基于高刷新率声脉冲的水下弱目标回波检测前跟踪方法技术

基于高刷新率声脉冲的水下弱目标回波检测前跟踪方法，涉及信号处理领域，针对现有技术中由于水下环境不稳定带来的干扰及刷新率低进而导致探测效率低的问题，包括以下步骤：步骤一：基于高功率低刷新率信号，使其在同一周期内增加发射声脉冲个数，且在周期内发射能量一定的情况下降低单个发射声脉冲的功率，得到低功率高刷新率信号，并将其作为发射信号；步骤二：将主动声纳探测系统接收到的回波信号进行匹配滤波处理；步骤三：结合弱目标的运动状态及步骤二中匹配滤波处理的结果建立目标的状态方程及量测方程；步骤四：将步骤二得到的量测值结合步骤三中建立的运动方程及量测方程，然后通过检测前跟踪方法进行处理，得到弱目标的检测、跟踪结果。

【技术实现步骤摘要】
基于高刷新率声脉冲的水下弱目标回波检测前跟踪方法
本专利技术涉及信号处理领域，具体为一种基于高刷新率声脉冲的水下弱目标回波检测前跟踪方法。
技术介绍
无论是军事还是民事领域，水下弱目标的检测与跟踪一直是一个热点与难点问题。在水声探测中，主动探测由于具有可控性强、准确性高等优点被广泛应用。但是针对于水下弱目标的主动探测仍然是一个难点。首先，对于远距离目标探测，声脉冲的发射周期长，目标在此期间极易发生机动，发射信号的刷新率低导致探测效率降低，会出现目标的错跟、漏跟等情况。其次，在探测过程中，水声环境存在着各种各样的未知干扰，十分不稳定，导致弱目标的很容易淹没在此类干扰中，检测出的可观测点迹或断断续续或虚警过多，给后续跟踪带来困难。传统的检测与跟踪过程为获得传感器的原始数据，对单帧数据进行检测，检测门限可以为固定值或自适应值，检测出来的点迹作为量测值输入到跟踪系统中，由跟踪算法估计目标的运动航迹。针对于水下弱目标检测，由于水下环境复杂，固定检测门限设置困难，若门限太高则容易漏检，门限太低则虚警太多，对后续跟踪不利；自适应门限也容易受各种参数及强干扰影响，导致弱目标的虚警及漏检。检测效果的好坏会直接影响到后续的跟踪结果，若虚警过多，则容易导致跟踪轨迹偏移；若漏检过多，则容易导致跟踪中断。
技术实现思路
本专利技术的目的是：针对现有技术中由于水下环境不稳定带来的干扰及刷新率低进而导致探测效率低的问题，提出一种基于高刷新率声脉冲的水下弱目标回波检测前跟踪方法。本专利技术为了解决上述技术问题采取的技术方案是：基于高刷新率声脉冲的水下弱目标回波检测前跟踪方法，包括以下步骤：步骤一：基于高功率低刷新率信号，使其在同一周期内增加发射声脉冲个数，且在周期内发射能量一定的情况下降低单个发射声脉冲的功率，得到低功率高刷新率信号，并将其作为发射信号；步骤二：将主动声纳探测系统接收到的回波信号进行匹配滤波处理；步骤三：结合弱目标的运动状态及步骤二中匹配滤波处理的结果建立目标的状态方程及量测方程；步骤四：将步骤二得到的量测值结合步骤三中建立的运动方程及量测方程，然后通过检测前跟踪方法进行处理，得到弱目标的检测、跟踪结果。进一步的，所述步骤一中低功率高刷新率信号的单脉冲功率计算过程为：假设发射信号为s(t)，单个发射声脉冲的功率为P1ping，T0为信号脉宽，当在信号的发射周期T内信号的发射次数为1，即刷新率为1ping/T时，在周期T内的发射总能量W为：W＝P1ping·T0(1)当发射信号的刷新率变为则：W＝PNping·NT0(2)通过(1)和(2)得到当信号的刷新率变为Nping/T时，发射信号的单个声脉冲的功率为：PNping＝P1ping/N。(3)进一步的，所述步骤二中主动声纳探测系统为收发合置主动声纳探测系统。进一步的，所述步骤一中低功率高刷新率信号为LFM信号。进一步的，所述步骤二中匹配滤波处理的公式为：其中，r(k)为k时刻目标距接收基元的距离，c为声速，T0为信号脉宽，Ar为接收信号幅值，K为调制指数。进一步的，所述步骤三中弱目标的运动状态为：X(k)＝[r(k)vr(k)A(k)]′(5)r(k)为k时刻目标距接收基元的距离，vr(k)为r(k)的速度，A(k)为目标的能量幅值。进一步的，所述步骤三中运动状态方程为：其中，qr为随机加速度，qA为能量的状态噪声。进一步的，所述步骤三中量测方程为：其中，其中(k-1)T≤t≤kT，r(k)为k时刻目标距接收基元的距离，A(k)为目标的能量幅值。进一步的，所述步骤四的具体步骤为：步骤四一：在一定的位置、速度范围内，按照均匀分布产生N个粒子，得到各个粒子的初始状态Xi(0)，同时按照目标初始存在概率PD(0)为每一个粒子赋予标记状态Ei(0)；步骤四二：对粒子标记状态进行转移，其转移过程如下：P(Ei(k)＝1|Ei(k-1)＝0)＝Pbirth(9)P(Ei(k)＝1|Ei(k-1)＝1)＝1-Pbirth(10)P(Ei(k)＝0|Ei(k-1)＝1)＝Pdeath(11)P(Ei(k)＝0|Ei(k-1)＝0)＝1-Pdeath(12)其中，Pbirth表示目标从不存在转移至存在的概率，Pdeath表示目标从存在转移至不存在的概率；步骤四三：对运动状态及量测值进行预测，其公式分别为步骤四四：利用似然函数对每个粒子的权值进行计算，其具体步骤为：首先假设Ei(k)＝0的粒子的权值为1，则只计算Ei(k)＝1的粒子的权重，即利用二者的似然比表示Ei(k)＝1的粒子的权值，步骤四五：通过每个粒子的权值对粒子进行重采样，其具体步骤为：首先将权值大的粒子进行复制，权值小的粒子删除，粒子总数不变，每个粒子的权值变为步骤四六、计算重采样后标记Ei(k)＝1粒子的数量，记为Ne，则k时刻的目标存在概率定义为将目标存在概率与给定的门限Pth(k)进行比较，若PE(k)＞Pth(k)，则该时刻目标检测成功，然后对目标状态进行估计：本专利技术的有益效果是：一、本专利技术利用传感器的原始多帧积累数据，直接利用检测前跟踪算法进行处理，再将得到的检验统计量通过门限进行判决，最终同时输出目标的检测与估计结果。直接利用传感器原始数据，不会丢失有用的量测值；二、本专利技术在跟踪的状态中加入了能量的信息，拓展了跟踪的维度；三、本专利技术避免了传统跟踪中的数据关联步骤；四、本专利技术利用非相参积累的办法，对目标的能量进行累积，达到了弱目标检测的效果；五、本专利技术增加同周期内发射脉冲的个数，既保持同一发射时间段内输出能量相同，又增加发射信号的ping率，而每一个信号的发射脉冲幅值下降。这样，虽然针对于每一个单脉冲的检测概率下降，但结合检测前跟踪方法，使得点迹的检测成为跟踪后形成的航迹检测，由能量积累后再进行检测，使得检测概率提高，虚警概率下降，探测效率高。附图说明图1为收发合置探测系统示意图；图2为xy坐标目标运动轨迹图；图3为目标接收距离历程图；图4为目标接收信噪比图；图5(a)为高检测门限下的先检测后跟踪结果图；图5(b)为低检测门限下的先检测后跟踪结果图；图6(a)为信号刷新率为3ping/T时的信号匹配滤波结果；图6(b)为信号刷新率为3ping/T时的检测前跟踪结果；图6(c)为信号刷新率为3ping/T时的某一时间切片下的幅值估计图；图6(d)为信号刷新率为5ping/T时的信号匹配滤波结果；图6(e)为信号刷新率为5ping/T时的检测前跟踪结果；图6(f)为信号刷新率为5ping/T时的某一时间切片本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于高刷新率声脉冲的水下弱目标回波检测前跟踪方法，其特征在于包括以下步骤：/n步骤一：基于高功率低刷新率信号，使其在同一周期内增加发射声脉冲个数，且在周期内发射能量一定的情况下降低单个发射声脉冲的功率，得到低功率高刷新率信号，并将其作为发射信号；/n步骤二：将主动声纳探测系统接收到的回波信号进行匹配滤波处理；/n步骤三：结合弱目标的运动状态及步骤二中匹配滤波处理的结果建立目标的状态方程及量测方程；/n步骤四：将步骤二得到的量测值结合步骤三中建立的运动方程及量测方程，然后通过检测前跟踪方法进行处理，得到弱目标的检测、跟踪结果。/n

【技术特征摘要】
1.基于高刷新率声脉冲的水下弱目标回波检测前跟踪方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：基于高功率低刷新率信号，使其在同一周期内增加发射声脉冲个数，且在周期内发射能量一定的情况下降低单个发射声脉冲的功率，得到低功率高刷新率信号，并将其作为发射信号；
步骤二：将主动声纳探测系统接收到的回波信号进行匹配滤波处理；
步骤三：结合弱目标的运动状态及步骤二中匹配滤波处理的结果建立目标的状态方程及量测方程；
步骤四：将步骤二得到的量测值结合步骤三中建立的运动方程及量测方程，然后通过检测前跟踪方法进行处理，得到弱目标的检测、跟踪结果。


2.根据权利要求1所述的基于高刷新率声脉冲的水下弱目标回波检测前跟踪方法，其特征在于所述步骤一中低功率高刷新率信号的单脉冲功率计算过程为：
假设发射信号为s(t)，单个发射声脉冲的功率为P1ping,T0为信号脉宽，当在信号的发射周期T内信号的发射次数为1，即刷新率为1ping/T时，在周期T内的发射总能量W为：
W＝P1ping·T0(1)
当发射信号的刷新率变为则：
W＝PNping·NT0(2)
通过(1)和(2)得到当信号的刷新率变为Nping/T时，发射信号的单个声脉冲的功率为：
PNping＝P1ping/N(3)。


3.根据权利要求1所述的基于高刷新率声脉冲的水下弱目标回波检测前跟踪方法，其特征在于所述步骤二中主动声纳探测系统为收发合置主动声纳探测系统。


4.根据权利要求3所述的基于高刷新率声脉冲的水下弱目标回波检测前跟踪方法，其特征在于所述步骤一中低功率高刷新率信号为LFM信号。


5.根据权利要求4所述的基于高刷新率声脉冲的水下弱目标回波检测前跟踪方法，其特征在于所述步骤二中匹配滤波处理的公式为：



其中，r(k)为k时刻目标距接收基元的距离，c为声速，T0为信号脉宽，Ar为接收信号幅值，K为调制指数。


6.根据权利要求5所述的基于高刷新率声脉冲的水下弱目标回波检测前跟踪方法，其特征在于所述步骤三中弱目标的运动状态为：
X(k)＝[r(k)vr(k)A(k)]′(5)
r(k)为k时刻目标距接收基元的距离，vr(k)为r(k...

【专利技术属性】
技术研发人员：张殿伦，高林森，滕婷婷，孙大军，兰华林，梅继丹，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23