基于运动目标的OBF方法检测性能分析

王珺琳,陈 博

(中国电子科学研究院，北京 100041)

基于运动目标的OBF方法检测性能分析

王珺琳,陈 博

(中国电子科学研究院，北京 100041)

航空磁异常探测是航空反潜的重要技术手段。现有的磁异常探测方法多是基于静止目标的假设条件，本文基于标准正交基分解(OBF)方法，建立了运动目标下的OBF检测模型，并给出了理论推导，分析说明了运动目标对OBF方法检测性能的影响，最后给出了不同目标速度和航向下的计算机仿真结果，验证了理论分析的正确性。

磁异常检测；运动目标；OBF

0 引 言

航空磁探仪作为一种有效的被动探潜设备，通过感知磁性目标扰动地磁场所产生的磁异常信号实现对潜艇目标的探测，具有隐蔽性好、连续搜索、使用简单可靠、定位精度高等优点[1]。

当目标距离传感器较近时，通过计算磁信号幅值就可以实现磁异常信号检测，文献[2-5]分别分析了不同条件下目标产生的磁异常信号对磁探仪探测性能的影响。随着距离的增大，信号强度逐渐减弱，简单的幅值计算无法检测到背景噪声中的目标信号，此时最为有效的方法为能量检测，主要从目标磁场特征和背景磁场特征两方面着手，其中，基于目标磁场特征的最具代表性的研究为Boris Ginzburg等人在2002年提出的标准正交基分解(OBF)方法[6]，但OBF算法要求背景噪声满足高斯白噪声假设，因而实际应用时需要针对环境数据进行算法的修正以获得更佳的检测效果，为此，国内学者张坚、陈敏等人分别提出了基于小波域OBF分解的磁异常信号检测算法[7]和一种自适应磁异信号检测算法[8]以改善地磁背景噪声非高斯带来的影响，现有大部分基于目标特征的磁异常检测方法都是从OBF算法演变而来。另一类磁异常检测方法是基于背景噪声(地磁场)特征分析，认为存在磁性目标时，背景噪声的信号特征会发生改变，利用该变化实现目标磁场信号的检测，该类方法的好处是无需对目标信号形式进行假设。基于背景噪声特征的磁异常检测成果也多来自于Boris Ginzburg团队的研究，主要包括最小熵滤波(MED)算法[9]和高阶过零检测(HOC)算法[10]。

能量检测方法对不同的目标磁矩具有稳定的性能，但现有的检测方法多是基于目标静止的假设条件，没有考虑目标运动对检测性能的影响。本文以OBF方法为基础，通过建立运动目标的OBF模型，分析了不同的目标速度及航向下的仿真结果，验证了不同条件下目标运动对检测性能的影响。

1 OBF模型

OBF方法[6]将潜艇偶极子模型分解成三个正交基底线性组合的形式，然后利用背景噪声与该分解基底不相关的特性，通过接收数据与三个不同正交基底的乘积求和达到目标信号能量积累的目的。其原理框图如图1所示。

图1 OBF磁异检测算法流程图

当目标距离磁传感器的距离大于目标尺度的2-3倍时，目标可被看作是磁偶极子，由磁偶极子模型可知，空间任一点处的磁场强度为[11-12]：

(1)

由于潜艇的磁感应强度的模值远小于地磁场，因此，标量磁探仪测得的磁异常值可以表示为：

(2)

建立如图2所示的坐标系，且假设目标静止，以目标为原点，传感器运动方向为X轴，垂直向上为Z轴，R0为目标到传感器运动轨迹的最短距离，D为传感器在坐标系下的横坐标，且令ω=D/R0。

图2 目标模型坐标系

(4)

其中，

(5)

an是和地磁矢量、目标磁矩矢量有关的系数。且正交基底满足如下关系：

(6)

则构建能量检测准则为：

(8)

其中：

(7)

2 运动目标OBF模型

当目标以速度vm和方向α运动时(为便于分析，这里考虑目标仅在XY平面运动，且与X轴夹角为α)，则目标运动的距离矢量为ro=(uR0cosα,uR0sinα,0)，坐标关系如图3所示。

图3 运动目标模型坐标系

这里令u=Do/R0，Do为目标横坐标。因此公式(1)中的距离矢量变为：

rv=r-ro=

(8)

为了便于分析，这里考虑β=0时的情况，因此，运动目标模型写成公式(4)的形式为：

(9)

(10)

(11)

目标运动对OBF的影响主要体现在不再满足公式(6)，即：

(12)

显然，C越接近1，公式(6)越成立，对OBF检测性能的影响越小。

3 仿真试验

(1)目标航向和速度对目标磁信号的影响

图4(a)给出了目标航向为0°时，目标静止及目标速度和载体速度比率分别为0.25和0.5时的接收目标磁信号对比；图4(b)给出了目标静止及目标和载体速度比率为0.5时，目标航向分别为0°、90°时的接收目标磁信号对比。

图4 目标航向和速度对目标磁信号的影响

从图4中曲线可以看出，目标运动会使目标信号产生幅值变化及峰值/谷值偏移等问题，并且从图中可以看出，速度比率越大，运动目标磁信号越偏离静止目标磁信号；相同速度比率下，目标航向不同也会影响目标磁信号，航向为0°时产生的变化大于航向为90°时的情况。

(2)目标航向和速度对正交基积分值的影响

图5 目标航向和速度对正交基积分值的影响

对比图5(a)中曲线，可以看出，随着速度比率的增加，两个正交基乘积的积分值越偏离1，目标航向为0°时，偏离最大，也就是说速度比率越大，对OBF的影响越大，且该情况下目标航向为0°时对OBF的影响最大；对比图5(b)中曲线，可以看出，随着目标航向的变化，两个正交基乘积的积分值呈现了非单调的变化形式，在目标航向为78°左右(临界点)时，积分值接近于1，即目标航向对OBF的影响最小。

(3)目标航向和速度对OBF检测结果的影响

图6(a)给出了无噪声条件下目标静止时和目标以航向0°，速度比率分别为0.1、0.5和0.9运动时的OBF仿真结果；图6(b)给出了信噪比为-5dB条件下目标静止时和目标以航向0°、速度比率分别为0.1、0.5和0.9运动时的OBF仿真结果。

图6 目标航向和速度对OBF检测结果的影响

对比图6中曲线，可以看出，当目标运动速度小于载体速度的一半时，对OBF的检测结果几乎没有影响，当目标速度增大到接近载体速度时，目标运动对OBF带来的主要影响为旁瓣过高，峰宽扩展偏移，OBF算法几乎失效。

4 结 语

本文通过对运动目标OBF模型的理论推导和仿真计算，对比分析了不同目标速度、目标航向等因素对目标磁信号及OBF检测性能的影响，仿真结果表明目标速度越大对OBF检测性能影响越大，且目标航向为90°时的影响要小于目标航向0°和180°；此外当目标运动速度明显小于载体速度时，对OBF算法的检测性能影响不大，当目标速度接近载体速度时，OBF算法失效。本文主要分析了目标运动对OBF检测性能的影响，并且文中做了适当的简化条件，后续工作将进一步研究更加具有普适性的磁异常检测模型。

[1] 曾小牛,李夕海.基于磁异常探测的航空反潜技术[C].国家安全地球物理专题研讨会,武汉.2009.

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[3] 曲晓慧,陈建勇,单志超. 飞机航向对航空磁探仪搜潜概率影响的仿真[J].火力与指挥控制,39(5),2014,135-141.

[4] 单志超,曲晓慧,杨日杰,周正.潜艇航向对直升机磁异探潜的影响[J].火力与指挥控制,38(2),2013.62-68.

[5] 闫晓伟，段立召.潜艇磁矩对反潜直升机磁探宽度的影响[J]. 船电技术, 33(2),2013,18-21.

[6] Boris Ginzburg, Lev Frumkis, Ben-Zion Kaplan.Processing of magnetic scalar gradiometer signals using orthonormalized functions[J]. Sens.ActuatorsA,Phys.,vol.102,no.1/2,pp.67-75,2002.

[7] 张坚,林春生,邓鹏等.基于小波域OBF分解的磁异常信号检测算法.弹箭与制导学报,31(6),2011,187-189.

[8] 陈敏,潘仲明.磁异信号自适应检测算法.传感技术学报,27(7),2014,916-921.

[9] Arie Sheinker，Nizan Salomonski，Boris Ginzburg，et al．Magneric Anomaly Detection Using Entropy Filter．Measurement Science and Technology,1-4,2008,19:045205．

[10]Arie Sheinker, Boris Ginzburg, Nizan Salomonski, Magnetic anomaly detection using high-order crossing method[J].IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING,VOL.50,NO.4,2012.

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[12]任来平，赵俊生，侯世喜.磁偶极子磁场空间分布模式[J].海洋测绘，22(2),2002,18-21.

The Analysis of OBF Detection Performance Based on Moving Object

WANG Jun-lin, CHEN Bo

(China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 100041，China)

The Aeromagnetic Exploration is the main method in Air Anti-Submarine. Most of magnetic anomaly detection methods are based on the assumption that the object is static. An model of moving object based on orthonormalized functions detection is proposed in the paper, and the theoretical calculation is made, which analyzes the effect of moving object for OBF detection performance. The simulation results based on different velocity and course of the moving object are given in the end, which indicate the theoretical analysis is correct.

magnetic anomaly detection；moving object；OBF

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.01.009

2016-12-09

2017-01-15

王珺琳(1986—)，女，黑龙江人，博士。

E-mail:kuailewujiang@126.com

陈 博(1985—)，女，河南人，博士，主要研究方向为SAR图像目标识别，机器学习。

P631.2

A

1673-5692(2017)01-047-05