王珺琳,陳 博

(中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

基于運(yùn)動目標(biāo)的OBF方法檢測性能分析

王珺琳,陳 博

(中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

航空磁異常探測是航空反潛的重要技術(shù)手段。現(xiàn)有的磁異常探測方法多是基于靜止目標(biāo)的假設(shè)條件，本文基于標(biāo)準(zhǔn)正交基分解(OBF)方法，建立了運(yùn)動目標(biāo)下的OBF檢測模型，并給出了理論推導(dǎo)，分析說明了運(yùn)動目標(biāo)對OBF方法檢測性能的影響，最后給出了不同目標(biāo)速度和航向下的計算機(jī)仿真結(jié)果，驗證了理論分析的正確性。

磁異常檢測；運(yùn)動目標(biāo)；OBF

0 引 言

航空磁探儀作為一種有效的被動探潛設(shè)備，通過感知磁性目標(biāo)擾動地磁場所產(chǎn)生的磁異常信號實現(xiàn)對潛艇目標(biāo)的探測，具有隱蔽性好、連續(xù)搜索、使用簡單可靠、定位精度高等優(yōu)點[1]。

當(dāng)目標(biāo)距離傳感器較近時，通過計算磁信號幅值就可以實現(xiàn)磁異常信號檢測，文獻(xiàn)[2-5]分別分析了不同條件下目標(biāo)產(chǎn)生的磁異常信號對磁探儀探測性能的影響。隨著距離的增大，信號強(qiáng)度逐漸減弱，簡單的幅值計算無法檢測到背景噪聲中的目標(biāo)信號，此時最為有效的方法為能量檢測，主要從目標(biāo)磁場特征和背景磁場特征兩方面著手，其中，基于目標(biāo)磁場特征的最具代表性的研究為Boris Ginzburg等人在2002年提出的標(biāo)準(zhǔn)正交基分解(OBF)方法[6]，但OBF算法要求背景噪聲滿足高斯白噪聲假設(shè)，因而實際應(yīng)用時需要針對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行算法的修正以獲得更佳的檢測效果，為此，國內(nèi)學(xué)者張堅、陳敏等人分別提出了基于小波域OBF分解的磁異常信號檢測算法[7]和一種自適應(yīng)磁異信號檢測算法[8]以改善地磁背景噪聲非高斯帶來的影響，現(xiàn)有大部分基于目標(biāo)特征的磁異常檢測方法都是從OBF算法演變而來。另一類磁異常檢測方法是基于背景噪聲(地磁場)特征分析，認(rèn)為存在磁性目標(biāo)時，背景噪聲的信號特征會發(fā)生改變，利用該變化實現(xiàn)目標(biāo)磁場信號的檢測，該類方法的好處是無需對目標(biāo)信號形式進(jìn)行假設(shè)?；诒尘霸肼曁卣鞯拇女惓z測成果也多來自于Boris Ginzburg團(tuán)隊的研究，主要包括最小熵濾波(MED)算法[9]和高階過零檢測(HOC)算法[10]。

能量檢測方法對不同的目標(biāo)磁矩具有穩(wěn)定的性能，但現(xiàn)有的檢測方法多是基于目標(biāo)靜止的假設(shè)條件，沒有考慮目標(biāo)運(yùn)動對檢測性能的影響。本文以O(shè)BF方法為基礎(chǔ)，通過建立運(yùn)動目標(biāo)的OBF模型，分析了不同的目標(biāo)速度及航向下的仿真結(jié)果，驗證了不同條件下目標(biāo)運(yùn)動對檢測性能的影響。

1 OBF模型

OBF方法[6]將潛艇偶極子模型分解成三個正交基底線性組合的形式，然后利用背景噪聲與該分解基底不相關(guān)的特性，通過接收數(shù)據(jù)與三個不同正交基底的乘積求和達(dá)到目標(biāo)信號能量積累的目的。其原理框圖如圖1所示。

圖1 OBF磁異檢測算法流程圖

當(dāng)目標(biāo)距離磁傳感器的距離大于目標(biāo)尺度的2-3倍時，目標(biāo)可被看作是磁偶極子，由磁偶極子模型可知，空間任一點處的磁場強(qiáng)度為[11-12]：

(1)

由于潛艇的磁感應(yīng)強(qiáng)度的模值遠(yuǎn)小于地磁場，因此，標(biāo)量磁探儀測得的磁異常值可以表示為：

(2)

建立如圖2所示的坐標(biāo)系，且假設(shè)目標(biāo)靜止，以目標(biāo)為原點，傳感器運(yùn)動方向為X軸，垂直向上為Z軸，R0為目標(biāo)到傳感器運(yùn)動軌跡的最短距離，D為傳感器在坐標(biāo)系下的橫坐標(biāo)，且令ω=D/R0。

圖2 目標(biāo)模型坐標(biāo)系

(4)

其中，

(5)

an是和地磁矢量、目標(biāo)磁矩矢量有關(guān)的系數(shù)。且正交基底滿足如下關(guān)系：

(6)

則構(gòu)建能量檢測準(zhǔn)則為：

(8)

其中：

(7)

2 運(yùn)動目標(biāo)OBF模型

當(dāng)目標(biāo)以速度vm和方向α運(yùn)動時(為便于分析，這里考慮目標(biāo)僅在XY平面運(yùn)動，且與X軸夾角為α)，則目標(biāo)運(yùn)動的距離矢量為ro=(uR0cosα,uR0sinα,0)，坐標(biāo)關(guān)系如圖3所示。

圖3 運(yùn)動目標(biāo)模型坐標(biāo)系

這里令u=Do/R0，Do為目標(biāo)橫坐標(biāo)。因此公式(1)中的距離矢量變?yōu)椋?/p>

rv=r-ro=

(8)

為了便于分析，這里考慮β=0時的情況，因此，運(yùn)動目標(biāo)模型寫成公式(4)的形式為：

(9)

(10)

(11)

目標(biāo)運(yùn)動對OBF的影響主要體現(xiàn)在不再滿足公式(6)，即：

(12)

顯然，C越接近1，公式(6)越成立，對OBF檢測性能的影響越小。

3 仿真試驗

(1)目標(biāo)航向和速度對目標(biāo)磁信號的影響

圖4(a)給出了目標(biāo)航向為0°時，目標(biāo)靜止及目標(biāo)速度和載體速度比率分別為0.25和0.5時的接收目標(biāo)磁信號對比；圖4(b)給出了目標(biāo)靜止及目標(biāo)和載體速度比率為0.5時，目標(biāo)航向分別為0°、90°時的接收目標(biāo)磁信號對比。

圖4 目標(biāo)航向和速度對目標(biāo)磁信號的影響

從圖4中曲線可以看出，目標(biāo)運(yùn)動會使目標(biāo)信號產(chǎn)生幅值變化及峰值/谷值偏移等問題，并且從圖中可以看出，速度比率越大，運(yùn)動目標(biāo)磁信號越偏離靜止目標(biāo)磁信號；相同速度比率下，目標(biāo)航向不同也會影響目標(biāo)磁信號，航向為0°時產(chǎn)生的變化大于航向為90°時的情況。

(2)目標(biāo)航向和速度對正交基積分值的影響

圖5 目標(biāo)航向和速度對正交基積分值的影響

對比圖5(a)中曲線，可以看出，隨著速度比率的增加，兩個正交基乘積的積分值越偏離1，目標(biāo)航向為0°時，偏離最大，也就是說速度比率越大，對OBF的影響越大，且該情況下目標(biāo)航向為0°時對OBF的影響最大；對比圖5(b)中曲線，可以看出，隨著目標(biāo)航向的變化，兩個正交基乘積的積分值呈現(xiàn)了非單調(diào)的變化形式，在目標(biāo)航向為78°左右(臨界點)時，積分值接近于1，即目標(biāo)航向?qū)BF的影響最小。

(3)目標(biāo)航向和速度對OBF檢測結(jié)果的影響

圖6(a)給出了無噪聲條件下目標(biāo)靜止時和目標(biāo)以航向0°，速度比率分別為0.1、0.5和0.9運(yùn)動時的OBF仿真結(jié)果；圖6(b)給出了信噪比為-5dB條件下目標(biāo)靜止時和目標(biāo)以航向0°、速度比率分別為0.1、0.5和0.9運(yùn)動時的OBF仿真結(jié)果。

圖6 目標(biāo)航向和速度對OBF檢測結(jié)果的影響

對比圖6中曲線，可以看出，當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動速度小于載體速度的一半時，對OBF的檢測結(jié)果幾乎沒有影響，當(dāng)目標(biāo)速度增大到接近載體速度時，目標(biāo)運(yùn)動對OBF帶來的主要影響為旁瓣過高，峰寬擴(kuò)展偏移，OBF算法幾乎失效。

4 結(jié) 語

本文通過對運(yùn)動目標(biāo)OBF模型的理論推導(dǎo)和仿真計算，對比分析了不同目標(biāo)速度、目標(biāo)航向等因素對目標(biāo)磁信號及OBF檢測性能的影響，仿真結(jié)果表明目標(biāo)速度越大對OBF檢測性能影響越大，且目標(biāo)航向為90°時的影響要小于目標(biāo)航向0°和180°；此外當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動速度明顯小于載體速度時，對OBF算法的檢測性能影響不大，當(dāng)目標(biāo)速度接近載體速度時，OBF算法失效。本文主要分析了目標(biāo)運(yùn)動對OBF檢測性能的影響，并且文中做了適當(dāng)?shù)暮喕瘲l件，后續(xù)工作將進(jìn)一步研究更加具有普適性的磁異常檢測模型。

[1] 曾小牛,李夕海.基于磁異常探測的航空反潛技術(shù)[C].國家安全地球物理專題研討會,武漢.2009.

[2] 王珺琳,劉金榮，呂政良，陳超.基于空間磁場模型的航空磁探測分析方法[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報,11(1),2016,32-35.

[3] 曲曉慧,陳建勇,單志超. 飛機(jī)航向?qū)娇沾盘絻x搜潛概率影響的仿真[J].火力與指揮控制,39(5),2014,135-141.

[4] 單志超,曲曉慧,楊日杰,周正.潛艇航向?qū)χ鄙龣C(jī)磁異探潛的影響[J].火力與指揮控制,38(2),2013.62-68.

[5] 閆曉偉，段立召.潛艇磁矩對反潛直升機(jī)磁探寬度的影響[J]. 船電技術(shù), 33(2),2013,18-21.

[6] Boris Ginzburg, Lev Frumkis, Ben-Zion Kaplan.Processing of magnetic scalar gradiometer signals using orthonormalized functions[J]. Sens.ActuatorsA,Phys.,vol.102,no.1/2,pp.67-75,2002.

[7] 張堅,林春生,鄧鵬等.基于小波域OBF分解的磁異常信號檢測算法.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,31(6),2011,187-189.

[8] 陳敏,潘仲明.磁異信號自適應(yīng)檢測算法.傳感技術(shù)學(xué)報,27(7),2014,916-921.

[9] Arie Sheinker，Nizan Salomonski，Boris Ginzburg，et al．Magneric Anomaly Detection Using Entropy Filter．Measurement Science and Technology,1-4,2008,19:045205．

[10]Arie Sheinker, Boris Ginzburg, Nizan Salomonski, Magnetic anomaly detection using high-order crossing method[J].IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING,VOL.50,NO.4,2012.

[11]翁行泰,曹梅芬等.磁異探潛中潛艇的數(shù)學(xué)模型[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，29(3),1995,27-32.

[12]任來平，趙俊生，侯世喜.磁偶極子磁場空間分布模式[J].海洋測繪，22(2),2002,18-21.

The Analysis of OBF Detection Performance Based on Moving Object

WANG Jun-lin, CHEN Bo

(China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 100041，China)

The Aeromagnetic Exploration is the main method in Air Anti-Submarine. Most of magnetic anomaly detection methods are based on the assumption that the object is static. An model of moving object based on orthonormalized functions detection is proposed in the paper, and the theoretical calculation is made, which analyzes the effect of moving object for OBF detection performance. The simulation results based on different velocity and course of the moving object are given in the end, which indicate the theoretical analysis is correct.

magnetic anomaly detection；moving object；OBF

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.01.009

2016-12-09

2017-01-15

王珺琳(1986—)，女，黑龍江人，博士。

E-mail:kuailewujiang@126.com

陳 博(1985—)，女，河南人，博士，主要研究方向為SAR圖像目標(biāo)識別，機(jī)器學(xué)習(xí)。

P631.2

A

1673-5692(2017)01-047-05