水下制导多目标跟踪关键技术研究

水下制导多目标跟踪关键技术研究

摘要：随着军事现代化技术的不断发展和进步，对海军作战的要求越来越高，尤其是水下作战，但是水下作战的环境变得越来越复杂，传统意义的水下制导系统已经不能满足当今的信息化作战的趋势和大环境。文章对水下制导多目标跟踪关键技术进行研究。

关键词：水下；精确制导；目标跟踪；技术

近年来，随着计算机处理图像和分析数据的能力越来越强，在对物体进行跟踪方面也取得了较大的进展，它在视频监控、机器人导航和定位、虚拟领域等方面都显示出了很大的价值，尤其是在军事方面已经开始用于侦察无人侦察机战场，制造巡航导弹，进行导弹防御，监视海面和水下，监视战场等，无论是在国际还是国内都是研究的热门领域。

1 多目标跟踪技术的内容

对于多目标跟踪而言，无论是理论还是技术方面，都包括很多内容，比如跟踪目标模型、算法、数据关联性以及跟踪开始与跟踪结束。在多目标跟踪过程中，需长期地对跟踪目标的运动状态进行跟踪记录，计算出运动目标运动概率，在此基础上分配采样值，目标概率的计算是一种历史函数，其内容是当前的运动状态和目标的运动轨迹，对其轨迹进行跟踪和记录不是要建立起该目标的档案，而是要利用这些信息实现一定的目的。

水下多目标的跟踪技术由很多组成部分构成，其中最重要的两个组成部分是声呐多目标跟踪和水下精确制导多目标跟踪。声纳系统探测多个目标主要是通过主动探测和被动探测来进行的，但是被动探测和主动探测相比更难一些，如水下潜艇时常隐身潜行，较为隐蔽地区跟踪目标，这样被动跟踪就可以发挥其名下优势，算出跟踪目标的运动要素，使被动跟踪得以实现。再以水下自导武器自导鱼雷为例，为了更迅速地、更精确地跟踪目标，较常采用的是主动跟踪技术，或者是将主动跟踪技术和被动跟踪技术结合起来，实现对制定目标的准确跟踪。对于水下制导武器而言，多目标跟踪技术主要是对目标采取准确估计和分辨等先进的理论和方法，近几十年来有些技术已经在实践中得到了相关运用。

2 多目标跟踪技术的发展

“多目标跟踪”是在1955年由Wax首先提出的，即初始目标的航迹是怎样形成的、怎样保持和删除航迹的概念和模型，在得解的时候采用了估计的方法。1964年，Sittler在多目标跟踪的技术方面有了较大的进展，多目标理论直到20世纪70年代初才引起人们广泛的关注和兴趣。1972年，Jaffer和Bar-Shalom提出一定要利用现代跟踪范围内的回波获取有价值的信息和数据，在此基础上，早在1975年，就由Bar-Shalom、Tse等人，共同完成了对某一个单一目标的跟踪概率信息数据关联性分析与计算。在不需要目标和杂波的先验信息情况下用跟踪滤波器对多个目标进行跟踪处理，从1974到1977的三年间，Morefield发表了一系

列的关于多目标跟踪方面的论文，并且还提出了在此过程中采用整数规划法。基于Bayes、以及高斯等人所提出的迭代估值分析，Alspach还提出了关于多目标跟踪法，假设探测器上收到的回波数和被跟踪的目标数在数量上是一样的，并且每一个回波都有目标的相关跟踪信息，Sittler在这个基础上提出了轨迹分裂法，在1975年，Buechler和Smith提出了较为相似的滤波器，如果回波在跟踪门以内，就可以用它来更新跟踪目标的状态，如果它不在跟踪门以内的话，就不可以这样使用。1979年，以全邻最优滤波器和Bar-Shalom提出的聚概念为基础，Reid 提出了以自己名字命名的Reid算法。周宏仁博士同样对多目标跟踪的某些方面的内容开展了较为深入的、持久的和理论化的研究，提出了机动目标“当前”概率密度模型，也一定程度上取得了较大的研究成果。对多目标跟踪技术的研究持续了40年，如今一些鱼雷中就已经采用了这种技术。

3 多目标跟踪的关键技术

3.1 运动模型

在实践中，采用多目标跟踪技术可以建立一个科学的模型，同时这也是多目标跟踪技术应用的一个非常重要的环境。1970年，R.A.Singer提出了机动目标的加速度模型，并在此基础上建立一个晚上的跟踪目标在实际运动状态下的统计模型。1979年，由R.L.Moose等人在统计模型基础上，合理地提出了构建具有随机开关均值的半马尔可夫机动目标统计模型，1983年，R.F.Berg把singer模型进行了修正，引进了时间导数项，而周宏仁博士在1983年提出的模型中引进加速度均值项，还修正了瑞利-马尔克夫的机动加速度。1984年，H.A.P Blom提出了交互式多模型的对多目标进行跟踪的算法，后来Blom和Barshlom等人一起共同完成了比较完整的较为理论的IMM算法。

3.2 跟踪算法

为了估算跟踪对象处于何种运动状态，比如方位、速度和加速度数值的大小，都要滤波和相关预测。两点外推滤波、加权最小二乘滤波这几种滤波预测和预测方法在目标处于稳定状态或者暂时稳定状态时可以用；维纳滤波、在目标处于稳定的状态时才可以用。水下制导多目标跟踪问题从本质上讲是非线性滤波问题。实践中，常用非线性滤波法主要是指卡尔曼滤波以及迭代滤波和二阶滤波等。在水下，信号传输的速度较慢，并且精确度较差，所以水下制导的多目标跟踪的滤波、预测，不仅应当充分考虑滤波本身的精度，而且还要对滤波器的收敛性进行全面的考虑和分析。Monte Carlo是最近10年来在科技领域新兴的一种统计试验理论和方法，首先在理论物理学界提出，简称MC。它创新性较强、方便使用、直观，在处理一些复杂问题时有显著优势，易于求解，也很容易进行仿真试验。传统的滤波器在环境较为复杂或者不确定有几个跟踪目标时精确度会较低，算法也较复杂，而粒子滤波器则能够一定程度上减少MC的计算量，在非线性状态下和某些噪声中适应性较强，在跟踪多个未知目标时，其效率通常比较高。3.3 数据信息的关联分性析

在对多目标跟踪技术及相关信息数据的关联性进行分析研究过程中，通常有

三种比较常见的应用方法：即面向目标、面向测量值和面向航迹的关联方法。第一种方法是关于任何一个观测值是来自我们所观测到的已知目标还是从其他的杂波来的；第二种方法是关于所有的测量值是来自我们所已知的目标，还是其他的杂波，或者是出现的新目标；第三种方法是关于每一条航迹是、或者未被检测到，或者已经终止，或者仍为一个测量值出现了联系，抑或是预示目标已经运行。

3.4 跟踪开始和结束

跟踪开始是一种决策方法，用来建立关于目标的各种信息的档案，包括三个方面的内容：假设目标轨迹形成、轨迹初始化和将轨迹确定。把跟踪起始问题逆过来就是跟踪终结问题，它可以使多目标档案简化成一个目标，当跟踪目标不在我们观测的范围内，为了节约计算机空间，同时减少算法的时间，跟踪器应当作出针对性的决策。实践中，较为典型的跟踪终结方式为ND次连续扫描丢失目标，确定跟踪终结概率和方法，同时还包括决策的分析法。

4 未来的发展

从目前国内的海战技术发展来说，水下多目标态势更加的多元化、辅助性，同时水下对抗也非常的激烈，目标隐蔽性变得更好一些，因此对水下精确制导多目标跟踪技术的应用，提出了更高的要求，而且需解决的问题也比较多。对于水下精确制导多目标跟踪技术而言，应当不断地创新新技术，不断地研究新方法和途径，以满足未来发展之需求。

4.1 目标识别智能跟踪技术

从传统意义上讲，目标跟踪技术主要是对目标基本参数进行估计，对目标实际运动过程中的相关要素进行预测和分析，为充分考虑目标自身特点、特征要素。近年来，随着社会经济的快速发展和电子、人工智能技术的不断创新和改进，水下电子对抗技术不断提升，尤其是各种假目标、或者干扰技术引入到电子对抗之中，于是目标识别技术也就是成为水下精确制导多目标跟踪技术之一。从本质上来讲，该种技术主要是利用信号处理新技术，将更多有利于跟踪目标识别的特征信息提取出来，然后引入神经网络、人工智能以及优化算法和模糊逻辑等理论和方法。目标识别基础上的多目标智能跟踪技术应用，不仅可以有效提高水下精确制导多目标跟踪系统的识别、探测以及跟踪和导引能力，同时还可以在对目标跟踪、打击过程中，实现优质、智能化抉择，从而有效地排除假目标以及相关干扰因素。

4.2 被动多目标跟踪技术

对于被动多目标目标跟踪技术而言，其隐蔽性非常的强，作为作用距离也相对较远一些。对于距离相对较远、运动速度相对较慢的一些跟踪目标，该系统可观性相对弱一些，跟踪收敛速度相对较慢。声纳测量方位角精度相对较低，而且目标运动要素估计误差较大，发展被动远程探测技术，比如低频线谱检测、匹配场定位以及高灵敏度换能器等技术，可以提高该项战技性能。