面向移动目标的基于分布式传感网络的协同探测关键技术研究

Ocean environment surveillance and oceanic rights safety call for an underwater collaborative detection sensor network (UCOSN). This needs the research for dim target detection under multiple interferences, realizing low complexity detection strategies and tracking algorithms for underwater sensor network. These works will support the future type of sonar network..(1) Research on the complicated temporal and spatial variation characteristics of underwater acoustic channel (UAC). Express UAC’s doubly-spread (time delay spread and Doppler spread) channel function as a tempo-spatial filter. Track the dynamic evolution of doubly-spread UAC and estimate its parameters..(2) Figure out the mechanisms of multi-target interference, multi-user interference, and reverberation in shallow water distributed sensor network detection. Resolve adaptive high-resolution interference suppression technique, achieving robustness and sensitivity..(3) Make detection, tracking and classification a unified procedure under sequential Bayesian processing framework for silent targets. Test the feasibility of feature classification, moving parameter estimation and transmit/receive iteration filtering method for dim target detection..(4) Design single array node for three-dimensional target localization. Design the distributed sensor network’s experiment prototype based on stereo-topology network structure. Conduct water tank key technique experiments and lake/sea trials of collaborative network detection.

面向水下传感网络的协同探测需求，开展多干扰背景下的弱目标探测方法研究，提出适合水下分布传感网络的低复杂度的检测策略和跟踪算法，为发展新型网络声纳提供技术支持。主要研究内容如下：.(1)水声信道具有复杂的时变、频变和空变特性，研究其双扩展信道函数的空时滤波表征方法，对时延-多普勒双扩展信道的动态演化进行跟踪并估计信道参数。.(2)面向浅海分布式传感网络，分析多目标干扰、多用户干扰和混响干扰成因机理，研究自适应的高分辨干扰抵消技术，使处理方法既宽容又灵敏。.(3)针对安静型目标，将检测、跟踪和识别纳入到序贯贝叶斯框架下进行一体化研究。研究利用目标类别特征、运动信息和发-收互动迭代滤波方法进行弱目标探测的可行性。.(4)研究单阵节点结构设计用于目标三维定位，基于立体拓扑网络结构设计分布式传感网络协同探测实验系统，开展水池关键技术研究和湖海协同探测实验研究。

面向水下声传感网络探测，着重研究了混响背景下的弱目标探测，提出了目标分集和数据融合的检测策略，改进了伯努利滤波跟踪算法，为发展新型声纳提供技术支持。. 面对时间扩展或快速衰落失真信道，将拷贝相关积分器或分段拷贝相关器取代常规匹配滤波器用于水下目标检测与定位。水声信道具有稀疏性，利用宽带信号，在0dB信噪比条件下，通过解凸优化问题，压缩感知方法较常规的匹配滤波更能够可靠辨识多径分量。. 设计了离散频率编码波形正交信号获取目标空间分集。分析刚性散射响应和弹性散射响应发现ka谱具有明显特征可用于目标识别。开发了恒定束宽波束形成算法用于抑制混响，即窄波束聚焦目标、窄波束接收回波。考虑发射、接收平台相对静止和目标运动特性，研究了脉冲对消技术抑制相对稳定的混响和杂波，并通过湖上实验验证。在贝叶斯框架下，分析了随机有限集，改进了伯努利滤波算法用于多目标跟踪，在抑制混响和杂波的同时，可以稳定跟踪出现和消失时间未知的目标，湖上和海上实验数据处理结果验证了其有效性。. 最后研究了分布式网络节点判决信息的数据融合，构建了NP准则下最优检测器，设计了Bayes次最佳检测器，并与基于简单计数规则的检测器进行性能比对。湖上实验结果表明，分布式传感网络系统检测性能提高3dB。基于小尺度四面体的分布式网络检测研究成果发表在IEEE OCEANS 2019论文集上。为满足小尺度阵高分辨测向需要，开发了解卷积常规波束形成算法。另外，水池实验结果证实小尺度互质阵较均匀线阵有更高的测向分辨率。