基于潜艇分布式建模的目标识别方法

董仲臣, 李亚安, 黎 阳, 刘望生



基于潜艇分布式建模的目标识别方法

董仲臣1, 李亚安2, 黎 阳1, 刘望生3

(1. 中国人民解放军91388部队, 广东 湛江, 524022; 2. 西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072; 3. 浙江理工大学 机械与自动控制学院, 浙江 杭州, 310018)

为了使鱼雷更好地识别潜艇结构, 从而有效区分潜艇和声诱饵, 提出了一种基于分布式目标建模的潜艇目标识别方法。该方法在分布式目标建模理论的基础上, 建立了潜艇分布式目标模型, 并把分布式信号参数估计(DSPE)方法应用到潜艇分布式模型方位估计中, 同时利用平面阵进行了计算机仿真, 得到了潜艇回波的3D方位谱。仿真结果表明, 该方法能很好的对潜艇结构进行识别, 有助于鱼雷实施正确的攻击。

鱼雷; 潜艇; 声诱饵; 目标识别; 分布式信号参数估计

0 引言

鱼雷攻击的目标通常是水面舰艇或潜艇[1], 但水声对抗器材也对鱼雷构成了很大的威胁。当鱼雷攻击潜艇时, 潜艇可以使用自身配备的对抗器材, 对鱼雷的攻击实施干扰和诱骗, 使其毁坏或被假目标诱骗, 从而提高自身的生存能力。随着各种声诱饵的不断出现, 新型的声诱饵已能够模拟潜艇的各种声学特征。因此, 为了正确地对目标进行攻击, 鱼雷应该具备对潜艇目标和诱饵进行识别的能力。这就需要对水下目标识别方法进行深入研究。

声诱饵相比于潜艇具有较小的尺寸, 如果能够判断出作为体目标的潜艇目标, 就能够将其与作为点目标的声诱饵区分开来。本文研究的主要目的就是根据分布式目标建模理论, 建立潜艇分布式目标回波模型, 并对其进行高分辨方位估计, 从而对潜艇结构进行识别。它的完成可以提高鱼雷自导系统识别潜艇目标结构的能力, 进而为目标识别、分类以及选择对要害部位进行攻击等提供有效的技术支持。

1 分布式目标建模理论

在现实世界中, 目标都有一定的体积, 每个目标在方位上都会占据一定的空间而不是一个点, 也就是说都表现为一定的空间分布, 这种目标称之为分布式目标。针对现实应用, 国内外研究者建立了分布源目标模型, 提出了角功率密度(angular power density, APD)的概念, 并用若干个参数来描述分布源信号[1-2]。

式中

假设从不同方向来的分布源信号不相关, 那么互相关核函数可以简化为

式(6)表示第个分布源的角自相关核函数, 则式(3)可以改写为

2 潜艇分布式建模及其方位估计

2.1 潜艇分布式建模

理论研究和实践应用表明[4], 当入射波为高频信号时, 目标回波可看作由若干个子回波相互迭加而成, 而每个子回波均可看作从目标上的某一点发出, 此点即为亮点。亮点可以是在目标上真实存在的点, 也可是为使问题直观而等效的。

潜艇的回波主要由移动亮点和固定亮点组成, 移动亮点由表面镜反射引起, 固定亮点则由棱角反射引起。他们都对应于潜艇上的某个部位。在工程实现中, 一般将潜艇简化为几个亮点区[5], 在本文中, 把潜艇等效为3个分布源, 分别代表艇艏、舰桥和艇艉。因为鱼雷与潜艇具有相对速度, 所以每个分布源的多普勒频移不同, 因此3个分布源可以看作非相干分布源。

由于3个分布源可以作非相干分布源, 所以分布源信号的角自相关核函数可以表示为

将上式进一步简化可得

2.2 分布式目标方位估计

在点目标估计中, 多重信号分类(multiple si- gnal classification, MUSIC)算法把接收数据的协方差矩阵进行特征分解, 分解为噪声子空间和信号子空间, 将方位估计转化为对目标方位角的谱峰搜索。利用这一原理, 可将MUSIC算法推广到分布源方位估计中, 即分布式信号参数估计(dstr- ibuted sgnal prameter etimator, DSPE)算法[8-9]。该算法的使用条件为分布源信号是窄带信号, 并且信号的空间扩展形式已知。

假设接收的分布源信号个数为, 则DSPE算法可表示为

3 计算机仿真及结果分析

在前面建立的潜艇分布式模型的基础上, 用DSPE算法对潜艇分布式模型进行方位估计。

1) 仿真1: 假设鱼雷发出的寻的信号为CW脉冲信号, 信号载波频率30 kHz。鱼雷与潜艇相距500 m, 两者相对速度3 m/s。接收基阵为半波长间隔均匀的10×10平面阵, 背景噪声为各向同性加性白噪声, 信噪比20 dB。取声速1 500 m/s, 采样频率80 kHz。仿真计算潜艇3个分布源的回波信号方位估计谱图。鱼雷相对于潜艇的方位角取不同值时, 仿真结果如图1~图3所示。

图1 鱼雷相对于潜艇的方位角β=30°时的方位估计谱图

图2 时方位估计谱图

图3时方位估计谱图

图4时方位估计谱图

图5时方位估计谱图

图6时方位估计谱图

4 结束语

本文根据分布式目标建模理论建立了潜艇分布式目标模型, 并利用DSPE方位估计方法对模型进行了方位估计, 同时利用平面阵进行了计算机仿真。仿真结果表明, 利用本文的方法, 鱼雷能很好的对潜艇结构进行识别, 从而把潜艇和声诱饵区分开来, 提高了对真实目标的攻击能力。

[1] 李强. 分布源目标方位估计研究[D]. 西安: 西北工业大学, 2007.

[2] 马培峰, 严胜刚. 分布式目标方位估计的一种改进算法 [J]. 弹箭与制导学报, 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.

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[5] 刘文远, 赵金海, 宋永峰, 等. 基于修正亮点模型的水下体目标建模技术[J]. 鱼雷技术, 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.

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[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.

(责任编辑: 杨力军)

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.

国家自然科学基金(51179157), 国家自然科学基金(51179158).

董仲臣(1979-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为水声信号处理和潜艇作战系统作战效能分析.