本發(fā)明屬于長基線場景下的水下目標跟蹤領(lǐng)域，涉及長基線場景下幅度信息輔助粒子濾波的水下目標跟蹤方法。

背景技術(shù)：

1、長基線系統(tǒng)是經(jīng)典系統(tǒng)，基線長度一般為數(shù)公里，按照一定的幾何形狀布設(shè)三個及以上的陣元，目標一般位于陣內(nèi)，通過測量到達各陣元聲信號的傳播時間來確定目標的位置，完成目標的導(dǎo)航任務(wù)。由于長基線系統(tǒng)的基線長度較長，目標一般在陣內(nèi)運動，所以其陣位誤差對定位結(jié)果的影響較小，對安裝精度的要求不高，并且在很大的跟蹤范圍內(nèi)可以達到較高的精度。在長基線情景下完成載有聲源的目標導(dǎo)航任務(wù)，是主動探測方式下的目標跟蹤的一種具體應(yīng)用。對于水下目標的探測，跟蹤是一個重要的環(huán)節(jié)也是關(guān)鍵的最后一步，這一步的效果將直接關(guān)系到導(dǎo)航任務(wù)的成功與否。跟蹤作為信號處理技術(shù)的后置信息處理技術(shù)，充分利用了前置處理結(jié)果，對測量數(shù)據(jù)進行互聯(lián)、預(yù)測、更新和平滑等運算，最后實現(xiàn)目標參數(shù)在時間序列上的軌跡跟蹤，利用跟蹤結(jié)果可以對目標的運動參數(shù)進行解算。

2、在利用粒子濾波對目標進行跟蹤時，通常情況下輸入算法的量測信息是方位角、位置坐標等信息。但是在長基線背景下，對目標進行導(dǎo)航的過程中，目標周期性地發(fā)射詢問信號，布放在海底的各應(yīng)答器接收詢問信號并進行應(yīng)答，目標檢測應(yīng)答器應(yīng)答信號，測出傳播時延。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為提高長基線場景下水下目標跟蹤精度，而提出的一種長基線場景下幅度信息輔助粒子濾波的水下目標跟蹤方法。

2、一種長基線場景下幅度信息輔助粒子濾波的水下目標跟蹤方法具體包括以下步驟：

3、步驟一、初始化粒子的狀態(tài)和權(quán)值；具體過程為：

4、對n個粒子賦均值和協(xié)方差的初值；

5、每個粒子的權(quán)重均為1/n；

6、n個粒子的初始結(jié)構(gòu)數(shù)組為[s{1}0,s{2}0,...,s{n}0]；

7、s{1}0表示第1個粒子的初始結(jié)構(gòu)體；s{2}0表示第2個粒子的初始結(jié)構(gòu)體；

8、s{n}0表示第n個粒子的初始結(jié)構(gòu)體；

9、結(jié)構(gòu)體包括均值、協(xié)方差、粒子權(quán)重信息；

10、步驟二、采用卡爾曼濾波器對所有粒子的狀態(tài)向量的均值和協(xié)方差進行預(yù)測；

11、步驟三、根據(jù)測量值，對所有粒子結(jié)構(gòu)體中的信息進行更新；每個粒子都要執(zhí)行一遍以下內(nèi)容：

12、假設(shè)測量值來自雜波，計算測量值的先驗概率和似然函數(shù)，根據(jù)測量值的先驗概率和似然函數(shù)計算后驗概率；

13、假設(shè)測量值來自已經(jīng)存在的目標β，計算測量值的先驗概率和似然函數(shù)，根據(jù)測量值的先驗概率和似然函數(shù)計算后驗概率；

14、隨機抽取后驗概率；

15、若抽取的后驗概率為測量值來自雜波的后驗概率，輸出測量值關(guān)聯(lián)到雜波這種情況下的更新結(jié)果作為當前時刻的粒子狀態(tài)；

16、若抽取的后驗概率為測量值來自目標β的后驗概率，輸出測量值關(guān)聯(lián)到目標β這種情況下的更新結(jié)果作為當前時刻的粒子狀態(tài)；

17、所述測量值為時延和信號幅度；

18、更新粒子的權(quán)值；

19、步驟四、根據(jù)粒子的權(quán)值計算有效粒子數(shù)；

20、若有效粒子數(shù)小于門限值ngate，則對粒子進行重采樣，執(zhí)行步驟五；

21、若有效粒子數(shù)大于等于門限值ngate，則執(zhí)行步驟五；

22、步驟五、重復(fù)步驟二到步驟五，直到遍歷完所有測量值；

23、基于最后一個測量值中權(quán)值最大的粒子，得到時延跟蹤結(jié)果。

24、本發(fā)明的有益效果是：

25、本發(fā)明公開了一種長基線場景下幅度信息輔助粒子濾波的水下目標跟蹤方法，以接收信號的幅度信息為輔助，對時延進行跟蹤，提高長基線場景下水下目標的跟蹤性能。

26、長基線背景下對水下目標進行導(dǎo)航，目標周期性地發(fā)射詢問信號，布放在海底的各應(yīng)答器接收詢問信號并進行應(yīng)答，目標檢測應(yīng)答器應(yīng)答信號，測出傳播時延。因此本發(fā)明對時延直接進行跟蹤，跟蹤結(jié)果可靠。在一個發(fā)射周期內(nèi)，目標發(fā)射的詢問信號經(jīng)過不同的路徑到達應(yīng)答器，而應(yīng)答器發(fā)出的應(yīng)答信號又經(jīng)過不同的路徑到達目標，因此目標接收的信號有直達聲和非直達聲的區(qū)別。顯然，直達聲的信號幅度更大，那么在跟蹤過程中，幅度更大的信號所對應(yīng)的時延也更為準確，以此來提高跟蹤的跟蹤性能?；谝陨纤悸罚景l(fā)明通過建立幅度似然函數(shù)將幅度信息引入到粒子濾波的更新過程中，充分利用幅度信息，提出了一種幅度信息輔助的粒子濾波跟蹤方法，期望達到提高跟蹤準確程度的效果。

27、應(yīng)答信號攜帶的最直接的量測信息就是傳播時延，因此本發(fā)明對時延直接進行跟蹤，跟蹤結(jié)果可靠。在一個發(fā)射周期內(nèi)，目標發(fā)射的詢問信號經(jīng)過不同的路徑到達應(yīng)答器，而應(yīng)答器發(fā)出的應(yīng)答信號又經(jīng)過不同的路徑到達目標，因此目標接收的信號有直達聲和非直達聲的區(qū)別。顯然，直達聲的信號幅度更大，那么在跟蹤過程中，幅度更大的信號所對應(yīng)的時延也更為準確，以此來提高跟蹤的跟蹤性能。基于以上思路，本發(fā)明通過建立幅度似然函數(shù)將幅度信息引入到粒子濾波的更新過程中，充分利用幅度信息，提出了一種幅度信息輔助的粒子濾波跟蹤方法，期望達到提高跟蹤準確程度的效果。

技術(shù)特征：

1.一種長基線場景下幅度信息輔助粒子濾波的水下目標跟蹤方法，其特征在于：所述方法具體包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長基線場景下幅度信息輔助粒子濾波的水下目標跟蹤方法，其特征在于：所述步驟二采用卡爾曼濾波器對粒子的狀態(tài)向量的均值和協(xié)方差進行預(yù)測；具體過程為：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種長基線場景下幅度信息輔助粒子濾波的水下目標跟蹤方法，其特征在于：所述步驟三中根據(jù)測量值，對所有粒子結(jié)構(gòu)體中的信息進行更新；每個粒子都要執(zhí)行一遍以下內(nèi)容：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種長基線場景下幅度信息輔助粒子濾波的水下目標跟蹤方法，其特征在于：所述步驟三二中假設(shè)測量值來自雜波，計算測量值的先驗概率和似然函數(shù)，根據(jù)測量值的先驗概率和似然函數(shù)計算后驗概率；具體過程為：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種長基線場景下幅度信息輔助粒子濾波的水下目標跟蹤方法，其特征在于：所述步驟三三中假設(shè)測量值來自已經(jīng)存在的目標β，計算測量值的先驗概率和似然函數(shù)，根據(jù)測量值的先驗概率和似然函數(shù)計算后驗概率；

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種長基線場景下幅度信息輔助粒子濾波的水下目標跟蹤方法，其特征在于：所述步驟三三二中時延似然函數(shù)的求解過程為：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種長基線場景下幅度信息輔助粒子濾波的水下目標跟蹤方法，其特征在于：所述步驟三三二中幅度似然函數(shù)的求解過程為：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種長基線場景下幅度信息輔助粒子濾波的水下目標跟蹤方法，其特征在于：所述步驟三四中隨機抽取后驗概率；

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種長基線場景下幅度信息輔助粒子濾波的水下目標跟蹤方法，其特征在于：所述步驟四中根據(jù)粒子的權(quán)值計算有效粒子數(shù)；

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種長基線場景下幅度信息輔助粒子濾波的水下目標跟蹤方法，其特征在于：所述步驟五中重復(fù)步驟二到步驟五，直到遍歷完所有測量值；

技術(shù)總結(jié)
一種長基線場景下幅度信息輔助粒子濾波的水下目標跟蹤方法，本發(fā)明屬于長基線場景下的水下目標跟蹤領(lǐng)域，涉及長基線場景下幅度信息輔助粒子濾波的水下目標跟蹤方法。本發(fā)明的目的是為提高長基線場景下水下目標跟蹤精度。包括以下步驟：一、初始化粒子的狀態(tài)和權(quán)值；二、采用卡爾曼濾波器對所有粒子的狀態(tài)向量的均值和協(xié)方差進行預(yù)測；三、根據(jù)測量值，對所有粒子結(jié)構(gòu)體中的信息進行更新；四、根據(jù)粒子的權(quán)值計算有效粒子數(shù)；若有效粒子數(shù)小于門限值，則對粒子進行重采樣，執(zhí)行五；若有效粒子數(shù)大于等于門限值，則執(zhí)行五；五、重復(fù)二到五，直到遍歷完所有測量值；基于最后一個測量值中權(quán)值最大的粒子，得到時延跟蹤結(jié)果。

技術(shù)研發(fā)人員：齊濱,李奕霏,梁國龍,王燕,王晉晉,張志剛
受保護的技術(shù)使用者：哈爾濱工程大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15