一种用于避碰声纳的水下障碍物目标检测跟踪方法
阅读说明：本技术 一种用于避碰声纳的水下障碍物目标检测跟踪方法 (Underwater obstacle target detection and tracking method for collision-prevention sonar ) 是由 蒋立军 刘佳 张谦 于 2021-05-25 设计创作，主要内容包括：本发明属于水下声信号处理技术领域,具体地说,涉及一种用于避碰声纳的水下障碍物目标检测跟踪方法,包括：潜航器驶入某一目标水域后,潜航器上设置的水听器阵列发射多个声信号,对该目标水域中的多个水下障碍物目标进行探测；每个水下疑似目标在声信号的激发下,产生回波,得到多个水下疑似目标和回波信号；设置在潜航器上的避碰声纳采集每个水下疑似目标的回波信号,对每个回波信号进行检测处理,获得N个目标及对应的回波信号；通过声图获取每个目标的速度和方向,并对每个目标进行速度和方向判定,遍历N个目标中的每个目标,重复上述过程,删除干扰目标,获得多个有效目标及有效目标的速度和方向,完成对水下障碍物目标的检测跟踪。(The invention belongs to the technical field of underwater acoustic signal processing, and particularly relates to an underwater obstacle target detection and tracking method for collision-prevention sonar, which comprises the following steps: after the underwater vehicle drives into a certain target water area, a hydrophone array arranged on the underwater vehicle emits a plurality of acoustic signals to detect a plurality of underwater obstacle targets in the target water area; each underwater suspected target generates an echo under the excitation of the acoustic signal to obtain a plurality of underwater suspected targets and echo signals; collecting echo signals of each underwater suspected target by a collision-preventing sonar arranged on the underwater vehicle, and detecting and processing each echo signal to obtain N targets and corresponding echo signals; and acquiring the speed and direction of each target through the acoustic image, judging the speed and direction of each target, traversing each target in the N targets, repeating the process, deleting the interference targets, acquiring a plurality of effective targets and the speed and direction of the effective targets, and completing the detection and tracking of the underwater obstacle target.)
技术领域
本发明属于水下声信号处理
技术领域
，具体地说，涉及一种用于避碰声纳的水下障碍物目标检测跟踪方法。背景技术
无人潜航器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)作为水下目标探测的重要载荷平台，具有智能化程度高、机动性好、隐蔽性高等优点，是推动未来智能化水声探测技术发展的关键。当前基于UUV平台的声学探测技术已经在海洋资源勘察、海岸警戒、蛙人探测和扫雷排爆等领域开展了广泛的应用。
在水声探测领域，水下无人潜航器在水下航行时面临水下障航物、水下山体等安全威胁，为保证潜航器安全航行，需要配备专用的避碰声纳。
但是，现有的避碰声纳不具备自主探测能力，且利用常规的前视避碰声纳进行跟踪检测，容易造成虚警率较高，导致无人潜航器需要多次降速执行避碰任务，降低了无人潜航器作业效率。
发明内容
为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种用于避碰声纳的水下障碍物目标检测跟踪方法，在常规的前视避碰声纳的目标跟踪检测的基础上，充分利用无人潜航器的运动信息，以多波束避碰声纳为基础，通过阵列信号处理技术，充分利用目标的几何特征和相对运动特征，实现水下目标障碍物的自主检测、跟踪、识别，完成障碍物自主检测跟踪，为潜航器导航系统实现避碰任务提供障碍物的目标、数量、尺度等信息。
本发明还提供了一种用于避碰声纳的水下障碍物目标检测跟踪方法，该方法包括：
潜航器驶入某一目标水域后，潜航器上设置的水听器阵列发射多个声信号，对该目标水域中的多个水下障碍物目标进行探测；
每个水下疑似目标在声信号的激发下，产生回波，得到多个水下疑似目标和回波信号；
设置在潜航器上的避碰声纳采集每个水下疑似目标的回波信号，对每个回波信号进行检测处理，获得N个目标及对应的回波信号；
通过声图获取每个目标的速度和方向，并对每个目标进行速度和方向判定，遍历N个目标中的每个目标，重复上述过程，删除干扰目标，获得多个有效目标及有效目标的速度和方向，完成对水下障碍物目标的检测跟踪。
作为上述技术方案的改进之一，所述设置在潜航器上的避碰声纳采集每个水下疑似目标的回波信号，对每个回波信号进行检测处理，获得N个目标及对应的回波信号；具体包括：
设置在潜航器上的避碰声纳采集第i个水下疑似目标的回波信号，该回波信号为扇形覆盖[-θ，θ]开角内的回波信号，第i个水下疑似目标的回波信号；
避碰声纳采集第i个水下疑似目标的回波持续时间t＝t2-t1；
其中，t1为第i个水下疑似目标的回波的起始时刻；t2为第i个水下疑似目标的回波的终止时刻；
判断第i个水下疑似目标的回波强度和回波持续时间：
如果第i个水下疑似目标的回波强度大于预先设定的回波强度T，且第i个水下疑似目标的回波持续时间大于预先设定的回波持续时间T0，则认为第i个水下疑似目标为目标，并统计目标的数量，获得N个目标及其对应的回波信号；
如果第i个水下疑似目标的回波强度小于或等于预先设定的回波强度T，或第i个水下疑似目标的回波持续时间小于或等于预先设定的回波持续时间T0，则认为第i个水下疑似目标为无效目标，并进行删除；
其中，
其中，τ为发射的声信号脉宽；L为目标尺度；c为声速；θ0为发射的声波对目标的入射角。
预先设定的回波强度T是根据目标回波强度理论值或实测经验值确定。
作为上述技术方案的改进之一，所述通过声图获取每个目标的速度和方向，并对每个目标进行速度和方向判定，遍历N个目标中的每个目标，重复上述过程，删除干扰目标，获得多个有效目标及有效目标的速度和方向，完成对水下障碍物目标的检测跟踪；具体包括：
通过声图获得第i个目标Ai在ti时刻的目标位置(Ri，θi)和第i个目标Ai在ti+1时刻的目标位置(Ri+1，θi+1)，从而获得第i个目标的速度Vi和方向角Δθ：
Δθ＝θi+1-θi
其中，Ri为在预先建立的极坐标系下，第i个目标Ai在ti时刻到原点的距离；θi为在预先建立的极坐标系下，第i个目标Ai在ti时刻的方位角；Ri+1为在预先建立的极坐标系下，第i个目标Ai在ti+1时刻到原点的距离；θi+1为在预先建立的极坐标系下，第i个目标Ai在ti+1时刻的方位角；
根据获得的N个目标，遍历每个目标，获得每个目标的速度和方向角；
根据每个目标的速度和方向角，再结合无人潜航器的运动信息，删除随机出现的、不具有规律移动的干扰目标，获得多个有效目标及有效目标的速度和方向，完成对水下障碍物目标的检测跟踪。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明的方法仅利用对回波信号的信号处理，利用目标回波的目标强度和目标持续时间的特征、以及相对运动特征，实现水下障碍物目标的跟踪与检测，具有运算量小、检测率高、虚警率低的特点。
附图说明
图1是本发明的一种用于避碰声纳的水下障碍物目标检测跟踪方法的流程图；
图2是本发明的一种用于避碰声纳的水下障碍物目标检测跟踪方法的一个具体实施例的示意图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明提供了一种用于避碰声纳的水下障碍物目标检测跟踪方法，为保障水下无人潜航器航行安全，水下避碰声纳需要能够自动的实现水下障碍物目标的检测和识别。为针对水下无人潜航器安全航行的需求，通过避碰声纳的信号处理，利用回波强度信息和尺度信息，实现水下障碍物目标的跟踪和检测，利用运动特征实现水下障碍物目标跟踪和识别，最后将跟踪识别结果，上报给外界的信息综合处理系统，为导航系统实现规避任务提供信息。
该方法包括：
潜航器驶入某一目标水域后，潜航器上设置的水听器阵列发射多个声信号，对该目标水域中的多个水下障碍物目标进行探测；
每个水下疑似目标在声信号的激发下，产生回波，得到多个水下疑似目标和回波信号；
设置在潜航器上的避碰声纳采集每个水下疑似目标的回波信号，对每个回波信号进行检测处理，获得N个目标及对应的回波信号；
具体地，设置在潜航器上的避碰声纳采集第i个水下疑似目标的回波信号，该回波信号为扇形覆盖[-θ，θ]开角内的回波信号，第i个水下疑似目标的回波信号，表示为p(t，θi)，记为pi；
避碰声纳采集第i个水下疑似目标的回波持续时间t＝t2-t1；
其中，t1为第i个水下疑似目标的回波的起始时刻；t2为第i个水下疑似目标的回波的终止时刻；
判断第i个水下疑似目标的回波强度和回波持续时间：
如果第i个水下疑似目标的回波强度大于预先设定的回波强度T，且第i个水下疑似目标的回波持续时间大于预先设定的回波持续时间T0，则认为第i个水下疑似目标为目标，并统计目标的数量，获得N个目标及其对应的回波信号；
如果第i个水下疑似目标的回波强度小于或等于预先设定的回波强度T，或第i个水下疑似目标的回波持续时间小于或等于预先设定的回波持续时间T0，则认为第i个水下疑似目标为无效目标，并进行删除；
其中，
其中，τ为发射的声信号脉宽；L为目标尺度；c为声速；θ0为发射的声波对目标的入射角。
预先设定的回波强度T是根据目标回波强度理论值或实测经验值确定。
通过声图获取每个目标的速度和方向，并对每个目标进行速度和方向判定，遍历N个目标中的每个目标，重复上述过程，删除干扰目标，获得多个有效目标及有效目标的速度和方向，完成对水下障碍物目标的检测跟踪。
具体地，通过声图获得第i个目标Ai在ti时刻的目标位置(Ri，θi)和第i个目标Ai在ti+1时刻的目标位置(Ri+1，θi+1)，从而获得第i个目标的速度Vi和方向角Δθ：
Δθ＝θi+1-θi
其中，Ri为在预先建立的极坐标系下，第i个目标Ai在ti时刻到原点的距离；θi为在预先建立的极坐标系下，第i个目标Ai在ti时刻的方位角；Ri+1为在预先建立的极坐标系下，第i个目标Ai在ti+1时刻到原点的距离；θi+1为在预先建立的极坐标系下，第i个目标Ai在ti+1时刻的方位角；
根据获得的N个目标，遍历每个目标，获得每个目标的速度和方向角；
由于水下障碍物目标为静态目标或规律移动目标，因此，根据每个目标的速度和方向角，再结合无人潜航器的运动信息，删除随机出现的、不具有规律移动的干扰目标，获得多个有效目标及有效目标的速度和方向，完成对水下障碍物目标的检测跟踪，从而降低虚警率。
实施例1.
如图2所示，本发明提供了一种用于避碰声纳的水下障碍物目标检测跟踪方法，该方法包括：
潜航器驶入某一目标水域后，潜航器上设置的水听器阵列发射多个声信号，对该目标水域中的多个水下障碍物目标进行探测；
每个水下疑似目标在声信号的激发下，产生回波，得到多个水下疑似目标和回波信号；
设置在潜航器上的避碰声纳采集每个水下疑似目标的回波信号，对每个回波信号进行检测处理，获得N个目标及对应的回波信号；
具体地，设置在潜航器上的避碰声纳采集第i个水下疑似目标的回波信号，该回波信号为扇形覆盖[-45°，45°]开角内的回波信号，回波信号之间间隔1度，在潜航器速度为2m/s；
判断第i个水下疑似目标的回波强度和回波持续时间：
如果第i个水下疑似目标的回波强度大于预先设定的回波强度T，且第i个水下疑似目标的回波持续时间大于预先设定的回波持续时间T0，则认为第i个水下疑似目标为目标，并统计目标的数量，获得N个目标及其对应的回波信号；
如果第i个水下疑似目标的回波强度小于或等于预先设定的回波强度T，或第i个水下疑似目标的回波持续时间小于或等于预先设定的回波持续时间T0，则认为第i个水下疑似目标为无效目标，并进行删除；
其中，
其中，τ为发射的声信号脉宽；L为目标尺度；c为声速；θ0为发射的声波对目标的入射角。
预先设定的回波强度T是根据目标回波强度理论值或实测经验值确定。
通过声图获取每个目标的速度和方向，并对每个目标进行速度和方向判定，遍历N个目标中的每个目标，重复上述过程，删除干扰目标，获得多个有效目标及有效目标的速度和方向，完成对水下障碍物目标的检测跟踪。
具体地，通过声图获得第i个目标Ai在ti时刻的目标位置(Ri，θi)和第i个目标Ai在ti+1时刻的目标位置(Ri+1，θi+1)，从而获得第i个目标的速度Vi和方向角Δθ：
Δθ＝θi+1-θi
其中，Ri为在预先建立的极坐标系下，第i个目标Ai在ti时刻到原点的距离；θi为在预先建立的极坐标系下，第i个目标Ai在ti时刻的方位角；Ri+1为在预先建立的极坐标系下，第i个目标Ai在ti+1时刻到原点的距离；θi+1为在预先建立的极坐标系下，第i个目标Ai在ti+1时刻的方位角；
根据获得的N个目标，遍历每个目标，获得每个目标的速度和方向角；
由于水下障碍物目标为静态目标或规律移动目标，因此，根据每个目标的速度和方向角，再结合无人潜航器的运动信息，删除随机出现的、不具有规律移动的干扰目标，获得多个有效目标及有效目标的速度和方向，完成对水下障碍物目标的检测跟踪，从而降低虚警率。如图2所示，图中白色粗线为所获得的跟踪结果，即多个有效目标。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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