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原文传递基于共址MIMO图像声纳的水下运动小目标检测跟踪技术研究

论文题名：	基于共址MIMO图像声纳的水下运动小目标检测跟踪技术研究
关键词：	水下目标;图像声纳;TBD算法;跟踪性能
摘要：	近年来，利用蛙人等小型武器进行近岸袭击和破坏的危害性越来越大，小目标探测成为近岸警戒的主要任务之一。但在复杂的近岸浅海环境下，强噪声、强混响和强杂波的背景使小目标探测声纳很容易发生“近视眼”或“狼来了”的现象，也就是检测概率不够且虚警概率过高，这也是小目标探测亟待解决的难题。小目标探测声纳属于高分辨图像声纳，涉及的技术有小目标高分辨成像技术、混响杂波抑制技术、低信噪比动目标检测与参数估计技术、运动小目标跟踪技术和小目标识别技术。在满足预警距离要求下如何提高成像分辨率，在低信噪比条件下如何保证小目标检测跟踪性能的问题是论文的主要方向。论文工作主要有四部分：共址 MIMO（Multi-Input-Multi-Output）声纳高分辨成像、声图像序列动目标检测、分裂波束相位图像序列动目标检测和水下运动小目标的检测与跟踪。　　第一部分工作主要围绕共址 MIMO声纳高分辨成像方法展开研究。论文将共址MIMO技术引入高分辨图像声纳中，获得虚拟孔径，提高成像方位分辨率和信噪比处理增益。论文首先建立了MIMO声纳信号模型，研究了共址MIMO声纳成像原理，在常规波束形成算法基础上推导出共址 MIMO声纳近场聚焦宽带波束形成成像算法，仿真分析了基于波形分集的共址MIMO声纳近场宽带成像的性能优越性；并构建2发18收信道水池试验系统，分析验证了共址MIMO声纳的成像性能和抗混响能力。　　传统跟踪前检测（Detec-Before-Track, DBT）方法的基于单帧图像检测的检测概率较低，虚假杂波较多，而检测前跟踪（Track-Before-Detect, TBD）方法适用于微弱目标检测与跟踪，因此第二部分和第三部分围绕水下运动小目标的检测前跟踪（TBD）算法开展工作。其中第二部分提出了一种基于声图像序列的动目标检测算法，共址 MIMO图像声纳可获取三维距离－方位—帧时间图像序列，将三维图像序列累积投影成二维距离－方位图像；利用改进的二维CFAR轨迹检测器，对累积图像进行轨迹检测（即第一阈值检测）；利用Hough变换将检测结果投影到参数空间，完成非相干累积，在参数空间进行第二阈值检测。通过数值仿真得到：择大累积方式的检测性能优于求和累积、及先检测后累积方式；改进的二维 CFAR轨迹检测器性能优于单元平均（CA）和剔除平均（TM）CFAR检测器；基于择大累积 CFAR-Hough变换轨迹检测性能优于基于单帧图像检测，最后对水下运动小目标检测性能进行了水池试验验证。　　第三部分将分裂波束相位特性作为检测的检验统计量，提出一种分裂波束相位图像序列动目标检测算法。在给出分裂波束相位成像方法的基础上利用分裂波束相位的标准差倒数（记作SDR, Standard Deviation Reciprocal）来进行目标检测；利用分裂波束相位SDR图像序列的二维距离-帧时间信息（记作SDRIS_R-F, Standard Deviation Reciprocal Image Sequences_Range-Frame）来进行动目标检测,剔除静目标和干扰；将各方位对应的分裂波束相位 SDRIS_R-F图像进行择大累积，利用每帧每个距离单元最大值（记为SDRIS_R-F_Max）对应的波束号来确定目标方位,以解决目标在运动过程中方位变化较大的问题。本算法分裂波束相位的求解不需要解模糊；分裂波束相位 SDR成像方法的信噪比处理增益优于常规波束形成方法，提高了低信噪比下检测的稳健性。最后水池试验通过对单目标和双目标的检测验证了该算法的可行性和性能。　　第四部分结合第一、二和三部分工作给出了一种水下运动小目标检测跟踪问题的解决方法。利用第一部分的共址MIMO图像声纳提高成像方位分辨率和信噪比处理增益，以便于后续检测跟踪。利用第二、三部分提出的基于声图像序列和分裂波束相位图像序列的两种 TBD算法提取目标起始航迹，根据起始轨迹引导后续重点检测区域，保证检测性能和跟踪滤波精度。另外每经过一段时间累积，都可按照起始航迹的检测方式，提取目标短时轨迹，其结果与实时检测跟踪处理获得的轨迹做对比验证，修正偏离的航迹或继续终止的航迹，以提高目标轨迹的可靠性和低虚警率，最后对该方法进行了水池试验验证。
作者：	滕婷婷
专业：	水声工程
导师：	孙大军
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文