基于共址MIMO圖像聲納的水下運(yùn)動(dòng)小目標(biāo)檢測(cè)跟蹤技術(shù)研究.pdf

1、近年來(lái)，利用蛙人等小型武器進(jìn)行近岸襲擊和破壞的危害性越來(lái)越大，小目標(biāo)探測(cè)成為近岸警戒的主要任務(wù)之一。但在復(fù)雜的近岸淺海環(huán)境下，強(qiáng)噪聲、強(qiáng)混響和強(qiáng)雜波的背景使小目標(biāo)探測(cè)聲納很容易發(fā)生“近視眼”或“狼來(lái)了”的現(xiàn)象，也就是檢測(cè)概率不夠且虛警概率過(guò)高，這也是小目標(biāo)探測(cè)亟待解決的難題。小目標(biāo)探測(cè)聲納屬于高分辨圖像聲納，涉及的技術(shù)有小目標(biāo)高分辨成像技術(shù)、混響雜波抑制技術(shù)、低信噪比動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)小目標(biāo)跟蹤技術(shù)和小目標(biāo)識(shí)別技術(shù)。在滿足預(yù)

2、警距離要求下如何提高成像分辨率，在低信噪比條件下如何保證小目標(biāo)檢測(cè)跟蹤性能的問(wèn)題是論文的主要方向。論文工作主要有四部分：共址 MIMO（Multi-Input-Multi-Output）聲納高分辨成像、聲圖像序列動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、分裂波束相位圖像序列動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和水下運(yùn)動(dòng)小目標(biāo)的檢測(cè)與跟蹤。
　　第一部分工作主要圍繞共址 MIMO聲納高分辨成像方法展開(kāi)研究。論文將共址MIMO技術(shù)引入高分辨圖像聲納中，獲得虛擬孔徑，提高成像方位分辨率和信噪

3、比處理增益。論文首先建立了MIMO聲納信號(hào)模型，研究了共址MIMO聲納成像原理，在常規(guī)波束形成算法基礎(chǔ)上推導(dǎo)出共址 MIMO聲納近場(chǎng)聚焦寬帶波束形成成像算法，仿真分析了基于波形分集的共址MIMO聲納近場(chǎng)寬帶成像的性能優(yōu)越性；并構(gòu)建2發(fā)18收信道水池試驗(yàn)系統(tǒng)，分析驗(yàn)證了共址MIMO聲納的成像性能和抗混響能力。
　　傳統(tǒng)跟蹤前檢測(cè)（Detec-Before-Track, DBT）方法的基于單幀圖像檢測(cè)的檢測(cè)概率較低，虛假雜波較多，而檢

4、測(cè)前跟蹤（Track-Before-Detect, TBD）方法適用于微弱目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤，因此第二部分和第三部分圍繞水下運(yùn)動(dòng)小目標(biāo)的檢測(cè)前跟蹤（TBD）算法開(kāi)展工作。其中第二部分提出了一種基于聲圖像序列的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法，共址 MIMO圖像聲納可獲取三維距離－方位—幀時(shí)間圖像序列，將三維圖像序列累積投影成二維距離－方位圖像；利用改進(jìn)的二維CFAR軌跡檢測(cè)器，對(duì)累積圖像進(jìn)行軌跡檢測(cè)（即第一閾值檢測(cè)）；利用Hough變換將檢測(cè)結(jié)果投影到參數(shù)空

5、間，完成非相干累積，在參數(shù)空間進(jìn)行第二閾值檢測(cè)。通過(guò)數(shù)值仿真得到：擇大累積方式的檢測(cè)性能優(yōu)于求和累積、及先檢測(cè)后累積方式；改進(jìn)的二維 CFAR軌跡檢測(cè)器性能優(yōu)于單元平均（CA）和剔除平均（TM）CFAR檢測(cè)器；基于擇大累積 CFAR-Hough變換軌跡檢測(cè)性能優(yōu)于基于單幀圖像檢測(cè)，最后對(duì)水下運(yùn)動(dòng)小目標(biāo)檢測(cè)性能進(jìn)行了水池試驗(yàn)驗(yàn)證。
　　第三部分將分裂波束相位特性作為檢測(cè)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，提出一種分裂波束相位圖像序列動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法。在給出

6、分裂波束相位成像方法的基礎(chǔ)上利用分裂波束相位的標(biāo)準(zhǔn)差倒數(shù)（記作SDR, Standard Deviation Reciprocal）來(lái)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)；利用分裂波束相位SDR圖像序列的二維距離-幀時(shí)間信息（記作SDRIS_R-F, Standard Deviation Reciprocal Image Sequences_Range-Frame）來(lái)進(jìn)行動(dòng)目標(biāo)檢測(cè),剔除靜目標(biāo)和干擾；將各方位對(duì)應(yīng)的分裂波束相位 SDRIS_R-F圖像進(jìn)行擇大累

7、積，利用每幀每個(gè)距離單元最大值（記為SDRIS_R-F_Max）對(duì)應(yīng)的波束號(hào)來(lái)確定目標(biāo)方位,以解決目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中方位變化較大的問(wèn)題。本算法分裂波束相位的求解不需要解模糊；分裂波束相位 SDR成像方法的信噪比處理增益優(yōu)于常規(guī)波束形成方法，提高了低信噪比下檢測(cè)的穩(wěn)健性。最后水池試驗(yàn)通過(guò)對(duì)單目標(biāo)和雙目標(biāo)的檢測(cè)驗(yàn)證了該算法的可行性和性能。
　　第四部分結(jié)合第一、二和三部分工作給出了一種水下運(yùn)動(dòng)小目標(biāo)檢測(cè)跟蹤問(wèn)題的解決方法。利用第一部分的

8、共址MIMO圖像聲納提高成像方位分辨率和信噪比處理增益，以便于后續(xù)檢測(cè)跟蹤。利用第二、三部分提出的基于聲圖像序列和分裂波束相位圖像序列的兩種 TBD算法提取目標(biāo)起始航跡，根據(jù)起始軌跡引導(dǎo)后續(xù)重點(diǎn)檢測(cè)區(qū)域，保證檢測(cè)性能和跟蹤濾波精度。另外每經(jīng)過(guò)一段時(shí)間累積，都可按照起始航跡的檢測(cè)方式，提取目標(biāo)短時(shí)軌跡，其結(jié)果與實(shí)時(shí)檢測(cè)跟蹤處理獲得的軌跡做對(duì)比驗(yàn)證，修正偏離的航跡或繼續(xù)終止的航跡，以提高目標(biāo)軌跡的可靠性和低虛警率，最后對(duì)該方法進(jìn)行了水池試驗(yàn)