二十一世紀尖端科技的發(fā)展對現(xiàn)代戰(zhàn)爭環(huán)境產生了深遠的影響,各國在武器裝備研發(fā)中越來越重視彈藥智能化水平的提升。本文以智能反坦克BAT子彈藥為應用背景,開展了(彈載)運動聲陣列對單個典型裝甲聲目標的快速跟蹤理論研究,全文研究的主要內容包括:被動聲信號特性研究、目標觀測信號的快速預處理研究、被動聲目標快速特征提取研究、彈載聲陣列對地面目標跟蹤數(shù)據關聯(lián)及航跡預測研究以及機動目標的快速跟蹤濾波算法研究,具體歸納如下:(1)被動聲信號特性研究。以典型裝甲目標聲信號產生機理及特性為基礎,分析了聲目標的聲源特性,探討了聲信號在大氣中的傳輸特性,給出了空氣中聲波傳播模型和聲速線性化模型,分析了聲速隨高度、溫度變化的關系,研究了聲信號在大氣中的衰減規(guī)律以及聲信號傳播的多普勒效應,利用戰(zhàn)場聲信號復雜性及被動聲探測雙點源指向性,指出被動聲探測的“盲特性”,通過目標聲信號的產生機理,信號相空間重構及Lyapunov指數(shù)計算,驗證了典型被動聲目標輻射聲信號的混沌性。(2)運動聲陣列觀測信號預處理方法研究。即目標觀測信號的快速預處理研究,闡述了多傳感器一致性數(shù)據融合的必要性,分析了傳統(tǒng)數(shù)據一致性融合算法及其缺陷,結合本文研究的典型目標聲信號特性,提出一種基于頻譜相似性的數(shù)據一致性算法,通過半實物仿真試驗驗證了其可行性。針對單通道信號的自適應降噪問題,給出一種基于自適應經驗模態(tài)分解算法的信號恢復方法,通過“靜態(tài)”及“動態(tài)”半實物仿真試驗進行了驗證;針對陣列多傳感器觀測信號的快速降噪問題,提出了一種基于改進集合經驗模態(tài)分解與信息融合理論的觀測信號預處理算法,并通過多通道信號半實物仿真試驗驗證了算法的有效性。(3)被動聲目標特征提取、選擇及可分性研究。研究了傳統(tǒng)的過零率、能量比等特征提取算法,針對傳統(tǒng)特征提取算法的不足,提出一種基于改進集總經驗模態(tài)分解和能量向量分析的聲信號特征提取方法,通過目標實測信號的特征選取試驗,驗證了該算法的有效性。針對典型裝甲目標的非線性特征,引入了數(shù)學形態(tài)學、分形幾何理論,分析了幾種傳統(tǒng)分形維數(shù)估計方法,針對其中盒維數(shù)估計法計算復雜度較高的缺陷,研究了基于數(shù)學形態(tài)學的分形維數(shù)估計方法,并將其引入被動聲信號的混沌特征提取中,最后,對戰(zhàn)場目標聲信號的過零率特征、能量向量特征以及非線性特征進行了可分性量化分析。(4)運動聲陣列對聲目標跟蹤數(shù)據關聯(lián)及航跡預測算法研究。針對運動聲陣列目標跟蹤數(shù)據關聯(lián)快速性問題,從兩個方面進行了研究。1)針對高斯線性系統(tǒng)下的目標跟蹤數(shù)據關聯(lián)問題,給出適合運動聲陣列跟蹤系統(tǒng)數(shù)據關聯(lián)的基本模型和問題假設;把數(shù)據關聯(lián)觀測空間視為距離空間,將關聯(lián)處理問題轉化為一類組合優(yōu)化問題,將蟻群算法引入目標跟蹤數(shù)據關聯(lián)中;針對標準蟻群算法的早熟收斂和容易陷入局部最優(yōu)解的缺陷,將精英螞蟻思想和優(yōu)化排序策略引入標準螞蟻系統(tǒng),形成改進的蟻群算法,并將其與數(shù)據關聯(lián)相結合,提出基于優(yōu)化蟻群算法的數(shù)據關聯(lián)方法,并通過線性高斯系統(tǒng)模型下的目標跟蹤仿真試驗,驗證了該算法的快速性和有效性。2)針對高斯非線性系統(tǒng)下的目標跟蹤數(shù)據關聯(lián)問題,在己有的優(yōu)化蟻群數(shù)據關聯(lián)算法模型基礎上,將其與粒子濾波相結合,給出一種優(yōu)化蟻群數(shù)據關聯(lián)融合粒子的數(shù)據關聯(lián)方法,并通過高斯非線性條件下的單目標跟蹤仿真試驗驗證了所提算法的有效性。此外,針對目標航跡預測數(shù)據計算成本過高的問題,利用灰色理論在預測中需要“少數(shù)據、貧資料”的優(yōu)勢,提出一種基于灰色殘差修正的單目標航跡預測方法。分析了灰色理論及灰色模型,研究了標準灰色航跡預估模型GM(1,1)存在的缺陷,并對此提出了兩種基于灰色殘差修正模型:標準灰色殘差修正模型和灰色Verhulst殘差修正模型,并通過實例證明了本文所提灰色殘差修正算法的有效性和優(yōu)越性。(5)運動聲陣列對被動聲目標快速跟蹤濾波算法研究。根據運動聲陣列跟蹤系統(tǒng)的動態(tài)模型,針對聲目標機動辨識和機動目標快速跟蹤,提出了兩種機動目標快速跟蹤方法。一是基于高斯、非線性系統(tǒng)假設下的跟蹤濾波算法。簡要分析卡爾曼濾波、擴展卡爾曼濾波、無味變換及無味粒子濾波;結合跟蹤濾波估計實時性要求,針對無味粒子濾波的Sigma點選取策略,提出了一種基于改進無味粒子濾波的交互式多模型目標跟蹤算法,通過仿真驗證了所提算法的有效性和快速性。二是基于非高斯、非線性系統(tǒng)假設下的跟蹤濾波算法。給出了有色噪聲條件下,運動聲陣列對目標跟蹤的模型;針對機動目標最優(yōu)模型組快速選取問題,提出了一種新的基于快速交互多模型與擴展Viterbi算法機動目標跟蹤方法,并通過Matlab仿真試驗驗證了本文所提算法在確保跟蹤精的同時,進一步提高了目標跟蹤算法的實時性。
【學位單位】：南京理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TJ410
【部分圖文】：

１．１研宄背景及意義??本文以智能反坦克（Ｂｒａｉｎｐｏｗｅｒ?Ａｎｔｉ－Ｔａｎｋ?ｓｕｂｍｕｎｉｔｉｏｎ，ＢＡＴ）子彈藥為應用背??景，開展了運動（彈載）四元聲陣列對單個裝甲聲目標的快速跟蹤（示意圖如圖１．１）??理論及其應用技術研究，并給出相關研究方法和理論成果。論文主要研究內容包括：??裝甲目標聲信號特性、被動聲信號的快速預處理、被動聲目標特征選取及可分性、??冃標快速跟蹤數(shù)據關聯(lián)與航跡預測理論以及機動聲目標快速跟蹤濾波估計理論。文??中相應研究成果可為運動聲陣列對被動聲目標探測、快速識別及跟蹤的理論發(fā)展和??工程應用提供理論依據。??ＩＩＡＴ子彈藥??；?四元（彈載）??聲陣列??（單個）被，聲目標??．．．??圖１．１?ＢＡＴ子彈藥對單個裝甲目標跟蹤示意圖??當前，制空及制海權是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的制勝關鍵，但從海灣戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭以及??阿富汗戰(zhàn)爭來看，現(xiàn)代戰(zhàn)爭完全制勝必須回歸陸地爭奪。當今世界各國陸軍主要突??１??

１．１研宄背景及意義??本文以智能反坦克（Ｂｒａｉｎｐｏｗｅｒ?Ａｎｔｉ－Ｔａｎｋ?ｓｕｂｍｕｎｉｔｉｏｎ，ＢＡＴ）子彈藥為應用背??景，開展了運動（彈載）四元聲陣列對單個裝甲聲目標的快速跟蹤（示意圖如圖１．１）??理論及其應用技術研究，并給出相關研究方法和理論成果。論文主要研究內容包括：??裝甲目標聲信號特性、被動聲信號的快速預處理、被動聲目標特征選取及可分性、??冃標快速跟蹤數(shù)據關聯(lián)與航跡預測理論以及機動聲目標快速跟蹤濾波估計理論。文??中相應研究成果可為運動聲陣列對被動聲目標探測、快速識別及跟蹤的理論發(fā)展和??工程應用提供理論依據。??ＩＩＡＴ子彈藥??；?四元（彈載）??聲陣列??（單個）被，聲目標??．．．??圖１．１?ＢＡＴ子彈藥對單個裝甲目標跟蹤示意圖??當前，制空及制海權是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的制勝關鍵，但從海灣戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭以及??阿富汗戰(zhàn)爭來看，現(xiàn)代戰(zhàn)爭完全制勝必須回歸陸地爭奪。當今世界各國陸軍主要突??１??

裝有四個與彈體縱軸垂直的，呈十字型分布的折疊式彈翼，用來控制飛行姿態(tài)。每??個彈翼的翼端都裝有一個向前伸出的聲學傳感器。該彈藥在上世紀末首次試飛中即??命中靜止的坦克，隨后又在生產鑒定飛行試驗中，命中移動裝甲車輛，如圖１．２所??示。??２０００年８月，美國陸軍在白沙導彈靶場進行了陸軍戰(zhàn)術導彈系統(tǒng)（ＡＴＡＣＭＳ）??Ｂｌｏｃｋ?ＩＩ對ＢＡＴ子彈藥的布撒試驗，成功實現(xiàn)智能反坦克子彈藥的布撒和裝甲車集群??的攻擊，試驗中至少有８輛運動裝甲車被命中。試驗采用多管火箭發(fā)射系統(tǒng)（ＭＬＲＳ）??Ｍ２７０發(fā)射架發(fā)射導彈（如圖１．３），攻擊１２０ｋｍ以外的目標。每枚ＡＴＡＣＭＳ?Ｂｌｏｃｋ?ＩＩ??能攜帶１３枚ＢＡＴ子彈藥，這１３枚子彈藥中一部分裝備真實彈頭，另一部分裝備數(shù)??據記錄裝置，以便搜集飛行試驗數(shù)據。?????Ｊ?Ｈ??ｈｉｈｉ??圖１．３?Ｍ２７０發(fā)射Ｂｌｏｃｋ?ＩＩ戰(zhàn)術導彈?圖１．４?Ｂｌｏｃｋ?ＩＩ拋撒ＢＡＴ子彈藥??如圖１．４所示，ＢＡＴ子彈藥從Ｂｌｏｃｋｌｌ導彈的戰(zhàn)斗部內拋撒出來以后，打開充氣??減速裝置并且以較低的速度進行無動力滑翔。當彈藥速度減緩到亞音速

本文編號：2850731