CN112558050B - 一种转弯机动运动目标速度估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种转弯机动运动目标速度估计方法，利用基阵获取水下运动目标的宽带阵列接收信号，计算不同时刻宽带阵列接收信号的空间谱，空间谱为空间所有可能来波方向的能量分布，通过空间谱估计获取目标的方位观测数据。观测平台匀速运动，机动前后目标匀速运动，根据方位观测数据，估计机动前后目标相对速度；利用转弯机动运动特性，估计机动前后目标速度。本发明计算方法简单，不需要估计初值，不存在滤波发散问题，算法稳定性好；观测平台匀速运动，利于提高隐蔽性，而水下目标为侦察而机动时，观测平台可及时把握战机。

Description

一种转弯机动运动目标速度估计方法
技术领域
本发明涉及水声信号处理技术，具体涉及一种运动目标速度估计方法。
背景技术
机动目标跟踪是战场侦察的一个重要发展方向。战场上，通常目标不会一直保持匀速直线运动,在运动过程中常会出现速度方向发生改变但速度大小变化不大、类似于分段匀速运动的方向突变机动，简称为转弯机动。本发明特别研究这类运动情况,转弯机动目标的速度估计是机动目标跟踪和目标状态估计的一个重要组成部分。基于目标方位观测的水下机动目标跟踪定位在水下探测中有重要的应用，目前常用的方法是卡尔曼滤波，卡尔曼滤波是解决线性系统状态估计的主要方法之一，但基于方位观测的水下目标跟踪系统具有高度非线性，线性化后产生估计误差。另外，卡尔曼滤波对初值比较敏感，存在滤波发散、跟踪精度低、收敛速度慢等问题，一定程度上限制了状态估计的性能，也导致了算法处理上的一些困难，难以满足实际需求。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种计算量小、稳定性好、隐蔽性强的转弯机动运动目标速度估计方法，本发明利用水下目标方位观测，在观测平台匀速运动，目标转弯机动的情况下，利用转弯机动运动特性实现目标机动前后的速度估计，为进一步的机动目标跟踪和目标状态估计奠定了基础。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种转弯机动运动目标速度估计方法，包括以下步骤：
步骤1，利用基阵获取水下运动目标的宽带阵列接收信号，计算不同时刻宽带阵列接收信号的空间谱，空间谱为空间所有可能来波方向的能量分布，通过空间谱估计获取目标的方位观测数据。
步骤2，观测平台匀速运动，机动前后目标匀速运动，根据步骤1获取的方位观测数据，计算机动前后目标相对速度。
Figure BDA0002833789770000011
Figure BDA0002833789770000012
其中，矩阵
Figure BDA0002833789770000021
Figure BDA0002833789770000022
其中，p1表示机动前目标相对速度，A1表示机动前数据矩阵，Z1表示机动前观测向量，(·)-1表示取逆，(·)T表示矩阵转置，p2表示机动后目标相对速度，A2表示机动后数据矩阵，Z2表示机动后观测向量，tj表示测量时刻，βj为tj时刻的方位观测量，tm为机动时刻，m为整数，tp＜tm，tq＞tm，，tp为机动前的第p时刻，p为整数，tq为机动后的第q时刻，q为整数，tN为第N时刻，N表示观测样本总长度。
步骤3，估计目标速度。对于转弯机动运动目标，机动前后目标速度为:
Figure BDA0002833789770000023
其中，v′T＝(v′Tx，v′Ty)和v″T＝(v″Tx，v″Ty)分别为机动前后目标速度的估计，λ为比例系数，vo＝(vOx，vOy)为观测平台的速度。
优选的：步骤1中采用自适应波束形成MVDR方法计算不同时刻阵列接收信号的空间谱：
Figure BDA0002833789770000024
其中，PMVDR(β)为空间谱，β为扫描方位，
Figure BDA0002833789770000025
为第k个频点接收信号协方差矩阵的逆矩阵，ak(β)为第k个频点的导向向量，
Figure BDA0002833789770000026
[·]H为共轭转置，fk为第k个频点的频率，c为声速，j为虚数单位，d为阵元间距，M为阵元间距。搜索空间谱谱峰得到目标方位，对不同时刻阵列接收信号重复这一处理过程，得到一组方位观测数据。
优选的：步骤1中tk时刻的方位观测量表示为
Figure BDA0002833789770000031
其中，βk为tk时刻的方位观测量，εk为测量误差，εk是均值为0且方差为σ2的高斯噪声，(xT(tk)，yT(tk))为tk时刻目标的坐标，(xO(tk)，yO(tk))为tk时刻观测平台坐标，且
Figure BDA0002833789770000032
Figure BDA0002833789770000033
其中，t*为参考时刻，(vTx，vTy)表示目标速度，(vox，voy)表示观测平台的速度。
优选的：
Figure BDA0002833789770000034
其中，||·||表示取模，(·)T表示转置，vO＝(vOx，vOy)为观测平台的速度。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明针对现有卡尔曼滤波类机动目标跟踪和速度估计方法对初值比较敏感、存在滤波发散、收敛速度慢等问题，利用水下目标方位观测量，在观测平台匀速运动，目标转弯机动的情况下，利用转弯机动运动特性实现机动前后目标速度的估计。与现有技术相比，本发明方法计算量小，不需要初值，不存在滤波发散问题，提高了速度估计的稳定性。观测平台匀速运动，不机动，可提高隐蔽性，而目标舰为侦察而机动时，本观测站可及时把握战机。
附图说明
图1为本发明中机动目标运动态势图。
图2为本发明速度估计偏差随观测噪声的变化。
图3为本发明速度估计均方根误差随观测噪声的变化。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种转弯机动运动目标速度估计方法，在观测平台匀速运动，目标转弯机动的情况下，利用转弯机动运动特性实现目标机动前后速度估计的方法，是进一步机动目标跟踪和目标状态估计的基础。本发明计算量小，不需要初值，不存在滤波发散问题，提高了速度估计的稳定性。观测平台匀速运动，不机动，可提高作战隐蔽性，而目标舰为侦察而机动时，本观测站可及时把握战机，以一组目标方位观测数据估计转弯机动运动目标速度为例，本发明所述的方法具体实施过程如下：：
步骤1，获取水下目标方位观测量：利用基阵获取水下运动目标的宽带阵列接收信号，计算不同时刻宽带阵列接收信号的空间谱，空间谱为空间所有可能来波方向的能量分布，通过空间谱估计获取目标的方位观测数据。观测平台的初始位置为(0，0)，平台沿正东方向做匀速直线运动，速度大小为3m/s，目标初始位置在观测平台正东方向，以速度7m/s、东偏北30°(与x轴正方向夹角为30°，逆时针为正)航行。在300s目标转向，以-30°航行。观测时间间隔1s，总观测时间600s。目标信号为带限噪声信号，频带为200Hz～4000Hz，采样频率为48kHz。接收阵列为32元线列阵，阵元间距0.5m。
采用自适应波束形成MVDR方法计算不同时刻阵列接收信号的空间谱：
Figure BDA0002833789770000041
其中，PMVDR(β)为空间谱，β为扫描方位，
Figure BDA0002833789770000042
为第k个频点接收信号协方差矩阵的逆矩阵，ak(β)为第k个频点的导向向量，
Figure BDA0002833789770000043
[·]H为共轭转置，fk为第k个频点的频率，c为声速，j为虚数单位，d为阵元间距，M为阵元间距。搜索空间谱谱峰得到目标方位，对不同时刻阵列接收信号重复这一处理过程，得到一组方位观测量{βn，n＝1,2,…,N}，N为总观测次数。
tk时刻的方位观测量表示为
Figure BDA0002833789770000044
其中，βk为tk时刻的方位观测量，εk为测量误差，εk是均值为0且方差为σ2的高斯噪声，(xT(tk)，yT(tk))为tk时刻目标的坐标，(xO(tk)，yO(tk))为tk时刻观测平台坐标，且
Figure BDA0002833789770000051
Figure BDA0002833789770000052
其中，t*为参考时刻，(vTx，vTy)表示目标速度，(vox，voy)表示观测平台速度。
步骤2，计算目标相对速度：观测平台匀速运动，机动前后目标匀速运动，根据步骤1获取的方位观测数据，计算机动前后目标相对速度。
Figure BDA0002833789770000053
Figure BDA0002833789770000054
其中，矩阵
Figure BDA0002833789770000055
Figure BDA0002833789770000056
其中，p1表示机动前目标相对速度，A1表示机动前数据矩阵，Z1表示机动前观测向量，(·)-1表示取逆，(·)T表示矩阵转置，p2表示机动后目标相对速度，A2表示机动后数据矩阵，Z2表示机动后观测向量，tj表示测量时刻，βj为tj时刻的方位观测量，tm为机动时刻，m为整数，tp＜tm，tq＞tm，，tp为机动前的第p时刻，p为整数，tq为机动后的第q时刻，q为整数，tN为第N时刻，N表示观测样本总长度。
步骤3，估计目标速度：对于转弯机动运动目标，机动前后目标速度为:
Figure BDA0002833789770000057
其中，v′T＝(v′Tx，v′Ty)和v″T＝(v″Tx，v″Ty)分别为机动前后目标速度的估计，λ表示比例系数，
Figure BDA0002833789770000058
||·||表示取模，(·)T表示转置，vO＝(vOx，vOy)为观测平台的速度。
如图1-3所示，其中图1为机动目标运动态势图，图2为50次蒙特卡罗实验，速度估计偏差随观测噪声的变化，图3为50次蒙特卡罗实验，速度估计均方根误差随观测噪声的变化。可见，方位测量误差小于0.6度时，本发明方法的速度估计偏差小于0.2m/s，均方根误差小于0.7m/s，偏差小，稳健性好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种转弯机动运动目标速度估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，利用基阵获取水下运动目标的宽带阵列接收信号，计算不同时刻宽带阵列接收信号的空间谱，空间谱为空间所有可能来波方向的能量分布，通过空间谱估计获取目标的方位观测数据；
步骤2，观测平台匀速运动，机动前后目标匀速运动，根据步骤1获取的方位观测数据，估计机动前后目标相对速度；
Figure FDA0003112503050000011
Figure FDA0003112503050000012
其中，矩阵
Figure FDA0003112503050000013
Figure FDA0003112503050000014
其中，p1表示机动前目标相对速度，A1表示机动前数据矩阵，Z1表示机动前观测向量，(·)-1表示取逆，(·)T表示矩阵转置，p2表示机动后目标相对速度，A2表示机动后数据矩阵，Z2表示机动后观测向量，tj1表示测量时刻，βj1为tj1时刻的方位观测量，
j1＝1,2，…，p,或者，j1＝q,q+1,q+2，…，N，tm为机动时刻，m为整数，tp＜tm，tq＞tm，tp为机动前的第p时刻，p为整数，tq为机动后的第q时刻，q为整数，tN为第N时刻，N表示观测样本总长度；
步骤3，估计目标速度；对于转弯机动运动目标，机动前后目标速度为:
Figure FDA0003112503050000015
其中，v′T＝(v′Tx，v′Ty)和v″T＝(v″Tx，v″Ty)分别为机动前后目标速度的估计，λ为比例系数，vO＝(vOx，voy)为观测平台的速度。
2.根据权利要求1所述转弯机动运动目标速度估计方法，其特征在于：步骤1中采用自适应波束形成MVDR方法计算不同时刻阵列接收信号的空间谱：
Figure FDA0003112503050000021
其中，PMVDR(β)为空间谱，β为扫描方位，
Figure FDA0003112503050000022
为第k个频点接收信号协方差矩阵的逆矩阵，ak(β)为第k个频点的导向向量，
Figure FDA0003112503050000023
[·]H为共轭转置，fk为第k个频点的频率，c为声速，j为虚数单位，d为阵元间距，M为阵元间距；搜索空间谱谱峰得到目标方位，对不同时刻阵列接收信号重复这一处理过程，得到一组方位观测数据。
3.根据权利要求2所述转弯机动运动目标速度估计方法，其特征在于：步骤1中tk时刻的方位观测量表示为
Figure FDA0003112503050000024
其中，βk为tk时刻的方位观测量，εk为测量误差，εk是均值为0且方差为σ2的高斯噪声，(xT(tk)，yT(tk))为tk时刻目标的坐标，(xO(tk)，yo(tk))为tk时刻观测平台坐标，且
Figure FDA0003112503050000025
Figure FDA0003112503050000026
其中，t*为参考时刻，(vTx，vTy)表示目标速度，(vox，voy)表示观测平台的速度。
4.根据权利要求3所述转弯机动运动目标速度估计方法，其特征在于：
Figure FDA0003112503050000027
其中，||·||表示取模，(·)T表示转置。
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