[发明专利]一种深海目标被动定位及粒子滤波跟踪方法

说明书

本发明提供了一种深海目标被动定位及粒子滤波跟踪方法，在类似于深海分布式垂直阵组网观测系统下实现深海目标被动定位及跟踪功能，主要利用的技术手段有宽/窄带检测及特征提取、声线逆推估距、改进的粒子滤波，相比于传统的匹配场处理、运动目标分析、几何定位法等被动目标定位技术。本发明对环境参数的要求较低，估计精度较高，且适用于静止且无水平测向能力的单节点构成的分布式系统中，仅通过目标俯仰角信息、目标多普勒信息，结合多节点的系统参数和声速剖面采集数据，即可得到对被动目标声源的实时定位与连续跟踪。该方法实现相对简单、对条件约束较小、算法运行效率高，通过海试数据验证具有较好的目标定位与跟踪性能。

技术领域

本发明属于被动目标定位与跟踪技术，主要是一种深海目标被动定位及粒子滤波跟踪方法，可以应用于深海分布式潜/浮标、深海固定式基阵/传感器警戒与搜救网络等情形中。

背景技术

深海中分布式垂直阵潜标用于进行目标融合定位与跟踪是实现深远海无人警戒网络需要突破的关键技术，通常采用的方法有通过匹配场定位技术和基于多节点俯仰角的几何定位技术等等，然而前者对环境参数要求高且运算量大，不适用于长期布放在水下的自主探测节点，后者估计精度较差，并且往往会出现无解或者解不唯一的情况。本方法针对两个或者两个以上的分布式垂直阵系统，当目标出现于表层至中等深度范围内，目标线谱较稳定且掌握一定线谱模板先验信息前提下，通过波束形成获得的目标俯仰角，结合声速剖面信息进行声线逆推计算估计各节点目标距离参数，并基于目标辐射声信号线谱检测提取相应的多普勒特征，综合各节点目标测距参数和目标径向速度作为输入，通过改进的粒子滤波方法实现目标实时定位与连续跟踪。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种深海目标被动定位及粒子滤波跟踪方法，本发明提供了在深海分布式垂直阵系统观测条件下对被动目标进行定位与跟踪的方法与技术。首先需要说明的是，单个垂直阵并无水平测向能力，若采用分段式垂直阵(同缆不同深度的两段子阵)可以提取目标距离/深度信息，目标相对于观测基阵径向速度表征在三维笛卡尔坐标系下，需要结合距离和观测深度参数，将其转化为二维平面内的径向速度。当目标线谱相对稳定且对源线谱有一定先验知识时，可以提取不同节点观测下的目标多普勒特征，从而转换为目标径向速度。依据距离与径向速度作为变量建立相应的目标动力学模型和观测模型，以目标距离估计量和径向速度估计量作为输入，通过改进的粒子滤波方法实现对目标的实时定位和连续跟踪。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种深海目标被动定位及粒子滤波跟踪方法，包括以下步骤：

(1)对深海声速剖面进行采集，通过北斗或GPS等方式实时标定并记录各探测节点的坐标信息，并利用深度传感器测量垂直阵的工作深度，从而获得完备的系统参数；

(2)在一定观测时间间隔内，通过目标检测与数据关联获得针对同一个目标的俯仰角测量，表示为Θ＝{θ_m|m＝1,2,…,M}，其中θ_m表示第m个节点观测得到的俯仰角-时间序列向量，M表示分布式系统中节点总数；同时获得目标相应的径向速度测量，表示为V＝{ν_m|m＝1,2,…,M}，其中ν_m表示第m个节点观测得到的径向速度-时间序列向量，M表示分布式系统中节点总数；

(3)在深海条件下，声在分层介质中传播，声线向低声速区域弯曲，假定目标深度在一定深度范围内，将目标深度至接收深度的介质层均匀等分为D层，每层深度为Δd，被分割的各单位介质层近似为均匀介质层，依据实地测量得到的声速剖面将声速向量表示为c＝{c_i|i＝1,2,…,D}，利用步骤(2)中得到的入射俯仰角数据Θ＝{θ_m|m＝1,2,…,M}，由斯涅尔定律和递归数值计算近似估计目标声源距离L＝{l_m|m＝1,2,…,M}，其中l_m表示第m个节点观测得到的距离-时间序列向量，M表示分布式系统中节点总数，算法计算公式表示为其中asin(·)表示反正弦函数；