[发明专利]一种水声多目标自主检测与方位跟踪方法

说明书

技术领域

本发明属于声纳数字信号处理领域，特别涉及一种无人工干预情况下水声多目标自主检测与方位跟踪方法，可以直接用于无人值守的声纳系统，如水下无人航行器探测声纳等。

背景技术

水下探测声纳在得到波束曲线后，需要进行目标检测，并对目标方位进行连续跟踪，以获取稳定准确的连续目标方位信息，即获取目标稳定的航迹。现有技术中，常规做法是：人工设置检测阈值，并根据实际情况进行实时调节，并对目标跟踪结果进行实时纠正，保证目标检测与跟踪稳定正确。

针对水下声纳系统的工作环境和实时性特点，现有的多目标方位检测与跟踪主要面临以下两个问题：

由于水声环境的复杂性以及平台噪声的影响，目标方位的检测结果不可避免地存在测量误差，并且会出现不确定的中断和野值，需要在降低虚警概率的情况下尽可能保持目标航迹的连续稳定，剔除杂波和野值的干扰；

当多个目标的方位长时间相互接近，或者出现交叉的情况时，多个观测方位可能会落入一个跟踪门内，或者一个观测值位于多个关联区域内，如何确保观测方位和已知航迹的正确关联是一个非常复杂而困难的问题；

在人工干预的情况下，这些问题可以通过人工智能来较好的解决，如根据实际的背景噪声调整检测阈值，降低检测虚警率的同时提高检测概率，另外在多目标跟踪过程中，可以实时矫正跟踪结果，保证目标航迹不会出错。但对于无人值守的声纳系统，尤其是应用在无人航行器上的主动或被动探测声纳，缺少人工干预和调节，这些因素会导致声纳系统难以稳定准确的获取目标方位信息，从而使声纳的功能大打折扣。

因此，实际应用中需要一种能够在无人工干预情况下，对水声多目标进行稳定检测与方位跟踪的方法。

发明内容

本发明目的在于，克服无人工干预情况下多目标跟踪过程中面临的水声环境复杂性引起的方位历程出现的不确定中断和野值，以及多个目标的方位相互接近甚至航迹交叉的难题，从而提出一种无人工干预情况下水声多目标自主检测与方位跟踪方法。

本发明综合考虑这些问题，结合数据关联和方位预置跟踪算法，一方面提出了自主方位检测实现了对波束曲线的自动检测，改进了阈值检测方法，以在能获取较好检测效果的基础上，更便于工程实现。另一方面，提出了一种适用于无人工干预情况下的基于前向预测和检测更新数据关联的多目标自主方位跟踪算法，能够获取稳定准确的连续目标方位信息，即提供目标稳定的航迹信息。基本原理如图1所示。

数据关联是本发明的重要过程，也是多目标跟踪技术中最重要和最困难的问题，其作用是把当前时刻观测到的有效目标方位与已知航迹进行比较并配对。

方位滤波是根据数据关联结果，对目标方位航迹进行滤波，用来消除观测误差的影响，一般采用卡尔曼滤波就可以实现；方位预测是依据平台和目标的运动模型，根据已有航迹对下一时刻的目标方位做一步预测，完成数据关联的准备工作，同时为跟踪门的设置提供参考信息，方位滤波和预测共同组成了跟踪维持过程。目标航迹的发现与清除分别通过跟踪起始和终止的判决做出。

本发明的方法详细流程如图2所示，方法的核心思想是设置一个二维缓存数组存储目标航迹，用于预测目标下一个时刻的方位，与检测值进行数据关联，确保目标航迹不会因为方位漏检而中断。

本发明的方法通过设置一个二维缓存数组存储目标航迹，用于预测目标下一个时刻的方位，与检测值进行数据关联，结合数据关联和方位预置跟踪算法，获取稳定准确的连续目标方位信息；

具体步骤描述如下：

1）自主方位检测

对于当前t_k时刻数据快拍的波束曲线B_i(t_k)(i=1,2,…,360°)进行自主方位检测，假设检测到了M个目标，方位分别表示为θ_m(t_k)(m=1,2,…,M)，将这些方位测量值输入跟踪系统。这一步骤在声纳目标检测与跟踪过程中是必须的，本发明的自主方位检测只是改进了常规的阈值检测方法，以在能获取较好检测效果的基础上，更便于工程实现。方位测量值就是从波束曲线中检测出来的。

2）方位预测

对于此前存在的每个目标，根据所记录的航迹θ_n(t_i)(i=1,2,…,k-1)预测目标在当前快拍的方位θ_n'(t_k)，预测之前首先检测水下无人平台的航向角速度，判断平台的运动方式：