基于改进Huber估计的水下尺度目标参数估计

杨向锋, 杨云川, 郭 磊



基于改进Huber估计的水下尺度目标参数估计

杨向锋, 杨云川, 郭 磊

(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710075)

尺度目标参数是水下声自导武器近程进行弹道机动和垂直命中攻击的关键参数, 有效估计尺度目标的特征参数对保证水下声自导武器作战毁伤效果至关重要。本文利用水下声自导武器检测得到的尺度目标多亮点信息对目标尺度参数进行估计, 然而目标不同反射部位的反射能力不同, 对应的多亮点检测信噪比存在差异, 直接利用最小二乘拟合进行尺度参数估计可能会造成较大的估计误差。基于Huber稳健M估计原理, 通过分析对Huber估计进行了改进, 该方法利用亮点强度和拟合误差计算迭代拟合权值矩阵, 通过拟合误差剔除可能存在的干扰亮点, 能对目标长度、走向角、等效点进行有效估计。仿真分析和实航试验结果均表明, 该方法具有稳健的收敛性能, 能有效剔除干扰点, 具有较强的抗干扰能力和较高的参数估计精度。

水下声自导武器; 尺度目标; 多亮点; Huber估计; 目标长度; 目标走向角; 目标等效点

0 引言

尺度目标识别和垂直命中是现代水下声自导武器的重要功能, 对水下声自导武器作战而言, 不仅要检测、识别目标, 而且要准确估计目标尺度参数才能有效对目标实施垂直命中攻击。水下目标的检测和识别方法已得到广泛研究, 特别是利用其主动回波的多亮点特征对其进行检测、识别备受关注[1-2], 而如何根据目标回波的多亮点进行尺度目标参数估计的研究不多。水下声自导武器检测到目标不同部位的反射回波, 这些回波形成的多亮点在空间上反映了目标的体积特征, 然而目标不同反射部位的反射能力不同, 对应的多亮点检测信噪比存在差异, 直接利用最小二乘拟合进行尺度参数估计可能会造成较大的估计误差, 而Huber稳健M估计影响函数有界,其估计方法具有鲁棒性[3]。近年来Huber估计应用到很多领域的参数估计中[4-5], 本文通过分析对Huber估计进行了改进, 提出了基于改进Huber估计的水下尺度目标参数估计方法, 该方法利用亮点强度和拟合误差计算迭代拟合权值矩阵, 通过拟合误差剔除可能存在的干扰亮点, 对目标长度、走向角及等效点进行有效估计。仿真分析和实航试验证明了该方法具有稳健的收敛性能, 能有效剔除干扰点, 具有较强的抗干扰能力和较高的参数估计精度, 从而为水下声自导武器提供精确的尺度目标信息。

1 多亮点空间描述

水下声自导武器检测得到的亮点信息一般包括: 距离、水平方位、垂直方位、多普勒速度和强度等, 亮点信息反映了水下声自导武器与目标的相对位置, 不同部位的亮点信息存在的“细微”差别反映了目标的尺度特征。

图1 水下声自导武器直角坐标系

2 尺度目标参数估计方法

2.1 尺度目标模型

2.2 Huber估计分析与改进

2.3 尺度目标参数估计算法

迭代矩阵

2.4 尺度参数估计

尺度目标的特征参数包括目标长度、走向角及等效点, 长度表示目标的大小, 目标长度和走向角是水下声自导武器末弹道垂直命中弹道机动的重要参数, 等效点是将尺度目标等效为一个质点, 供水下声自导武器进行导引和攻击瞄准。

尺度目标的走向角

尺度目标的长度

3 仿真试验与实航试验验证

算法数学仿真数据样本根据相关工程经验及相关文献资料进行设计, 目标亮点在空间按一定方位近似分布在一条直线上, 长度约110 m, 走向角约60º, 在直线附近有一个误差较大的干扰点, 分别采用最小二乘拟合尺度目标参数估计方法和基于改进Huber估计的尺度目标参数估计方法进行了参数估计对比试验, 参数估计结果如图2所示。

图2 对比试验结果

图2中, 最小二乘拟合尺度目标参数估计方法受到干扰点的影响, 参数估计出现较大的误差, 而基于改进Huber估计的尺度目标参数估计方法经过迭代剔除了干扰点, 参数估计精度较高, 2种方法的估计结果如表1所示。

表1 参数估计结果比较

Table 1 Comparison of parameter estimation results

如果检测亮点中没有干扰亮点, 最小二乘方法与改进Huber方法的参数估计效果基本一致, 当存在干扰点时, 基于改进Huber估计的尺度目标参数估计方法表现出较强的抗干扰能力, 能通过迭代拟合识别并剔除干扰点, 并且具有稳健的收敛效果。迭代收敛过程如图3所示, 圆点表示检测亮点, 正方形表示剔除的干扰点, 线段表示尺度目标。

图3中, 1, 2, 3, …, 10表示经过1次、2次、3次, …, 10次迭代拟合后的直线, 箭头方向表示随着迭代次数的增加, 拟合直线向真实直线收敛的方向, 第1次迭代时, 由于干扰点的存在, 拟合直线与真实直线误差较大, 随着迭代的进行, 干扰点的拟合误差越来越大, 拟合权值越来越小, 最后被剔除。

图3 迭代收敛过程示意图

选取实航试验尺度目标等效走向角约为-55º, 等效长度约为60 m。试验中主动检测周期尺度目标参数估计结果如图4所示。

图4 实航试验参数估计结果

该周期检测数据估计得到的目标走向角为-56.502 6º, 长度为57.996 2 m; 估计结果与尺度目标实际参数基本吻合, 估计有效。

试验中连续多个周期正确捕获目标, 参数估计结果与实际参数基本吻合, 如表2所示。

表2 尺度目标特征参数估计结果

4 结束语

本文提出了一种基于改进Huber估计的水下声自导武器尺度目标参数估计的方法, 该方法利用水下声自导武器检测得到的多亮点信息, 在水下声自导武器坐标系下对亮点水平投影进行曲线拟合, 将亮点强度和拟合误差同时引入拟合权值矩阵, 经过迭代拟合可以剔除可能存在的干扰亮点, 能对目标长度、走向角及等效点进行有效估计。仿真和实航试验数据均证明, 该方法具有稳健的收敛性能, 能有效剔除干扰点, 具有较强的抗干扰能力和较高的参数估计精度, 能为水下声自导武器作战提供准确可靠的尺度目标参数。

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Parameter Estimation of Underwater Scale Target Based on Improved Huber-Estimation

YANG Xiang-feng, YNAG Yun-chuan, GUO Lei

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

Scale target parameters are the key parameters for short-range trajectory maneuvaer and perpendicular hit attack of underwater acoustic homing weapons. Effective estimation of the characteristic parameters of scale target is important to ensure the operational destructive effect of underwater acoustic homing weapons. To reduce the scale parameter estimation errors from least squares fitting, this paper proposes an parameter estimation method of underwater scale target based on the improved Huber estimation, calculates the iterative fitting weight matrix via the proposed method by making use of target highlight strength and fitting error. Hence, target′s length, course angle and equivalent point are estimated effectively by eliminating interference highlight via fitting error. Simulation and sea trial show that the proposed method can effectively eliminate interference point, and has steady convergence performance, greater anti-interference capability and higher parameter estimation accuracy.

underwater acoustic homing weapon; scale target; multi-highlight; Huber estimation; target length; target course angle; target equivalent point

TJ630.34; TN911.72

A

1673-1948(2012)05-0339-05

2011-10-20;

2012-03-05.

国家973项目资助（61312220306).

杨向锋(1978-), 男, 硕士, 高级工程师, 研究方向为水声信号与信息处理, 水下目标识别, 跟踪及水声反对抗.

(责任编辑: 杨力军)