摘要：

随着战争环境的日益复杂,传统的探测系统(如雷达,红外等)受到越来越多的威胁,被动声跟踪技术以其隐蔽性强,不易受到攻击,适用性广等优点越来越受到人们的重视.本文以智能反坦克子弹药(Brainpower Antitank Submunition,简称BAT)为应用背景,开展了三维运动声阵列对典型二维声目标跟踪理论研究,全文研究的主要内容包括:三维运动声阵列跟踪系统动态模型研究,跟踪系统最佳观测布局研究,观测信号预处理技术研究,跟踪滤波算法研究以及三维运动声阵列对双点声源角跟踪指向性能研究,具体归纳如下: (1)三维运动声阵列跟踪系统动态模型研究.阐述了战场典型二维声目标声信号产生机理及特性,分析了二维声目标的声源特性,探讨了声信号在大气中的反射,折射,透射,散射,声信号的衰减以及声信号传播的多普勒效应,认清了三维运动声阵列跟踪环境的物理现象,得到了声信号以空气为介质的传播模型,结合学位论文研究的典型二维目标特性,给出了三维运动声阵列跟踪系统动态模型的基本假设.在笛卡尔坐标系及修正极坐标系下,分别建立了运动声阵列跟踪系统的状态模型及观测模型,对模型参数进行了分析,设计了一种包含数字压力传感器电路等硬件的弹载高度测量与记录装置. (2)三维运动声阵列跟踪测量系统最佳布局研究.对由平面四元声阵列组成的跟踪测量系统的阵元布局进行了研究,提出了一种度量四元三维运动声阵列跟踪观测系统测量精度的指标准则,即PDOPF (Position Dilution of Precision Function).以二维目标的位置几何精度衰减因子函数最优为目标,对平面四元声阵列跟踪测量系统布局的位置坐标进行了解算,分析了布局精度,得到了三维运动声阵列跟踪测量系统的理论最佳布局及工程最佳布局;通过静态半实物仿真试验,进行了验证. (3)三维运动声阵列观测信号预处理技术研究.对战场环境下的干扰信号进行了分析,在阵列多传感器观测信号预处理方法中,提出了正交小波多尺度观测信号预处理算法,并通过"静态"及"动态"半实物仿真试验进行了验证研究;而在单通道观测信号预处理方法中,基于EMD理论,分析了IMF频谱特性,结合本文研究的典型声目标声信号特性,对观测信号进行了预处理,通过对单通道信号分析验证了该算法的有效性.此外,提出了一种针对信号几何窗口的变量——"当前"平均改变能量(Current Average Change Energy, CACE),利用该变量推导了基于"当前"平均改变能量的机动检测算法,将"当前"机动改变能量调制到CACE上,得到了"当前"平均改变能量机动准则.最后设计了一种基于Matlab的声信号预处理软件. (4)三维运动声阵列跟踪滤波算法研究.根据运动声阵列跟踪系统的动态模型,分别从高斯线性,高斯非线性,非高斯非线性三个方面研究了三维运动声阵列对二维声目标的跟踪滤波算法.(A)基于线性,高斯系统假设下的跟踪滤波算法.阐述了传统的线性系统滤波状态估计算法,即Kalman滤波算法,基于Kalman滤波算法提出了多尺度贯序式Kalman滤波的运动声阵列跟踪算法(Multi-scale Sequential based on Kalman Filter, MSBKF),Matlab仿真分析了该算法的跟踪性能,针对跟踪滤波与预测实时性问题,提出了运动阵列的基于当前平均改变能量的机动检测与变维自适应Kalman滤波算法(Current Average Change Energy Maneuvering Detection and Variable Dimension Adaptive Kalman Filtering, CACEMD-VDAKF),通过算法仿真,验证了CACEMD-VDAKF算法的有效性.(B)基于非线性,高斯系统假设下的跟踪滤波算法.阐述了传统的非线性系统滤波算法,即扩展Kalman滤波(EKF),分析了EKF滤波的偏差,提出了基于无迹粒子滤波的自适应交互多模型运动声阵列跟踪算法(Adaptive Interacting Multiple Model Unscented Particle Filter based on measured residual, AIMMUPF-MR),通过算法仿真,验证了AIMMUPF-MR算法在跟踪精度,稳定性及实时性上的有效性.(C)基于非线性,非高斯系统假设下的跟踪滤波算法.针对非线性,非高斯跟踪系统的状态滤波与预测问题,基于粒子滤波提出了确定性核粒子群的粒子滤波跟踪算法(Deterministic Core Particle Swarm Particle filter, DCPS-PF),推导了该算法的理论误差性能下界(Cramer Rao Low Bound, CRLB),与粒子滤波算法相比,仿真结果表明了该算法的有效性和优越性. (5)三维运动声阵列对双点声源角跟踪指向性能研究.阐述了多点声源干扰的基本原理,建立运动声阵列在双点声源下的角度跟踪指向性能数学模型.从三个方面即:伪目标与真实目标的声信号在频率上一致,声压幅值保持线性关系,声压幅值一致,频率保持线性关系,声信号的声压幅值和频率均保持线性关系,分析了频率值比,声压幅值比及两声源的相位差与运动声阵列角度跟踪指向性能之间的关系.提出了包含运动声阵列的飞行速度,侧向过载,战斗部有效毁伤半径,运动声阵列的弹道倾角及两点声源对声阵列张角等参数的角度干扰指数(Bearing-only Deflection Index, BODI)作为运动声阵列角度跟踪指向性能评价指标,为进一步研究三维运动声阵列对多声源目标跟踪理论奠定了基础.

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