基于多比特量化的水下无线传感网络高效分布式检测技术研究

In recent years, with the development of noise reduction technology and the application of silent tile, the detection range of a single target detection system or distributed sensor network with hard decision rules, is getting closer and closer. Aiming at the urgent demand for improving the target detection performance against faint target in the long range, we propose to investigate the efficient distributed quantitative detection method in underwater wireless sensor network (UWSN). The project will focus on the key technologies of signal model construction of multi-bit quantization distributed detection system, optimal design of both the local decision rules and the fusion center fusion methods, so as to improve the detection performance of distributed detection system in actual underwater acoustic environment, and thereby provide a new technical approach for the realization of remote detection system for weak targets. The research results of this project are expected to significantly improve the detection performance of the existing underwater cooperative detection system, and found application in a variety of underwater activities such as marine resources exploration, marine environment monitoring, marine safety supervision and maritime safety warning.

本项目针对当前国家对远程微弱目标预警探测的迫切需求，对水下无线传感网络高效分布式量化检测方法进行研究，解决传统单节点目标探测系统与硬决策检测融合系统在实际水声环境中探测距离近的问题。项目将重点研究水下无线传感网络多比特量化分布式检测系统信号模型构建、局部传感器节点判决规则优化设计及融合中心融合方法设计等关键技术，提高分布式探测系统在实际水声环境下的检测性能，为实现微弱目标远程预警探测提供新的技术途径。本项目的研究有望显著提高现有水下协同探测系统的检测性能，研究成果可应用到海洋资源勘探、海洋环境监测、海洋安全监管与海上安全警戒等水下活动中，具有重要的学术意义和广泛的应用价值。

针对水下弱目标探测的迫切需求，开展了水下无线传感网络高效分布式探测方法研究，形成了适配水声传输能力与能源约束的多节点时间同步、协同检测、协同定位方案。主要创新性研究成果有：（1）针对水声传输传播时延大、可用带宽窄，无法实现水声阵列采集原始数据实时传输的限制，以及现有分布式量化检测方法在低信噪比下性能不佳的问题，提出了非理想信道下基于局部最大势检验的多比特量化检测方法，构造了基于分布式检测系统Fisher信息量最大化的多比特量化阈值优化问题，揭示了量化对系统检测性能影响机理。（2）针对现有分布式目标检测方法在部分均匀场景下面临的训练样本数不足、导向矢量失配、抗结构化干扰能力不足等问题，提出了两种反对称子空间自适应点目标稳健检测方法，突破了非均匀场景检测器理论性能难以求解的瓶颈，实测数据分析表明，在有限的训练样本条件下，与已有检测器相比，项目组所提检测器检测性能显著提高。（3）针对水下信息传递延迟高、即时性差、能源受限造成的时间同步难度高的挑战，提出基于仅接收端同步方案的高精度时钟参数估计方法，克服了现有时间信息交换模型与参数估计方法对时间数据利用不充足的缺陷，相比于现有方法，所提方法在同步精度方面可提升60.9%，同时对环境失配具有良好的稳健性。（4）针对水下多平台协同探测系统阵列异构、工作参数差异导致的协同定位精度低、分辨能力差的问题，提出了基于多异构阵列数据融合被动定位方法，定位精度较同类方法提高9.3%，分辨能力显著提高。海试数据结果进一步验证了所提方法的有效性及相比于已有方法在定位精度和分辨能力方面的优越性。研究成果对分布式协同探测，尤其是带宽与能源受限下的分布式协同探测具有重要的理论意义和应用价值，为我国水下分布式探测系统能力提升提供了一定的理论支撑。

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