基于跨子带候选方位竞争门控的宽带水声目标跟踪方法

本发明涉及采用无线电波的反射或再辐射的定位或存在检测，特别是一种基于跨子带候选方位竞争门控的宽带水声目标跟踪方法。

背景技术：

1、在水声目标检测、水下航行器探测、水下安防预警、以及船载或固定式声呐系统中，通常需要利用水听器阵列接受的水声信号确定目标来波方向。除获得单个时间窗内的目标方位外，实际水声探测系统还需要在连续时间窗内形成稳定、可信的目标方位序列，以支持目标态势感知、运动状态分析及后续航迹处理。

2、现有水声目标方位估计方法通常采用常规波束形成、最小方差无失真相应、music、压缩感知或宽带空间谱融合等处理方式，在预设角度范围内形成空间谱，并根据空间谱峰值确定目标方位。在信噪比较高、传播环境相对稳定且干扰较弱的条件下，空间谱主峰能够较好地反应目标来波方向。

3、然而，在低信噪比、强干扰、多途传播、阵列失配及宽带水声信道非平稳条件下，各频率子带的空间谱中容易出现噪声峰、旁瓣峰、多途峰或局部失稳峰。同一时间窗内还可能同时存在多个幅值接近的候选谱峰。若直接将空间谱最大峰对应的方位作为当前时间窗的目标方位，或者直接采用该方位更新连续跟踪状态，容易将局部伪峰误认为目标峰，从而引起目标方位序列突变、持续偏移或错误跟踪。

4、为提高目标方位输出的稳定性，部分现有方法采用信噪比阈值、谱峰幅值阈值、峰背景比、方位变化门限或历史平滑约束，对当前方位观测进行筛选或平滑处理。上述方法能够在一定程度上抑制低质量观测，但通常侧重于评价单个候选谱峰本身是否突出，或者评价当前候选方位与历史输出方位之间是否连续。当同一时间窗内存在多个均具有一定谱峰质量和历史匹配程度的候选方位时，仅依据单个候选的质量指标或时序可靠性指标，难以判断其中评分最高的候选方位相对于其他候选方位是否具有足够的区分优势。

5、宽带水声信号在不同频率子带中的传播衰减、多途结构及噪声分布通常存在差异。仅在单个频率子带内比较主峰与次峰，容易收到局部信道起伏和随机噪声的影响，也难以充分利用目标方位在多个频率子带之间应当具有一定一致性的特征。如果未对不同频率子带中的候选谱峰进行关联和归并，而直接基于单个谱峰幅值或局部峰值差进行目标方位更新，仍可能将仅存在于少数频率子带中的孤立噪声峰、旁瓣峰或多途峰作为有效目标观测。

6、此外，在当前时间窗的候选方位存在较强歧义时，若仍采用观测方位对历史跟踪状态进行完全封信，容易造成连续方位输出跳变；若对所有存在歧义的观测均直接舍弃，又可能造成目标方位输出终端。现有连续方位更新方法通常难以分别评价当前候选方位是否具有足够的跨子带观测证据、是否与目标历史运动状态相匹配，以及最后候选方位是否相对于其他候选方位具有足够的竞争优势，因为难以根据不同观测状态对目标方位更新强度进行分级控制。

7、因此，需要提出一种宽带水声目标方位连续跟踪方法，对不同频率子带中的候选峰值进行关联和归并，形成具有跨子带支持关系的候选方位假设：分别评价候选方位假设的观测证据、时序可靠性以及不同候选方位假设之间的竞争程度；并根据上述不同性质的评价结果确定当前观测方位对连续跟踪状态的更新方式，从而降低噪声峰、旁瓣峰、多途峰及局部频率子带失稳峰触发错误方位更新的概率，提高宽带水声目标方位连续输出的稳定性和可靠性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种基于跨子带候选方位竞争门控的宽带水声目标跟踪方法，其能够提高水声目标物尤其是移动目标物的跟踪精度，且能够稳定、可靠的连续输出水声目标物的方位。

2、本发明的技术方案是：一种基于跨子带候选方位竞争门控的宽带水声目标跟踪方法，其中，包括以下步骤：

3、s1、候选方位观测生成；

4、s2、候选谱峰质量评估与筛选；

5、s3、跨子带候选方位假设形成与候选竞争判定；

6、s4、候选方位时序可靠性评估；

7、s5、目标方位连续跟踪的分级门控更新。

8、本发明的步骤s1中，当输入为宽带水声信号时，获取水听器阵列采集的宽带水声信号，设水听器阵列包括个阵元，第个阵元接收的时域离散信号表示为：

9、，

10、其中，表示离散采样点索引；

11、对各阵元接收信号进行分帧、加窗和时频分解：设分析窗长为，帧移为，分析窗函数为，离散傅里叶变换长度为，第个频率子带对应的离散频点编号为，则第个时间窗、第个阵元在第个频率子带处的复数频域系数为：

12、，

13、其中，为虚数单位，满足；

14、将同一时间窗、同一频率子带内各阵元的复数频域系数组成阵列观测向量：

15、，

16、采用最小方差无失真响应方法形成空间谱，使用第个时间窗附近的个快拍计算样本协方差矩阵，并进行对角加载：

17、，

18、其中，表示第t个时间窗、第b个频率子带经快拍平均并进行对角加载后的样本协方差矩阵估计值；表示参与协方差矩阵估计的第个快拍观测向量；上标表示共轭转置；表示非负对角加载系数；表示单位矩阵；

19、第个时间窗、第个频率子带在扫描方位角处的空间谱表示为：

20、，

21、其中，表示第个频率子带、扫描方位角对应的阵列导向矢量；表示第t个时间窗、第b个频率子带的样本协方差矩阵估计值的逆矩阵；

22、在预设扫描角度范围内搜索空间谱的局部极大值，并从第个频率子带中提取不超过个候选谱峰，得到候选方位角：

23、，

24、候选谱峰满足局部极大值条件及预设最小峰间距条件，对每个候选谱峰提取的谱峰结构参数包括主峰峰值、峰背景比、局部峰值区分度、谱峰半高宽和局部旁瓣能量比例；

25、峰背景比表示为：

26、，

27、其中，表示候选谱峰邻域内排除主峰区域后的平均背景谱值；表示预设的极小正数；

28、局部峰值区分度表示为：

29、，

30、其中，表示该候选谱峰预设邻域内除主峰外的最大局部谱峰值；

31、谱峰半高宽表示空间谱下降至主峰峰值预设比例时对应的角度宽度。

32、步骤s2的具体实现过程如下所述：

33、s2.1、对主峰峰值、峰背景比、局部峰值区分度、谱峰半高宽和局部旁瓣能量比例分别进行归一化处理；

34、s2.2、根据候选谱峰的谱峰强度、峰背景对比度、局部峰值区分度、谱峰宽度和局部旁瓣特征，对候选谱峰的局部峰形质量进行评估：

35、第个时间窗、第个频率子带、第个候选谱峰的谱峰质量指标表示为：

36、，

37、其中，表示归一化谱峰峰值；表示归一化峰背景比；表示归一化局部峰值区分度；表示归一化谱峰半高宽；表示归一化旁瓣能量比例；为非负权重系数，满足：

38、；

39、主峰峰值、峰背景比和局部峰值区分度属于正向评价项；谱峰半高宽和局部旁瓣能量比例属于惩罚项；

40、s2.3、根据候选谱峰与相邻频率子带中候选谱峰之间的归一化方位偏差，对候选谱峰的跨子带方位一致性进行评估：

41、:候选谱峰与相邻频率子带候选谱峰之间的归一化方位偏差为：

42、，

43、其中，表示第个频率子带的相邻子带集合；表示第个时间窗、第个频率子带中的候选谱峰索引集合；表示相邻子带允许的参考角度偏差；

44、当相邻频率子带中不存在候选谱峰时，将设为1；表示两个候选方位角之间的角度距离函数，用于衡量第b个频率子带候选谱峰与相邻频率子带候选谱峰之间的方位偏差；表示第t个时间窗、第b'个频率子带中的第q个候选谱峰对应的候选方位角；

45、当同时满足，以及时，将候选谱峰保留为有效候选谱峰；否则，将其判定为异常候选谱峰；

46、其中，表示谱峰质量阈值；表示跨子带方位一致性阈值。

47、将同一时间窗内分属于不同频率子带，并且候选方位角之间的角度距离不大于预设归并阈值的有效候选谱峰归并为同一候选方位假设；

48、同一候选方位假设内的同一频率子带最多保留一个有效候选谱峰；当同一频率子带中的多个有效候选谱峰均满足同一候选方位假设的归并条件时，保留其中谱峰质量最高的有效候选谱峰；

49、设第个时间窗内第个候选方位假设包含的有效候选谱峰索引集合为：

50、，

51、其中，表示第个时间窗内第个候选方位假设对应的角度邻域；

52、对于非周期扫描角度，第个候选方位假设的代表方位表示为：

53、，

54、当方位角采用周期角度表示时，采用加权圆均值确定候选方位假设的代表方位；

55、第个候选方位假设的跨子带支持度表示为：

56、，

57、其中，表示第个候选方位假设覆盖的不同频率子带数量，表示第个时间窗内参与统计的有效频率子带数量；

58、第个候选方位假设内有效候选谱峰的平均质量表示为：

59、，

60、候选方位假设内部的加权角度离散度表示为：

61、，

62、候选方位假设的角度集中程度表示为：

63、，

64、其中，表示预设的最大参考角度离散度；

65、第个候选方位假设的综合竞争评分表示为：

66、，

67、其中，为非负权重系数，满足；

68、对当前时间窗内所有候选方位假设按照综合竞争评分进行降序排列，将最高综合竞争评分记为最优候选方位假设，将次高综合竞争评分记为次优候选方位假设；

69、最高综合竞争评分对应的候选方位假设为最优候选方位假设，其代表方位作为当前观测候选方位：

70、，

71、候选竞争差值表示为：

72、，

73、候选竞争差值越大，表明最优候选方位假设相对于次优候选方位假设的竞争优势越明显；候选竞争差值越小，表明当前时间窗内存在多个综合竞争评分相近的候选方位假设，当前候选观测的歧义程度越高；

74、在候选假设竞争判定的基础上，计算有效候选证据指标：

75、，

76、其中，表示最优候选方位假设的平均谱峰质量；表示最优候选方位假设的跨子带支持度；表示最优候选方位假设的角度集中程度；为非负权重系数，优选满足；

77、当有效候选证据指标不低于有效候选证据阈值时，判定当前时间窗存在有效候选观测证据；当有效候选证据指标低于有效候选证据阈值时，判定当前时间窗的有效候选观测证据不足。

78、当当前时间窗内仅存在一个候选方位假设时，可令，同时执行单候选保护判定；

79、仅当该候选方位假设满足且时，才允许该单候选方位假设进入观测更新判定，其中，表示单候选假设的最低跨子带支持度阈值，表示最低有效候选谱峰数量；

80、若不满足上述单候选保护条件，则不采用该单候选方位假设执行强更新或弱更新，而根据历史预测状态执行仅预测更新或输出抑制。

81、步骤s4的具体实现过程如下所述：

82、s4.1、历史预测方位生成：

83、当存在最近两个有效输出方位和时，目标方位角速度估计为：

84、，

85、其中，表示带符号角度差，其计算公式为：

86、；

87、表示相邻时间窗之间的时间间隔；表示允许的最大目标方位角速度；

88、历史预测方位表示为：

89、，

90、其中，表示将方位角映射到预设角度范围内；

91、当仅存在一个历史有效输出方位时：

92、；

93、s4.2、计算谱峰结构时间稳定程度：

94、设表示包含当前时间窗及之前若干有效时间窗的统计集合，最优候选方位假设在第个时间窗内的平均归一化谱峰半高宽和平均归一化旁瓣能量分别为和；

95、谱峰结构时间稳定程度表示为：

96、，

97、其中，和为非负权重系数；表示含义表示对统计集合内各时间窗对应特征值计算标准差，用于表征该特征随时间的波动程度；

98、s4.3、计算历史预测匹配程度：

99、当前观测候选方位与历史预测方位之间的匹配程度表示为：

100、，

101、其中，表示当前观测候选方位与历史预测方位之间的角度距离；表示预设历史预测方位门控角度；

102、s4.4、计算时频域能量聚集程度：

103、根据当前观测候选方位对阵列信号进行导向处理，得到候选方位相关信号的时频系数：

104、，

105、其中，表示时间索引，表示频率索引；表示频率 、观测方位角对应的阵列导向矢量的共轭转置；表示第个时间窗内，时间索引 、频率索引 对应的阵列频域观测向量；

106、在预设目标频率范围内，根据能量阈值确定目标主时频区域，候选方位相关信号的时频能量聚集程度表示为：

107、，

108、候选方位时序可靠性指标表示为：

109、，

110、其中，为非负权重系数，满足。

111、步骤s4.4中，候选方位时序可靠性指标表示为：

112、

113、其中，为非负权重系数，满足；表示时延－多普勒域辅助稳定指标，用于增强运动目标或多途传播条件下候选方位时序可靠性评价；

114、当不采用时延－多普勒域辅助稳定指标时，令；

115、当尚未建立目标方位跟踪状态，因而不存在可用的历史预测方位时，不计算历史预测匹配程度，并将其对应权重设置为零，此时对其余可用权重进行重新归一化，；

116、当时频能量聚集程度无法获得时，将其对应权重设置为零，对其余可用权重进行重新归一化，。

117、步骤s5的具体实现过程如下所述：

118、s5.1、计算环境起伏因子：

119、背景噪声功率波动量表示为：

120、，

121、其中，表示第个时间窗的背景噪声估计功率；表示前一统计周期的背景噪声平均功率；

122、频率子带能量起伏量表示为：

123、，

124、其中，表示第个时间窗、第个频率子带的能量；表示划分的频率子带数量；表示对当前时间窗内各频率子带能量计算标准差的运算，用于表征不同频率子带之间的能量离散程度；表示对当前时间窗内各频率子带能量计算平均值的运算，用于对所述能量离散程度进行归一化；

125、环境起伏因子表示为：

126、，

127、其中，和为非负权重系数；

128、s5.2、门控阈值自适应调整：

129、各门控阈值可根据环境起伏因子进行自适应调整：

130、，

131、其中，表示第个时间窗中自适应调整后的门控阈值；表示对应的基准门控阈值；表示对应的阈值调节系数；和分别表示对应门控阈值允许取值的预设下限和预设上限；

132、表示门控阈值类型索引，其取值至少包括、、、和；相应地，门控阈值包括有效候选证据阈值、中可靠阈值、高可靠阈值、最低竞争优势阈值、高竞争优势阈值；

133、门控阈值应满足：

134、，

135、以及：

136、；

137、s5.3、执行更新过程：

138、更新过程包括强更新、弱更新、仅预测更新和输出抑制。

139、当同时满足以下条件时，执行强更新：

140、，

141、，

142、，

143、并且在单候选情况下满足单候选保护条件；

144、强更新时，采用最优候选方位假设的代表方位更新当前时间窗的目标方位，强更新的输出为：

145、，

146、执行强更新后，将连续仅预测更新计数清零；

147、在未满足强更新条件的情况下，当满足：

148、，

149、，

150、，

151、且存在可用的历史预测方位，并且在单候选情况下满足单候选保护条件时，执行弱更新；

152、定义可靠性归一化因子为：

153、，

154、定义候选竞争归一化因子为：

155、，

156、观测融合权重表示为：

157、，

158、其中，表示观测融合权重的预设下限；表示观测融合权重的预设上限；并且满足：

159、，

160、在非周期扫描角度条件下，弱更新输出表示为：

161、，

162、在周期角度条件下，弱更新输出表示为：

163、，

164、执行弱更新后，将连续仅预测更新计数清零；

165、当满足以下任一条件时，不采用当前观测候选方位修正目标跟踪状态：

166、，

167、或者：

168、，

169、或者：

170、，

171、或者当前时间窗仅形成一个候选方位假设，且该候选方位假设不满足单候选保护条件；

172、若存在可用的历史预测方位，并且连续仅预测更新次数小于预测更新次数预设最大值，则执行仅预测更新：

173、，

174、连续仅预测更新计数增加1；

175、当满足以下任一情况时，停止仅预测更新并执行输出抑制：

176、（1）当前观测不满足强更新或弱更新条件，且不存在可用的历史预测方位；

177、（2）连续仅预测更新次数达到或者超过预测更新次数预设最大值；

178、（3）历史预测状态的不确定度超过预设不确定度阈值；

179、（4）系统处于初始化状态，且当前候选观测不满足强更新条件；

180、（5）当前时间窗不存在有效候选谱峰，且不存在可用的历史预测方位。

181、经过本技术所述方法处理后，完成当前时间窗处理后，输出有效候选状态、目标方位角、历史预测方位、候选方位时序可靠性等级、候选竞争状态和更新状态；

182、其中，有效候选状态包括存在有效候选和不存在有效候选；候选方位时序可靠性等级包括高可靠、中可靠和低可靠；候选竞争状态包括高竞争优势、中等竞争优势和高歧义；更新状态包括强更新、弱更新、仅预测更新和输出抑制。

183、本发明的有益效果是：

184、（1）本技术不是直接采用单个频率子带中的最大谱峰作为目标方位，而是将多个频率子带中的有效候选谱峰关联形成跨子带候选方位假设，能够利用目标方位在不同频率子带之间的空间一致性，降低仅存在于少数频率子带中的噪声峰、旁瓣峰和局部失稳峰被选为目标方位的概率。

185、（2）本技术将最优候选方位假设与次优候选方位假设之间的候选竞争差值作为独立的目标方位更新门控条件，使连续跟踪过程不仅评价最优候选方位本身是否具有足够的观测证据，还评价最优候选方位相对于其他候选方位是否具有足够的区分优势，从而降低多个高质量候选方位并存时发生错误强更新的风险。

186、（3）本技术将有效候选证据、候选方位时序可靠性以及候选方位假设竞争程度分别评价，避免将不同物理意义的观测特征简单合并为单一置信度指标，使目标方位更新判定具有更明确的层次性和可解释性。

187、（4）本技术根据候选观测状态分别执行强更新、弱更新、仅预测更新或者输出抑制，在候选方位具有一定可信度但仍存在歧义时，通过弱更新限制当前观测对历史跟踪状态的影响；在当前观测暂时不可用时，通过有限时长的预测维持目标方位输出的连续性。

188、（5）本技术设置单候选保护条件和连续预测终止条件，能够避免孤立伪峰因不存在竞争候选而触发错误强更新，并避免目标信号长期缺失后持续输出缺少有效观测支持的预测方位，从而提高水下目标尤其是水下移动目标的方位的连续跟踪结果的稳定性和可靠性。