基于非线性滤波的水下地形辅助导航方法

为了解决水下航行器惯性导航误差随时间积累问题,利用地形辅助导航技术进行导航位置修正。由于水下地形的非线性,对基于扩展卡尔曼滤波(EKF)、无迹卡尔曼滤波(UKF)和粒子滤波(PF)3种非线性滤波方法的水下地形辅助导航算法进行研究。针对传统基于单波束声纳量测模型在小起伏地形区域导航精度低、易发散问题,从提高量测地形信息量角度,建立了基于多波束测深声纳的量测模型。使用多波束实测地形数据进行仿真试验,结果表明:无论在粗糙地形区域还是较平坦地形区域,多波束量测模型有效缓解了3种方法易发散问题,提高了导航精度。     

基于CT非线性模型的水下目标跟踪算法比较

针对水下目标跟踪非线性跟踪精度问题,假设目标机动模型为恒转速运动模型,贝叶斯框架下,因扩展卡尔曼滤波跟踪方法进行模型在估计点的泰勒展开,忽略一阶以上高阶项,存在模型误差,比较了扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波、容积卡尔曼滤波在高斯噪声干扰下滤波误差均方根,以及3种方法运行时间。仿真证明,非线性系统下状态维度为5,容积卡尔曼滤波跟踪的精度高于无迹卡尔曼滤波,无迹卡尔曼滤波高于扩展卡尔曼滤波。该研究为海上目标非线性测量系统提供仿真实例,为进一步滤波算法改进提供基础。     

基于自适应α—β滤波的HFSWR海上目标航迹跟踪

针对基于α-β滤波的高频地波雷达海上目标航迹跟踪方法跟踪精度较低、工程适用性较差的问题,提出了一种极坐标下α-β滤波自适应系数选取方法,该方法有效利用了高频地波雷达目标量测参数的特点,能够在跟踪过程中根据实际量测对滤波系数进行自适应调整。利用仿真及实测地波雷达数据以及同步AIS航迹对提出方法的航迹跟踪性能进行了实验验证,并与现有自适应系数选取方法的跟踪性能进行了对比,结果表明,本文方法能够得到平滑、持续的航迹输出,跟踪距离远,跟踪率及跟踪精度高。     

一种跟踪水下运动目标的自适应卡尔曼滤波器

由于海洋的水下环境非常复杂,利用声呐系统对运动的目标进行跟踪和定位,所测得的信息中必然含有误差,漏报和错误数据。此外,对机动的被测量目标,如鱼雷、潜艇、深潜器等,跟踪系统应具有很好的适应能为。为了提高跟踪系统的定位准确度和对机动目标的适应能力,本文将讨论一种自适应卡尔曼滤波。在水声测量中,由于水下环境变化复杂,难以掌握其变化规律,但是卡尔曼滤波要求事先建立滤波模型,这就限制了卡尔曼滤波在水声领域中的应用。为了克服这一困难,本文通过理论推导和模拟实验,提出了一种自适应卡尔曼滤波,并应用于鱼雷声靶定位系统中,取得了很好的效果。     

水下目标磁探测的测线间距设计

测线间距设计是水下磁性目标探测的重要环节。把水下目标简化为磁偶极子,导出了更加合理的测线间距计算公式;为提高水下目标磁探测的可靠性与作业效率,分析了影响测线间距设计的各种因素,认为水下目标磁矩、海洋环境噪声水平和测点定位误差是测线间距设计中必须考虑的三个主要因素。     

修正Kalman滤波技术在复杂环境DVL标定中的应用研究

声学多普勒计程仪的安装偏角误差和比例因子误差是影响水下自主导航精度的主要误差源,需要进行精确误差标定.然而任何声呐性能均与海洋环境密切相关,如何实现复杂环境精确标定是计程仪工程应用中面临的实际问题.为此,在分析真实测速数据统计分布基础上,提出了一种基于修正Kalman滤波预处理的误差校准方法,并与标准Kalman滤波预...     

一种基于PDAF的目标跟踪算法

对目标进行跟踪的目的是通过相关和滤波处理建立目标的运动轨迹。在某型声纳多次试验中,发现采用最近邻域标准滤波器(NNSF)滤波方法时,目标跟踪不稳,跟偏、丢失等现象频现,因此对现有目标跟踪模型和算法进行研究与改进。采用基于概率数据互联滤波器(PDAF)的跟踪算法来实现对目标的跟踪。首先,使用滑窗法对目标进行跟踪起始,然后再采用概率数据互联滤波器(PDAF)进行目标关联,以保持对目标的连续跟踪。经过仿真与在某型声纳的多次试验对比可得:该关联方法对目标的跟踪结果较采用NNSF滤波方法对目标的跟踪结果有明显改进。其跟踪精度有了明显的提高,而且其跟偏、丢失的次数明显减少。     

地波雷达目标检测跟踪联合处理粒子滤波方法

针对固定粒子数PF-TBD算法计算量大、复杂环境下地波雷达海上船只目标检测与跟踪性能不佳的问题,本文将粒子滤波方法应用于地波雷达船只目标检测与跟踪中,提出了基于自适应粒子滤波的地波雷达目标检测与跟踪联合处理方法。该方法结合地波雷达回波谱中目标展宽特性,充分利用了地波雷达回波谱中面目标的粒子权重信息来设置粒子自适应采样策略,提高了目标检测和跟踪联合处理的效果。通过地波雷达实测数据的目标跟踪结果及与同步AIS信息的比对分析,结果表明:提出的检测跟踪联合处理方法在对低信噪比、快速机动等复杂环境下的多目标跟踪时,可提高目标整体跟踪性能。     

海洋声速起伏对声传播及定位精度影响分析

海洋中声速起伏导致水声信道发生变化,进而引起声线到达结构的变化,对水声传播及定位精度产生一定影响。为讨论这一效应,基于TDOA体制建立了考虑声线弯曲的水下目标无源定位模型,分析了声速起伏对水下声传播路径及传播时间的影响,进而研究了声速起伏对水下无源定位测量精度影响程度。结果表明:当水平传播距离较大时,声速剖面起伏对声传播路径及传播时间的影响更为显著;以典型四元阵为例,若基线长度为20 km,接收阵位于水下5 km处,在不考虑其它随机误差影响下,海洋声速起伏造成的声源定位误差量级在0.5 m以内。分析结果有助于更好地利用环境特征优化无源定位测量方案,可为高精度水下无源定位系统设计及精度评估提供依据。     

深海应答器坐标改进正交标定法

深海环境下投放应答器,由于海流、浪和涌的影响,应答器落底的位置很难直接测量。利用海底应答器对水下目标进行定位和跟踪之前,必须对其位置进行准确标定。用一种测量海底应答器坐标的改进方法:改进垂线相交标定法。该方法对测量母船航迹、海深等因素不做要求,依据立体几何原理,采用解析法直接求解应答器平面坐标。用Markov过程模拟母船航迹,进行1 000次蒙特卡洛仿真实验,得到置信度为0.99的标定误差置信区间,结果表明该方法具有很好的标定精度,对测量母船的位置误差鲁棒性好。     

Robust regression-based EKF for tracking underwater targets

In underwater target tracking applications, measurement uncertainty and inaccuracies are usually modeled as additive Gaussian noise. The Gaussian model of noise may not be appropriate in many practical systems. The non-Gaussian noise and the model non-linearity arising in a tracking system will seriously affect the tracking performance. This paper discusses one way to create a robust version of the extended Kalman filter for enhanced underwater target tracking. State estimation in the filter is done through the robust regression approach and Welsch's proposal is used in the regression process. Monte Carlo simulation results with heavy-tailed contaminated observation noise demonstrate the robustness of the proposed estimation procedure     

传感器测量衰减下的水下目标纯方位跟踪算法

为解决多传感器水下目标纯方位跟踪中的传感器测量衰减问题,建立水下目标静态多传感器纯方位跟踪模型,将传感器测量衰减建模为统计特性已知的随机变量,基于融合中心接收到的各水声传感器的原始测量值,设计了一种集中式状态估计器结构,利用最小方差方法推导出最优的集中式目标状态估计增益。通过算例仿真可以得出,所提出的算法能够在水声传感器不做机动的前提下跟踪目标,弥补了单个水声传感器观测性不足的缺点,对比传统的集中式Kalman估计器,具有更高的精度,能够有效解决传感器测量衰减问题。     

基于水声环境空间中多模态深度融合模型的目标识别方法研究

随着对水下目标特性研究的深入和声学探测技术的发展,基于单模态的阵列式信息融合或基于空间信息的分布式信息融合的水下目标识别方法研究已有一定成果,但针对复杂海况导致单一物理场或单一融合层次的系统识别性能提高有限等方面影响的水下目标识别方法研究还有所不足,因此,开展基于多模态深度融合模型的水下目标识别方法研究可利用模态互补,共享信息而提升识别率。文中在国内外研究基础上,深入研究了基于到达时差法和多模态方法组合的检测方法,初步形成了基于水声环境空间中多模态深度融合模型的识别框架,开展了海洋中典型自然与人为事件的信号分析与特征提取,并在此基础上,设计新型基于海底基站的被动识别系统。该系统同步记录和由位置等组成的时间序列标记声、磁和压数据,可实现高精度、高分辨率的识别。本研究可满足未来海洋观测对高性能水下目标探测、定位和跟踪系统的迫切需要,为海洋安全监管、海洋突发事件应急响应等领域提供新的技术手段和科学参考。     

Sonar tracking of multiple targets using joint probabilistic data association

The problem of associating data with targets in a cluttered multi-target environment is discussed and applied to passive sonar tracking. The probabilistic data association (PDA) method, which is based on computing the posterior probability of each candidate measurement found in a validation gate, assumes that only one real target is present and all other measurements are Poisson-distributed clutter. In this paper, a new theoretical result is presented: the joint probabilistic data association (JPDA) algorithm, in which joint posterior association probabilities are computed for multiple targets (or multiple discrete interfering sources) in Poisson clutter. The algorithm is applied to a passive sonar tracking problem with multiple sensors and targets, in which a target is not fully observable from a single sensor. Targets are modeled with four geographic states, two or more acoustic states, and realistic (i.e., low) probabilities of detection at each sample time. A simulation result is presented for two heavily interfering targets illustrating the dramatic tracking improvements obtained by estimating the targets' states using joint association probabilities.     

基于弧段检测的高频地波雷达特定目标航迹跟踪方法研究

本文对现有的高频地波雷达目标跟踪方法进行了概述,提出了一种地波雷达目标长时连续跟踪的方法,基本思想是:充分挖掘航迹弧段特征,基于特征对船只运动建模,并结合杂波背景进行融合决策。进一步,为了达到长时间连续跟踪的需求,借鉴深度学习的思想,利用新获取的弧段数据对算法估计结果不断递归校正,使得随着获取数据的增加跟踪越准确。该方法适用于杂波环境且在航道附近存在众多干扰船只的情况下对机动目标航迹的实时稳定跟踪,为高频地波雷达在复杂干扰环境下特定目标持续跟踪提供理论基础和方法指导,为充分发挥地波雷达在海上监视监测中的作用提供技术支撑。     

荧光技术在海洋环境学上的应用研究

笔者研制成功的4种不同用途、类型的水中荧光计在海洋、江河水体混合扩散实验研究中的应用,利用这种仪器先后完成了近20处大、中型水域环境评价工程任务,海洋水体中微量油分的测量实验研究,海洋中浮游植物体内叶绿素a浓度现场测量实验研究;并通过改换拖曳荧光计的荧光测量滤光片为中性滤光片,首次在国内东海、黄海倾废区分别进行了较大规模的海洋倾倒悬浮污染物(粉煤灰、碱渣)的海洋深层追踪现场测量实验研究,获得令人满意的结果.同时,还简述了荧光测量法的原理、优点及水中荧光计的结构.用荧光法测量海中物质是近代发展的一种简便、快速、灵敏度高、用途广泛的测量新技术,在海洋环境检测中有着极其重要的应用价值.     

基于海洋环境的AUG探测应用方法探讨

水下滑翔机(AUG)是正在开发的 UUV 品种之一,其在海洋中作为探测器运用是一个技术方法问题。 针对未来将出现的大携载能力环境探测滑翔机,在分析海洋环境和被探目标以及 AUG 技术特性基础上,预先探讨了未来应用方式及试验方法,研究了基于海洋与目标环境的区域航路导引、目标预示区、隐蔽探测、卫星通讯等应用方法,进行了典型状态试验方法仿真分析,可为相关试验研究提供参考。     

基于分布式控制力矩陀螺的水下航行器轨迹跟踪控制

基于控制力矩陀螺群(CMGs)的水下航行器具有低速或零速机动的能力。采用基于分布式CMGs的水下航行器方案,并研究其水平面的轨迹跟踪控制问题。通过全局微分同胚变换将非完全对称的动力学模型解耦成标准欠驱动控制模型,并根据简化的模型构建其轨迹跟踪的误差动力学模型,将轨迹跟踪控制问题转化为误差模型镇定问题。基于一种分流神经元模型和反步法设计了系统的轨迹跟踪控制律,该控制器不需要对任何虚拟控制输入进行求导计算,且能确保跟踪误差的最终一致有界性。仿真结果表明该控制器能够实现在不依赖动力学参数先验知识的情况下对光滑轨迹的有效跟踪。     

基于分数阶傅里叶变换的水下目标速度估计

在高斯白噪声背景下,匹配滤波器作为线性调频信号的最优检测器,在水声信号处理中被广泛应用。 当发射信号为线性调频信号时,由水下目标径向速度引起的多普勒频移会造成回波和样本之间失配, 使匹配滤波器的检测性能下降,增加了目标速度估计的难度。 利用分数阶傅里叶变换对于线性调频信号的聚焦特性,提出了应用分数阶傅里叶变换的水下运动目标线性调频回波检测算法,完成对目标速度的估计, 推导目标运动速度与分数阶傅里叶变换阶数之间的关系,并对测量结果进行误差分析。 仿真测试表明,该算法可有效地估计混响背景下的目标径向速度,且具有良好的估计性能。