李 嶷 陳新華 鄭恩明 方 華 王麟煜
(中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所 北京 100190)
隨著減震降噪技術(shù)的不斷發(fā)展,水中目標(biāo)變得日益安靜,而淺海聲傳播又非常復(fù)雜,所以導(dǎo)致單個(gè)聲吶探測(cè)目標(biāo)的難度越來(lái)越大。因此,人們考慮建立以主動(dòng)聲吶為基礎(chǔ)的多節(jié)點(diǎn)探測(cè)警戒網(wǎng)絡(luò),它由多組主/被動(dòng)結(jié)合的雙節(jié)點(diǎn)聲吶構(gòu)成,通過(guò)增加探測(cè)節(jié)點(diǎn)來(lái)獲取更多的信息,相對(duì)于單節(jié)點(diǎn)聲吶有可能提高系統(tǒng)探測(cè)能力。
在多節(jié)點(diǎn)聲吶探測(cè)方面開(kāi)展工作較多的是北大西洋公約組織的水下研究中心,他們著重在目標(biāo)自動(dòng)跟蹤和多節(jié)點(diǎn)信息處理方面展開(kāi)研究,在目標(biāo)跟蹤方面的創(chuàng)新點(diǎn)包括:分析亮點(diǎn)協(xié)方差的統(tǒng)計(jì)特性,采用計(jì)算高效的多假設(shè)數(shù)據(jù)聯(lián)合算法,利用集中式和分布式數(shù)據(jù)融合架構(gòu)來(lái)優(yōu)化跟蹤性能等[1?5]。他們的研究主要集中在理論和仿真分析方面,也做過(guò)有限的幾次海上實(shí)驗(yàn)[6?8],實(shí)驗(yàn)中的回波用回聲發(fā)生器模擬產(chǎn)生。北大西洋公約組織的研究人員用海試數(shù)據(jù)研究了基于亮點(diǎn)的目標(biāo)跟蹤方法,采用最大似然概率數(shù)據(jù)聯(lián)合跟蹤架構(gòu)對(duì)亮點(diǎn)進(jìn)行順序處理,該方法適用于觀測(cè)到的亮點(diǎn)較少的情況[9?10];Braca等[11]和Papa等[12]利用海試數(shù)據(jù)研究了分布式融合策略,分別對(duì)基于亮點(diǎn)和基于軌跡的兩種數(shù)據(jù)共享模式進(jìn)行了分析,亮點(diǎn)共享采用貝葉斯尋跡方法,軌跡共享采用基于聯(lián)合事件的順序判決方法,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析說(shuō)明采用融合策略得到的目標(biāo)探測(cè)性能比單節(jié)點(diǎn)探測(cè)的性能更優(yōu),文中還分析了通信能力下降對(duì)跟蹤性能的影響;Sildam等[13]根據(jù)目標(biāo)的速度、航向、回波占據(jù)的波束數(shù)量等對(duì)亮點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征抽象,根據(jù)特征信息的差異和特征數(shù)量對(duì)亮點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)得到軌跡,文中得到了四種類(lèi)型的軌跡;Ferri等[14]研究了多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)的自治策略,提出一種用在AUV上的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)任務(wù)管理層方法,它通過(guò)合理調(diào)配AUV來(lái)提高對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤性能。國(guó)內(nèi)在多節(jié)點(diǎn)聲吶目標(biāo)跟蹤方面的研究以數(shù)據(jù)仿真為主,提出了各種基于濾波理論的目標(biāo)跟蹤算法[15?16]。但是,目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果。
本文以真實(shí)目標(biāo)為探測(cè)對(duì)象,對(duì)多節(jié)點(diǎn)聲吶探測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,根據(jù)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的回波信號(hào)質(zhì)量差、虛警概率高等現(xiàn)象,提出一種適用于低信噪比的多節(jié)點(diǎn)條件下目標(biāo)跟蹤方法。
多節(jié)點(diǎn)聲吶探測(cè)模型中通常有一個(gè)或多個(gè)主動(dòng)聲吶以及多個(gè)被動(dòng)聲吶,它可視為由一組組的雙節(jié)點(diǎn)聲吶探測(cè)模型構(gòu)成。雙節(jié)點(diǎn)聲吶中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)為主/被動(dòng)聲吶,它發(fā)射全向主動(dòng)信號(hào),并接收目標(biāo)回波信號(hào);另一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為被動(dòng)聲吶,接收目標(biāo)的回波信號(hào)。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步,且每個(gè)節(jié)點(diǎn)能判斷信號(hào)到達(dá)的方位和時(shí)間。
雙節(jié)點(diǎn)聲吶探測(cè)布局圖如圖1所示。圖中S/R為收發(fā)一體的節(jié)點(diǎn),R為接收節(jié)點(diǎn),T為目標(biāo),α為目標(biāo)回波信號(hào)到S/R節(jié)點(diǎn)的入射角度,β為目標(biāo)回波信號(hào)到R節(jié)點(diǎn)的入射角度,p1為發(fā)射的脈沖信號(hào),p2為到達(dá)S/R節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)回波信號(hào),p3為到達(dá)R節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)回波信號(hào)。圖1中時(shí)間軸0點(diǎn)對(duì)應(yīng)發(fā)射脈沖信號(hào)的起始時(shí)刻t1,t2為回波信號(hào)p2到達(dá)S/R節(jié)點(diǎn)的時(shí)間,t3為回波信號(hào)p3到達(dá)R節(jié)點(diǎn)的時(shí)間。
圖1 雙節(jié)點(diǎn)聲吶探測(cè)布局圖Fig.1 Layout of bistatic sonar
雙節(jié)點(diǎn)聲吶中主動(dòng)聲吶節(jié)點(diǎn)分批次發(fā)射主動(dòng)脈沖信號(hào),當(dāng)所有聲吶接收完該批次的回波信號(hào)后,主動(dòng)聲吶節(jié)點(diǎn)再發(fā)射下一批次主動(dòng)脈沖信號(hào)。針對(duì)每批次脈沖,以主動(dòng)聲吶節(jié)點(diǎn)發(fā)射脈沖信號(hào)的起始時(shí)刻作為時(shí)間起點(diǎn),經(jīng)數(shù)據(jù)處理后,各聲吶節(jié)點(diǎn)能得到一幅時(shí)間-方位-信號(hào)強(qiáng)度三維圖,如圖2所示,圖中箭頭指示的強(qiáng)信號(hào)區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)回波信號(hào)。從圖2可看出,在低信噪比情況下,很難從如圖2所示的雜亂圖中提取出干凈的目標(biāo)回波,通常目標(biāo)回波與大量雜波混在一起,甚至可能提取出的全是雜波信號(hào)。
當(dāng)信噪比較高時(shí),根據(jù)雙節(jié)點(diǎn)聲吶工作原理和目標(biāo)回波出現(xiàn)的時(shí)間/方位可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位,且對(duì)于雙節(jié)點(diǎn)聲吶的兩個(gè)節(jié)點(diǎn),它們分別測(cè)量得到一組目標(biāo)定位值。
圖2 目標(biāo)回波探測(cè)結(jié)果Fig.2 Echo of target
對(duì)于主被動(dòng)一體的聲吶節(jié)點(diǎn),得到目標(biāo)定位結(jié)果為
同理,對(duì)于被動(dòng)聲吶節(jié)點(diǎn),得到目標(biāo)定位結(jié)果為
實(shí)際工作中,很難準(zhǔn)確地判定哪個(gè)信號(hào)為回波信號(hào),因此通常會(huì)把大量的雜波信號(hào)作為可能的回波信號(hào)進(jìn)行處理。將這些信號(hào)參數(shù)代入式(1)或式(2)后,可計(jì)算得到亮點(diǎn)坐標(biāo)位置。針對(duì)每批次主動(dòng)脈沖信號(hào),能計(jì)算得到一批亮點(diǎn),它們中的大部分可能都是由雜波信號(hào)計(jì)算得到。將各批次亮點(diǎn)按照時(shí)間排序,得到如圖3所示結(jié)果。
圖3 亮點(diǎn)數(shù)據(jù)的空、時(shí)分布圖Fig.3 Space and time distribution of contacts
對(duì)于水中運(yùn)動(dòng)目標(biāo),其航速較低,運(yùn)動(dòng)方向變化緩慢,所以可以用勻速運(yùn)動(dòng)模型來(lái)表示。即:?jiǎn)蝹€(gè)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)在時(shí)間序列tk∈(tn1,tn2,···)上觀測(cè)到目標(biāo)狀態(tài)為
其中,k對(duì)應(yīng)主動(dòng)脈沖信號(hào)發(fā)射批次,且
其中?tk=tk+1?tk,wk為零均值高斯白噪聲,滿(mǎn)足wk~N(0,Qk),xk、yk為由公式(1)、公式(2)計(jì)算得到的目標(biāo)坐標(biāo),˙xk、˙yk為由目標(biāo)前后時(shí)刻坐標(biāo)推算得到的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度。由式(3)可知,由于水中目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度較慢、運(yùn)動(dòng)方向變化緩慢,所以當(dāng)主動(dòng)聲吶發(fā)射脈沖時(shí)間間隔較短時(shí),被動(dòng)聲吶檢測(cè)到的目標(biāo)位置坐標(biāo)變化不會(huì)太大。
根據(jù)目標(biāo)勻速運(yùn)動(dòng)特性,可對(duì)圖3采用M/N確認(rèn)邏輯進(jìn)行目標(biāo)軌跡判斷,即:當(dāng)在N個(gè)連續(xù)的脈沖批次中有M個(gè)亮點(diǎn)的位置在預(yù)測(cè)范圍內(nèi)變化時(shí),認(rèn)為這N個(gè)亮點(diǎn)為目標(biāo)軌跡點(diǎn),否則認(rèn)為是雜波點(diǎn)。如圖3所示,圖中星點(diǎn)為確認(rèn)得到的目標(biāo)軌跡點(diǎn),其余為需要剔除的雜波點(diǎn)。
理論上,各聲吶節(jié)點(diǎn)探測(cè)得到的真實(shí)目標(biāo)軌跡應(yīng)該重合。但是,當(dāng)信噪比較低時(shí),各節(jié)點(diǎn)得到的軌跡為散亂的斷續(xù)軌跡線段,其中很多軌跡為虛假軌跡,各節(jié)點(diǎn)得到的軌跡線段間也沒(méi)有重合區(qū)段。因此,這給后續(xù)的多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合增加了難度。
為充分利用多節(jié)點(diǎn)探測(cè)的優(yōu)勢(shì),本文利用“結(jié)合置信度水平的表決融合”算法來(lái)研究目標(biāo)真實(shí)軌跡。
首先,對(duì)目標(biāo)軌跡進(jìn)行置信度劃分,用軌跡上亮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的回波信噪比來(lái)描述置信度水平,當(dāng)軌跡上各點(diǎn)的信噪比(S/N)較高時(shí),認(rèn)為這條軌跡的置信度水平也較高;否則,認(rèn)為置信度水平較低。例如:在圖4中,根據(jù)目標(biāo)的勻速運(yùn)動(dòng)特性,可以由左邊的亮點(diǎn)得到右邊兩種目標(biāo)軌跡。但是,圖4中軌跡2上的定位點(diǎn)信噪比高于軌跡1上的定位點(diǎn)信噪比,所以軌跡2的置信度水平更高。
在確定了軌跡置信度后,算法對(duì)軌跡進(jìn)行投票表決。當(dāng)認(rèn)定目標(biāo)軌跡“存在”的聲吶節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)達(dá)到一定門(mén)限且軌跡的綜合置信度水平達(dá)到一定程度時(shí),對(duì)目標(biāo)軌跡予以最終確認(rèn);否則,拋棄該段軌跡。這里,節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與綜合置信水平之間具有一定的補(bǔ)充性,當(dāng)參與確認(rèn)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)很多時(shí),對(duì)置信水平的要求可適當(dāng)放低;相反地,當(dāng)置信水平較高時(shí),參與確認(rèn)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)可減少一些。
考慮到表決融合算法對(duì)于輸入量應(yīng)為邏輯值的要求,本文針對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)次檢測(cè)結(jié)果劃分若干等級(jí)作為相應(yīng)的置信水平等級(jí)。例如:A節(jié)點(diǎn)當(dāng)次檢測(cè)結(jié)果可以劃分為兩個(gè)置信水平等級(jí),分別用A1、A2表示,且A1?A2,即在A2的置信水平下檢測(cè)到目標(biāo)時(shí),則必然在A1的置信水平下也檢測(cè)到目標(biāo);反之則不然。
對(duì)于上面所述的雙節(jié)點(diǎn)聲吶探測(cè)模式,假設(shè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)分別為A、B,此處采用“與或”邏輯關(guān)系得到系統(tǒng)檢測(cè)概率為
利用概率公式P(X+Y)=P(X)+P(Y)?P(XY)和Pd(A1A2)=Pd(A2)及Pd(B1B2)=Pd(B2),得到
同理可得到雙節(jié)點(diǎn)聲吶系統(tǒng)的虛警概率為
假設(shè)置信度為A1、B1的檢測(cè)概率分別為Pd(A1)=0.9、Pd(B1)=0.9,置信度為A2、B2的檢測(cè)概率分別為Pd(A2)=0.8、Pd(B2)=0.8,且A、B節(jié)點(diǎn)相互獨(dú)立探測(cè),那么由公式(7)得到經(jīng)過(guò)“與或”處理后的檢測(cè)概率為Pd=0.97。也就是說(shuō),在沒(méi)有提高檢測(cè)門(mén)限的情況下,通過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合,可以提高系統(tǒng)整體檢測(cè)概率。
從上面的分析可看出,置信度級(jí)別數(shù)目的確定取決于算法融合系統(tǒng)對(duì)事件檢測(cè)概率和虛警概率的要求以及對(duì)目標(biāo)跟蹤精度的要求等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者將對(duì)各節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果和置信度級(jí)別進(jìn)行組合,當(dāng)組合后的結(jié)果滿(mǎn)足系統(tǒng)要求的指標(biāo)時(shí),可認(rèn)為置信度等級(jí)劃分和組合模式設(shè)計(jì)是合理的,否則應(yīng)對(duì)置信度水平劃分和各節(jié)點(diǎn)探測(cè)結(jié)果的邏輯組合模式進(jìn)行調(diào)整。
最后,由于在低信噪比條件下各節(jié)點(diǎn)得到的軌跡斷續(xù)、不重合,而且存在交叉、分岔等特點(diǎn),所以很難用軌跡線的方式將各段軌跡進(jìn)行合并后擬合。本文在經(jīng)過(guò)上述單節(jié)點(diǎn)聲吶濾波、多節(jié)點(diǎn)聲吶數(shù)據(jù)融合后,將各聲吶節(jié)點(diǎn)剩下的所有亮點(diǎn)視為目標(biāo)軌跡點(diǎn),后期對(duì)這些亮點(diǎn)采用最小二乘法進(jìn)行軌跡擬合。
由前面的理論分析可知,本文提出的低信噪比條件下多節(jié)點(diǎn)聲吶目標(biāo)跟蹤算法可分為如下步驟實(shí)現(xiàn):
(1)對(duì)單節(jié)點(diǎn)探測(cè)結(jié)果利用匹配濾波方法確定可能的目標(biāo)回波信號(hào);
(2)根據(jù)回波信號(hào)的到達(dá)時(shí)間和方位由公式(1)、公式(2)確定目標(biāo)坐標(biāo)值,即亮點(diǎn)值;
(3)依據(jù)目標(biāo)的時(shí)間、空間連續(xù)性特征,由公式(3)將亮點(diǎn)中的雜波點(diǎn)剔除;
(4)根據(jù)回波信號(hào)的信噪比強(qiáng)度對(duì)亮點(diǎn)劃分置信度等級(jí);
(5)結(jié)合置信度水平,利用表決融合方法對(duì)多個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)得到的亮點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的剔除、篩選;
(6)利用最小二乘法對(duì)剩下的亮點(diǎn)進(jìn)行軌跡擬合。
本文算法既考慮了單節(jié)點(diǎn)的探測(cè)結(jié)果,又充分利用了多個(gè)節(jié)點(diǎn)的探測(cè)優(yōu)勢(shì);既考慮了目標(biāo)在時(shí)間、空間上的連續(xù)性,又考慮了回波信號(hào)的信噪比大小。最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)的較高精度探測(cè)。
將本文提出的算法應(yīng)用于雙節(jié)點(diǎn)聲吶海試數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中,A船自發(fā)自收脈沖信號(hào),B船被動(dòng)接收信號(hào),合作目標(biāo)C經(jīng)過(guò)觀測(cè)區(qū)域。A、B兩船通過(guò)GPS進(jìn)行定位和數(shù)據(jù)同步,兩船上的聲吶均具有測(cè)向功能。
首先,分別對(duì)A、B船上聲吶檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行處理,提取目標(biāo)回波信號(hào),并計(jì)算目標(biāo)坐標(biāo)。如圖5所示,圖中線段為A、B、C船的真實(shí)軌跡,線段上的三角形為船只的運(yùn)動(dòng)起點(diǎn),圖中散布的點(diǎn)為計(jì)算得到的亮點(diǎn)。從圖中可看出,A船信號(hào)質(zhì)量非常不好,虛警太高,亮點(diǎn)幾乎均勻地分布在整個(gè)探測(cè)空間;B船的探測(cè)結(jié)果相對(duì)較好,但是亮點(diǎn)與真實(shí)軌跡的誤差仍非常大,僅在目標(biāo)軌跡的最后階段,亮點(diǎn)與目標(biāo)真實(shí)軌跡幾乎完全重合。
圖5 A、B船處理得到的原始亮點(diǎn)Fig.5 Original contacts of ship A and B
由于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)為連續(xù)運(yùn)動(dòng),所以前后相鄰的兩批次脈沖間隔時(shí)間內(nèi),目標(biāo)的方位信息不會(huì)發(fā)生急劇變化。根據(jù)此特性,可分別計(jì)算得到A、B船確定的目標(biāo)軌跡點(diǎn),它們滿(mǎn)足空間、時(shí)間連續(xù)性條件,反之,不滿(mǎn)足此條件的亮點(diǎn)視為野點(diǎn)。
進(jìn)一步,根據(jù)軌跡上定位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)回波信噪比大小,對(duì)軌跡進(jìn)行置信度等級(jí)劃分。如圖6所示,此處將每艘船得到的軌跡劃分為三個(gè)級(jí)別,分別為A1、A2、A3和B1、B2、B3。其中A1、B1的置信度級(jí)別最低,A3、B3的置信度級(jí)別最高,且A1?A2?A3、B1?B2?B3。從圖6可看出,A船得到的軌跡置信度普遍不高;B船得到的軌跡置信度較高,尤其在目標(biāo)軌跡的最后階段,軌跡置信度非常高。
圖6 A、B船由亮點(diǎn)得到的軌跡點(diǎn)及置信度劃分Fig.6 Tracks derived from contacts and their confidence levels
得到斷續(xù)軌跡并劃分完置信度等級(jí)后,可采用“結(jié)合置信度水平的表決融合”算法對(duì)軌跡進(jìn)行投票表決。本次實(shí)驗(yàn)按照下述組合邏輯進(jìn)行軌跡判斷和融合,并拋棄不滿(mǎn)足此邏輯的亮點(diǎn):
以A1B2為例,當(dāng)A船確定的某條軌跡中有屬于低置信度A1的點(diǎn)時(shí),那么該軌跡附近必須同時(shí)還有B船確定的某條軌跡,且B船確定的此條軌跡中有屬于較高置信度B2的點(diǎn),滿(mǎn)足上述條件時(shí)將這條軌跡上的亮點(diǎn)保留,并作為軌跡判決的輸入數(shù)據(jù)。
最后,將各聲吶節(jié)點(diǎn)保留的亮點(diǎn)綜合在一起,按照亮點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間順序,利用最小二乘法進(jìn)行擬合,得到如圖7所示結(jié)果,圖中目標(biāo)C附近的虛線為目標(biāo)的擬合軌跡,它與目標(biāo)真實(shí)軌跡曲線吻合度較高。
從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理可看出,本文采用的方法充分利用了多節(jié)點(diǎn)聲吶探測(cè)的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)信噪比較低時(shí),如果檢測(cè)門(mén)限設(shè)置過(guò)高,那么單節(jié)點(diǎn)聲吶可能無(wú)法得到目標(biāo)軌跡;如果檢測(cè)門(mén)限設(shè)置過(guò)低,那么單節(jié)點(diǎn)聲吶可能得到大量目標(biāo)軌跡虛警預(yù)報(bào)。但是,采用本文的算法,對(duì)信噪比進(jìn)行置信度等級(jí)劃分,并對(duì)多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行表決融合后,可得到目標(biāo)軌跡,且軌跡擬合效果較好,軌跡擬合誤差小。
圖7 目標(biāo)擬合軌跡示意圖Fig.7 Fitting tracks of target
本文采用分級(jí)濾波方法,首先根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性分別對(duì)各節(jié)點(diǎn)的亮點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行軌跡判定,剔除孤立的野點(diǎn);然后利用多節(jié)點(diǎn)協(xié)同探測(cè)優(yōu)勢(shì),在考慮各段軌跡置信度高低的情況下,采用多節(jié)點(diǎn)投票表決方法對(duì)軌跡進(jìn)行判斷,保留綜合性能較優(yōu)的軌跡段。算法通過(guò)單節(jié)點(diǎn)聲吶到多節(jié)點(diǎn)聲吶的逐級(jí)濾波處理,最終剔除了大部分亮點(diǎn)數(shù)據(jù),有效減少了虛警概率。
本文采用的“結(jié)合置信度水平的表決融合”算法既考慮了原始回波信號(hào)的信噪比,又考慮了軌跡的連續(xù)性和置信度水平,最后還從多節(jié)點(diǎn)聲吶決策的角度進(jìn)行了分析。從文中可看出,在低信噪比條件下,單節(jié)點(diǎn)聲吶對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位跟蹤時(shí)的誤差大,軌跡斷續(xù),很難得到目標(biāo)的真實(shí)軌跡。但是利用多個(gè)聲吶節(jié)點(diǎn)進(jìn)行探測(cè),并采用本文提出的數(shù)據(jù)融合算法后,可以充分利用各節(jié)點(diǎn)的探測(cè)優(yōu)勢(shì),提高檢測(cè)概率和目標(biāo)定位跟蹤精度。