基于潛艇分布式建模的目標識別方法

董仲臣, 李亞安, 黎 陽, 劉望生

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基于潛艇分布式建模的目標識別方法

董仲臣1, 李亞安2, 黎 陽1, 劉望生3

(1. 中國人民解放軍91388部隊, 廣東 湛江, 524022; 2. 西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072; 3. 浙江理工大學 機械與自動控制學院, 浙江 杭州, 310018)

為了使魚雷更好地識別潛艇結構, 從而有效區分潛艇和聲誘餌, 提出了一種基于分布式目標建模的潛艇目標識別方法。該方法在分布式目標建模理論的基礎上, 建立了潛艇分布式目標模型, 并把分布式信號參數估計(DSPE)方法應用到潛艇分布式模型方位估計中, 同時利用平面陣進行了計算機仿真, 得到了潛艇回波的3D方位譜。仿真結果表明, 該方法能很好的對潛艇結構進行識別, 有助于魚雷實施正確的攻擊。

魚雷; 潛艇; 聲誘餌; 目標識別; 分布式信號參數估計

0 引言

魚雷攻擊的目標通常是水面艦艇或潛艇[1], 但水聲對抗器材也對魚雷構成了很大的威脅。當魚雷攻擊潛艇時, 潛艇可以使用自身配備的對抗器材, 對魚雷的攻擊實施干擾和誘騙, 使其毀壞或被假目標誘騙, 從而提高自身的生存能力。隨著各種聲誘餌的不斷出現, 新型的聲誘餌已能夠模擬潛艇的各種聲學特征。因此, 為了正確地對目標進行攻擊, 魚雷應該具備對潛艇目標和誘餌進行識別的能力。這就需要對水下目標識別方法進行深入研究。

聲誘餌相比于潛艇具有較小的尺寸, 如果能夠判斷出作為體目標的潛艇目標, 就能夠將其與作為點目標的聲誘餌區分開來。本文研究的主要目的就是根據分布式目標建模理論, 建立潛艇分布式目標回波模型, 并對其進行高分辨方位估計, 從而對潛艇結構進行識別。它的完成可以提高魚雷自導系統識別潛艇目標結構的能力, 進而為目標識別、分類以及選擇對要害部位進行攻擊等提供有效的技術支持。

1 分布式目標建模理論

在現實世界中, 目標都有一定的體積, 每個目標在方位上都會占據一定的空間而不是一個點, 也就是說都表現為一定的空間分布, 這種目標稱之為分布式目標。針對現實應用, 國內外研究者建立了分布源目標模型, 提出了角功率密度(angular power density, APD)的概念, 并用若干個參數來描述分布源信號[1-2]。

式中

假設從不同方向來的分布源信號不相關, 那么互相關核函數可以簡化為

式(6)表示第個分布源的角自相關核函數, 則式(3)可以改寫為

2 潛艇分布式建模及其方位估計

2.1 潛艇分布式建模

理論研究和實踐應用表明[4], 當入射波為高頻信號時, 目標回波可看作由若干個子回波相互迭加而成, 而每個子回波均可看作從目標上的某一點發出, 此點即為亮點。亮點可以是在目標上真實存在的點, 也可是為使問題直觀而等效的。

潛艇的回波主要由移動亮點和固定亮點組成, 移動亮點由表面鏡反射引起, 固定亮點則由棱角反射引起。他們都對應于潛艇上的某個部位。在工程實現中, 一般將潛艇簡化為幾個亮點區[5], 在本文中, 把潛艇等效為3個分布源, 分別代表艇艏、艦橋和艇艉。因為魚雷與潛艇具有相對速度, 所以每個分布源的多普勒頻移不同, 因此3個分布源可以看作非相干分布源。

由于3個分布源可以作非相干分布源, 所以分布源信號的角自相關核函數可以表示為

將上式進一步簡化可得

2.2 分布式目標方位估計

在點目標估計中, 多重信號分類(multiple si- gnal classification, MUSIC)算法把接收數據的協方差矩陣進行特征分解, 分解為噪聲子空間和信號子空間, 將方位估計轉化為對目標方位角的譜峰搜索。利用這一原理, 可將MUSIC算法推廣到分布源方位估計中, 即分布式信號參數估計(dstr- ibuted sgnal prameter etimator, DSPE)算法[8-9]。該算法的使用條件為分布源信號是窄帶信號, 并且信號的空間擴展形式已知。

假設接收的分布源信號個數為, 則DSPE算法可表示為

3 計算機仿真及結果分析

在前面建立的潛艇分布式模型的基礎上, 用DSPE算法對潛艇分布式模型進行方位估計。

1) 仿真1: 假設魚雷發出的尋的信號為CW脈沖信號, 信號載波頻率30 kHz。魚雷與潛艇相距500 m, 兩者相對速度3 m/s。接收基陣為半波長間隔均勻的10×10平面陣, 背景噪聲為各向同性加性白噪聲, 信噪比20 dB。取聲速1 500 m/s, 采樣頻率80 kHz。仿真計算潛艇3個分布源的回波信號方位估計譜圖。魚雷相對于潛艇的方位角取不同值時, 仿真結果如圖1~圖3所示。

圖1 魚雷相對于潛艇的方位角β=30°時的方位估計譜圖

圖2 時方位估計譜圖

圖3時方位估計譜圖

圖4時方位估計譜圖

圖5時方位估計譜圖

圖6時方位估計譜圖

4 結束語

本文根據分布式目標建模理論建立了潛艇分布式目標模型, 并利用DSPE方位估計方法對模型進行了方位估計, 同時利用平面陣進行了計算機仿真。仿真結果表明, 利用本文的方法, 魚雷能很好的對潛艇結構進行識別, 從而把潛艇和聲誘餌區分開來, 提高了對真實目標的攻擊能力。

[1] 李強. 分布源目標方位估計研究[D]. 西安: 西北工業大學, 2007.

[2] 馬培峰, 嚴勝剛. 分布式目標方位估計的一種改進算法 [J]. 彈箭與制導學報, 2007, 27(3): 40-42.Ma Pei-feng, Yan Sheng-gang. An Improved Algorithm of Distributed Target Azimuth Estimation[J]. Missiles and Guidance, 2007, 27(3): 40-42.

[3] Valaee S, Champagne B, Kabal P. Parametric Localization of Distributed Sources[J]. IEEETransaction Signal Processing, 1995, 43(9): 2144-2153.

[4] 劉成元. 水下目標聲散射建模研究[D]. 武漢: 海軍工程大學, 2007.

[5] 劉文遠, 趙金海, 宋永峰, 等. 基于修正亮點模型的水下體目標建模技術[J]. 魚雷技術, 2010, 18(5): 352-356.Liu Wen-yuan, Zhao Jin-hai, Song Yong-feng, et al. Underwater Target Modeling Technology Based on Modified Highlight Model[J]. Torpedo Technology, 2010, 18(5): 352-356.

[6] Raieh R, Goldberg J. Bearing Estimation for a Distributed Source: Modeling Inherent Accuracy Limitations and Algorithms[J].IEEETransaction Signal Processing, 2000 (48): 429-441.

[7] Shahram S, Shahrokh V. Distributed Source Localization Using MUSIC Algorithm[J]. IEEETransaction Signal Processing, 2001, 49(10): 2169-2178.

[8] Seong-Ro LEE, Myeong-Soo CHOI. A Three-dimensional Distributed Source Modeling and Direction of Arrival Estimation Using Two Linear Arrays[J]. IEEE Trans-F, 2003, 86(1): 206-214.

[9] Wu Q, Wong K M, Meng Y. DOA Estimation of Point and Scattered Sources-Vec-MUSIC[J]. IEEETransaction Signal Processing, 1994, 89(27): 365-368.

(責任編輯: 楊力軍)

Target Recognition Method Based on Distributed Modeling of Submarine

DONG Zhong-chen,LI Ya-an, LI Yang,LIU Wang-sheng

(1. 91388thUnit, The People′s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, China; 2. College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China; 3. School of Mechanical Engineering and Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

A submarine target recognition method for a torpedo is proposed based on the distributed object modeling to distinguish submarine from acoustic decoy. On the basis of the modeling theory of distributed object, a distributed object model of submarine is established, and the distributed signal parameter estimator(DSPE) is applied to direction of arrival(DOA) estimation of the submarine distributed model. Simulations are carried out by means of the plane array, and the 3D orientation spectrums of submarine echo are obtained. Simulation results show that the present method can effectively identify submarine structure for correct torpedo attack against target.

torpedo; submarine; acoustic decoy; target recognition; distributed signal parameter estimator

TJ630.1

A

1673-1948(2014)03-0174-05

2014-01-10;

2014-03-12.

國家自然科學基金(51179157), 國家自然科學基金(51179158).

董仲臣(1979-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為水聲信號處理和潛艇作戰系統作戰效能分析.