看出，隨著目標航向的變化，兩個正交基乘積的積分值呈現(xiàn)了非單調(diào)的變化形式，在目標航向為78°左右(臨界點)時，積分值接近于1，即目標航向?qū)BF的影響最小。

(3)目標航向和速度對OBF檢測結(jié)果的影響

圖6(a)給出了無噪聲條件下目標靜止時和目標以航向0°，速度比率分別為0.1、0.5和0.9運動時的OBF仿真結(jié)果；圖6(b)給出了信噪比為-5dB條件下目標靜止時和目標以航向0°、速度比率分別為0.1、0.5和0.9運動時的OBF仿真結(jié)果。

圖6 目標航向和速度對OBF檢測結(jié)果的影響

對比圖6中曲線，可以看出，當目標運動速度小于載體速度的一半時，對OBF的檢測結(jié)果幾乎沒有影響，當目標速度增大到接近載體速度時，目標運動對OBF帶來的主要影響為旁瓣過高，峰寬擴展偏移，OBF算法幾乎失效。

4 結(jié) 語

本文通過對運動目標OBF模型的理論推導和仿真計算，對比分析了不同目標速度、目標航向等因素對目標磁信號及OBF檢測性能的影響，仿真結(jié)果表明目標速度越大對OBF檢測性能影響越大，且目標航向為90°時的影響要小于目標航向0°和180°；此外當目標運動速度明顯小于載體速度時，對OBF算法的檢測性能影響不大，當目標速度接近載體速度時，OBF算法失效。本文主要分析了目標運動對OBF檢測性能的影響，并且文中做了適當?shù)暮喕瘲l件，后續(xù)工作將進一步研究更加具有普適性的磁異常檢測模型。

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The Analysis of OBF Detection Performance Based on Moving Object

WANG Jun-lin, CHEN Bo

(China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 100041，China)

The Aeromagnetic Exploration is the main method in Air Anti-Submarine. Most of magnetic anomaly detection methods are based on the assumption that the object is static. An model of moving object based on orthonormalized functions detection is proposed in the paper, and the theoretical calculation is made, which analyzes the effect of moving object for OBF detection performance. The simulation results based on different velocity and course of the moving object are given in the end, which indicate the theoretical analysis is correct.

magnetic anomaly detection；moving object；OBF

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.01.009

2016-12-09

2017-01-15

王珺琳(1986—)，女，黑龍江人，博士。

E-mail:kuailewujiang@126.com

陳 博(1985—)，女，河南人，博士，主要研究方向為SAR圖像目標識別，機器學習。

P631.2

A

1673-5692(2017)01-047-05