Intégration dynamique en sonar passif: détection et localisation simultannées de sources faibles

Intégration dynamique en sonar passif: détection et localisation simultannées de sources faibles

Simultaneous Detection and Localization of Dim Targets in Passive Sonar

Serge Sitbon Pierre Blanc-Benon 

Thomson-Sintra ASM, BP. 157 06903 Sophia-Antipolis Cedex, France

Page: 
449-458
|
Received: 
31 October 1995
|
Accepted: 
N/A
|
Published: 
31 October 1996
| Citation

OPEN ACCESS

Abstract: 

This paper addresses the problem of low SNR targets . The key idea to detect and localize such dim targets is to increase the integration time. But, for conventional surveillance sonars, integration is limited to a few ten seconds due to the target motion : to over-integrate without compensating for the source motion degrades the detection performance . So, the solution is to take into account the source motion into the detection process, thus yielding an estimation of the target motion parameters . This method called "long-term integration" is described and validated for a narrowband source . Monte-Carlo simulations show a good agreement between computed Cramer-Rao bounds and estimated standard deviations related to the source motion parameters for 0 to 6 dB SNR's. Finally at-sea signals demonstrate an actual improvement of long-term integration method over conventional detection and tracking for a low level narrowband source.

Résumé

Cet article traite du cas des sources faibles en sonar passif de veille panoramique (cs o dB en sortie de traitement conventionnel). Il part du principe que le premier seuil dans la chaîne de détection limite inéluctablement le niveau minimum des sources détectables et donc la capacité que l'on a, par la suite de les localiser et de les identifier acoustiquement . La démarche consiste donc à augmenter le temps d'intégration généralement court (quelques secondes en sonar passif) pour le faire passer à des valeurs de l'ordre de plusieurs dizaines de minutes. Mais on conçoit aisément que cette intégration longue ne peut se faire sans considération sur le mouvement des cibles : il faut intégrer tout en gardant la cible dans le lobe de directivité de l'antenne de réception. On développe donc une méthode d'intégration dynamique qui, en tenant compte du mouvement des sources lors de l'intégration, permet de simultanément les détecter et les trajectographier (i .e. estimer leur vecteur position et leur vecteur vitesse) . Après un rappel des principes de traitement utilisés en sonar passif, on formalise la méthode d'intégration dynamique dans le cas d'une antenne passive observant une ou plusieurs sources se déplaçant en mouvement rectiligne et uniforme (MRU). Puis ses performances en estimation (précisions de localisation comparées à la borne de Cramer-Rao) sont établies sur simulation de type Monte-Carlo. Enfin, l'utilisation de signaux enregistrés en mer permet de valider cette méthode d'intégration dynamique par la détection et la trajectographie d'une source non détectable par les moyens classiques, et donc a fortiori non localisable.

Keywords: 

Sonar, Detection, Target motion analysis, Array processing

Mots clés

Sonar, Détection, Trajectographie, Traitement d'antenne

1. Position Du Problème
2. Rappel Sur Les Traitements Conventionnels
3. La Méthode D'intégration Dynamique
4. Performances En Estimation
5. Résultats Expérimentaux
6. Conclusion
  References

[1] Struzinski WA ., and Lowe E.D ., " A performance comparaison of four noise background normalization schemes proposed for signal detection system", J. Acoust. Soc. Am. 76 (6), 1738-1742, 1984.

[2] Nardone S.C . ., Lindgren, A .G ., and Gong, K.F., " Fundamental properties and performance of conventional bearing-only tracking", IEEE trans. on Autom. Control vol. 29, 775-787, Sept. 1984. LES AUTEURS Serge SITBON

[3] Bar-Shalom, Y., and Fortmann, T.E ., Tracking and data association, Academic Press , N .Y. 1988 .

[4] Aidala, V.J., and Hammel, S .E ., "Utilization of modified polar coordinates for bearings-only tracking", IEEE trans. on Autom. Control, vol. 28, No 3, 283-294, 1983.

[5] Zugmeyer, O ., and le Cadre, J .P., "On the estimation of source motion parameters by temporal and spatial focusing", J. Acoust. Soc . Am. 93(3) , 1482-1487, March 1993 .

[6] Solal, M ., Pillon, D . , and Brasseur, S ., "Simultaneous detection and target motion analysis from conventional passive beam-forming outputs", In Proc. of the ICASSP, Toronto (Canada), 1321-1324, May 14-17, 1991 .

[7] Fawcett J .A. and Maranda B .H ., "Localization by maximizing long-term integrated spectral power", IEEE trans . on Signal Processing, vol . 40 no. 2, 460-464, Feb. 1992 .

[8] Johnson, G .W, and Bradford, WA., "Thresholds in combined detection and source motion estimation", In Proc . of the ICASSP, Dallas (TX), 1095-1098, April 6-9, 1987.

[9] Ohlms, D .E ., and Nitka, D .N., "Optimal bearing and bearing rate estimation using ambiguity surface", In Proc. of the ICASSP, San-Fransisco (CA), Vol. II 533-536, March 23-26 . 1992 .

[10] Bienvenu, G ., and Kopp, L., "Optimality of high resolution array processing using the eigensystem approach", IEEE trans . on Acoust., Speech and Signal Processing, vol . 31 no . 5, 1235-1248, Oct . 1983 .

[11] Kendall, M . and Stuart,A ., The advanced theory of statistics, Vol . 2, Fourth ed ., Griffin, London, 1979.

[12] L. Kopp, et D . Thubert, "Bornes de Cramer-Rao en traitement d'antenne . Première partie : Formalisme", Traitement du Signal, Vol. 3, No. 3, 11-125, 1986 .

[13] Passerieux, J.M., Pillon, D ., Blanc-Benon, P., and Jauffret, C . "Target motion analysis with bearing and frequency measurement" , In Proc. of the 22nd Asilomar Conf on Signals, Systems & Computers, Pacific Grove (CA), 458 - 462, Nov . 1988.

[14] IMSL User's Manual, " FORTRAN subroutines for mathematical applications",Version 2 .0 Houston (TX), Sept 1991 .

[15] S . Sitbon, and J.M. Passerieux, "New efficient target tracking based upon hidden markov models and probalistic data association", In Proc. of the 29th Asilomar Conf on Signals, Systems & Computers, Pacific Grove (CA), Nov. 1995 .

[16] Burdic, W.S ., Underwater acoustic system analysis, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1984.