CN107436434B - 基于双向多普勒估计的航迹起始方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达技术领域，公开了一种基于双向多普勒估计的航迹起始方法，包括：选择l时刻的第i个量测作为航迹头z_l,i，初始化来源于同一目标量测数量的计数值M_T＝1，初始化z_l,i下一关联时刻n＝1，针对z_l,i，对l+n时刻的量测进行最大速度波门的筛选，剩下量测集合为Z′_l+n，对l+n时刻满足最大速度波门筛选的量测，进行双向多普勒估计的筛选，查看Z′_l+n是否有点迹满足双向多普勒筛选；本发明有效的剔除虚假量测向量，抑制了虚假航迹的形成，进而在同样虚假航迹概率的条件下，提高了目标的检测概率，拓远了探测距离。

Description

基于双向多普勒估计的航迹起始方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，尤其涉及一种基于双向多普勒估计的航迹起始方法，可用于目标跟踪。

背景技术

作为目标跟踪的第一步，航迹起始从信号处理得到的包含虚警、杂波和目标的点迹中建立目标档案，主要包括暂态航迹的建立和航迹确认两个方面。其主要原理是根据起始目标的运动模型建立一系列对量测数据的约束条件，满足约束条件的量测则可被确认为来源于同一目标并送入***。其任务是根据雷达多次量测数据发现监视区域内潜在的目标，以便于后续的跟踪。航迹起始作为目标跟踪的前提和基础，其起始航迹的有效性直接影响雷达***的跟踪性能。

按照数据处理方式的不同，航迹起始方法主要分为两类：顺序处理技术和批处理技术。顺序处理技术是通过目标运动模型的约束，按照时间顺序对某一区域的量测数据进行序贯的关联来建立目标的航迹，代表方法有直观法和逻辑法。直观法主要处理思路是，利用起始目标可能的最大速度和最大加速度作为约束条件，将满足该约束条件的不同时刻的量测作为来源于同一目标的量测并进行起始。逻辑法首先使用最大速度约束等条件形成暂态航迹，然后通过插值或航迹预测得到关联波门来筛选量测，筛选得到的量测被认为来源于同一目标并进行起始。

现有的顺序处理方法易于实施但是由于约束太宽松，会使得关联波门较大而产生虚假航迹，尤其是在高虚警环境中；批处理方法通过将连续多次量测联合处理可以提供较好的航迹起始性能，但是其计算量较大，且批处理可能造成对目标起始的滞后，不利于工程上实时地监视。

发明内容

针对上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于双向多普勒估计的航迹起始方法，用于解决现有顺序处理类航迹起始方法中虚假航迹过高的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种基于双向多普勒估计的航迹起始方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1，记开始起始航迹的时刻为l时刻，l为大于零的正整数；且在l时刻包含N_l个未与已跟踪目标关联的量测向量，N_l为大于零的正整数；初始化i＝1，i＝1,...,N_l；

步骤2，将l时刻第i个量测向量z_l,i作为航迹头进行航迹起始，并初始化M_T＝1，M_T的值表示已确定源于同一目标的量测向量的个数，并令m＝l，m表示进行双向多普勒估计的基准时刻；

步骤3，获取m时刻第i个量测向量z_m,i，所述m时刻第i个量测向量z_m,i的信息中包含m时刻第i个量测向量z_m,i对应点迹的径向距离ρ_m,i，方位角θ_m,i，多普勒频率

初始化n＝1，n表示同量测向量z_m,i进行双向多普勒估计的量测向量所在时刻与量测向量z_m,i所在时刻的间隔；

步骤4，获取m+n时刻的所有量测向量，且在m+n时刻包含N_m+n个未与已跟踪目标关联的量测向量；N_m+n为大于零的正整数；

以m时刻第i个量测向量z_m,i为基准，对m+n时刻包含的N_m+n个未与已跟踪目标关联的量测向量z_m+n,j分别依次进行最大速度波门筛选，j＝1,2,…,N_m+n，得到满足最大速度波门约束的N′_m+n个量测向量z_m+n,k，k＝1,…,N′_m+n，N′_m+n为大于零的正整数；

令k的初值为1，k＝1,…,N′_m+n；

步骤5，以m时刻第i个量测向量z_m,i为基准，对满足最大速度波门约束的N′_m+n个量测向量中的第k个量测向量z_m+n,k进行双向多普勒估计约束；

步骤6，若满足最大速度波门约束的N′_m+n个量测向量中的第k个量测向量z_m+n,k不满足双向多普勒估计约束，且k<N′_m+n，则令k的值加1，返回步骤5；

若满足最大速度波门约束的N′_m+n个量测向量中的第k个量测向量z_m+n,k不满足双向多普勒估计约束，且k＝N′_m+n，则跳至步骤8；

若满足最大速度波门约束的N′_m+n个量测向量中的第k个量测向量z_m+n,k也满足双向多普勒估计约束，则确定m时刻第i个量测向量z_m,i和m+n时刻第k个量测向量z_m+n,k为来源于同一目标的量测，继续执行步骤7；

步骤7，设定起始M/N准则中M的值；

若M_T＝M，则起始以m时刻第i个量测向量z_m,i为航迹头的航迹；并令i的值加1，返回步骤2；

若M_T<M，且m+n≤l+N-1，则令M_T的值加1，m的值加n，并返回步骤3，寻找下一时刻与量测向量z_m,i来源于同一目标的量测；

步骤8，设定起始M/N准则中N的值；

若n<N，则令n的值加1，返回步骤4；

若n＝N，则令i的值加1，返回步骤2，直到i＝N_l，完成l时刻所有可能起始航迹的搜索。

本发明技术方案的特点和进一步的改进为：

(1)步骤4中，以m时刻第i个量测向量z_m,i为基准，对m+n时刻包含的N_m+n个未与已跟踪目标关联的量测向量z_m+n,j分别依次进行最大速度波门筛选，j＝1,2,…,N_m+n，得到满足最大速度波门约束的N′_m+n个量测向量z_m+n,k，k＝1,…,N′_m+n，具体包括如下子步骤：

(4a)获取m+n时刻第j个量测向量z_m+n,j，j的初值为1，j＝1,2,…,N_m+n；所述m+n时刻第j个量测向量z_m+n,j的信息中包含m+n时刻第j个量测向量z_m+n,j对应点迹的径向距离ρ_m+n,j，方位角θ_m+n,j，多普勒频率

(4b)根据m时刻第i个量测向量z_m,i对应点迹的径向距离ρ_m,i、m+n时刻第j个量测向量z_m+n,j对应点迹的径向距离ρ_m+n,j设定最大速度波门约束条件：||ρ_m+n,j-ρ_m,i||≤nv_maxT_s；其中，v_max为目标的最大可能速度，T_s为雷达扫描周期；

从而得到满足最大速度波门约束的N′_m+n个量测向量z_m+n,k，k＝1,…,N′_m+n，N′_m+n为大于零的正整数。

(2)步骤5具体包括如下子步骤：

(5a)根据m时刻第i个量测向量z_m,i对应点迹的径向距离ρ_m,i、m+n时刻第k个量测向量z_m+n,k对应点迹的径向距离ρ_m+n,k对目标的空间速度进行估计，得到目标在第i个量测向量到第k个量测向量之间的空间速度v_k,i：

其中，T_s表示雷达扫描周期；

(5b)将目标在第i个量测向量到第k个量测向量之间的空间速度v_k,_i分别向量测向量z_m+n,k和z_m,i的观测方向进行投影，分别得到目标在量测向量z_m,i处的径向速度估计值

速度估计误差的方差

以及目标在量测向量z_m+n,k处的径向速度估计值

速度估计误差的方差

其中，

表示角度量测的偏差，

表示雷达对目标径向距离的量测误差方差，

表示雷达对目标方位角的量测误差方差，

表示雷达对目标径向速度的量测误差方差，λ_θ表示

的均值，

λ′_θ表示

的期望，

(5c)根据目标在量测向量z_m,i处的径向速度估计值

速度估计误差的方差

以及量测到的径向速度

目标在量测向量z_m+n,k处的径向速度估计值

速度估计误差的方差

以及量测到的径向速度

对量测向量进行z_m+n,k和z_m,i构建如下双向多普勒估计约束：

其中，γ表示约束系数。

本发明在判断来源于同一目标的量测过程中，除了最大速度的约束之外，还采用径向速度信息对目标的空间位置进行约束，有效地剔除了虚假量测向量，抑制了虚假航迹，进而提高了航迹起始概率。与现有的航迹起始技术相比，航迹起始性能提升较为显著。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于双向多普勒估计的航迹起始方法的流程示意图；

图2为本发明方法与传统方法的虚假航迹概率仿真对比示意图；

图3为本发明方法与传统方法的检测概率仿真对比图示意图；

图4为本发明方法与传统方法的最大可跟踪距离仿真对比示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种基于双向多普勒估计的航迹起始方法，如图1所示，所述方法包括：

步骤1，选择l时刻的第i个量测作为航迹头z_l,i。

量测到的点迹信息包括，径向距离ρ_m,i，方位角θ_m,i，多普勒频率

其位置在笛卡尔坐标系中为ρ_m,i＝(ρ_m,icosθ_m,i,ρ_m,isinθ_m,i)，多普勒频率转化为目标径向速度

其中c是光速，f_c是发射信号的载频。其中假设量测到的目标的径向速度已经解模糊。

步骤2，初始化来源于同一目标量测数量的计数值M_T＝1，初始化z_l,i下一关联时刻n＝1。

考虑到目标检测概率不能为1，所以一般选定M/N起始准则进行航迹起始，当M_T＝M起始航迹，当n＝N且M_T<M时，z_l,i没有与之同一来源的量测，终止对z_l,i起始航迹地尝试。

步骤3，针对z_l,i，对l+n时刻的量测进行最大速度波门的筛选，剩下量测集合为Z′_l+n。

最大速度波门的筛选条件为：||ρ_m+n,j-ρ_m,i||≤nv_maxT_s

通过最大速度波门的筛选可以降低需要关联的点迹个数，也就降低了计算量。

步骤4，对l+n时刻满足最大速度波门筛选的量测，进行双向多普勒估计的筛选。

(4.1)对z_l+n,k∈Z′_l+n，估计其与z_l,i之间的空间速度：

(4.2)将该估计的空间速度分别向z_l,i和z_l+n,k的观测方向投影，得到径向速度的估计值以及估计得方差：

和

分别是对z_m+n,k和z_m,i径向速度估计误差的方差，

是对极坐标系转换为直角坐标系的有偏量的校正，其中

是角度量测的偏差，根据角度量测偏差的不同分布其取值不同。

(4.3)将两个时刻径向速度的估计值与量测值作比较：

其中γ是约束系数。若满足该约束，则说明z_l,i和z_l+n,k来源于同一目标，予以关联。

步骤5，查看Z′_l+n是否有点迹满足双向多普勒筛选。

若是，则M_T＝M+1，初始化描述时刻的值m＝1，继续以该点迹为起点按照上述最大速度波门和双向多普勒估计的波门对l+n+m，m＝1,2,…时刻的量测进行筛选，直到M_T＝M起始航迹，或者n+m＝N时终止起始，并返回步骤1继续遍历l时刻剩余的点迹；

若否，则返回步骤1，按照上述方法继续遍历l时刻剩余的点迹。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

1.仿真场景：实验采用2D雷达，认为雷达坐落于坐标原点，设载频f_c＝2GHz，光速c＝3×10⁸m/s，发射信号带宽B＝1MHz，波束宽度θ_3dB＝1°，脉冲宽度τ＝30us，脉冲重复周期T_r＝3ms，当前波位的下次扫描所需的时间间隔T_s＝10.8s，约束系数g＝7，目标的最大空间速度V_max＝700m/s，雷达量测参数为距离测量值、方位角测量值和多普勒测量值。参考目标满足P_d＝0.5@P_fa＝10^-6,R_ref＝200km。

2.仿真内容：

仿真1：采用以上实验场景，利用不加多普勒信息只有最大速度波门的传统方法和本发明的航迹起始方法，对航迹虚假概率进行仿真对比，结果如图2所示；

仿真2：采用以上实验场景，利用不加多普勒信息只有最大速度波门的传统方法和本发明的航迹起始方法，对不同虚假航迹概率对应的检测概率对比，结果如图3所示；

仿真3：采用以上实验场景，利用不加多普勒信息只有最大速度波门的传统方法和本发明的航迹起始方法，对可检测的最大作用距离对比，结果如图4所示；

3.实验结果分析：

参照图2，X轴表示虚警概率，Y轴表示虚假航迹概率。当虚警概率为10^-4时，传统方法的虚假航迹概率为0.064，本发明的虚假航迹概率为0.0005956，可以看出，传统方法是本发明方法的虚假航迹概率的107.45倍，本发明方法大大降低了虚假航迹的概率。

参照图3，X轴表示虚假航迹概率，Y轴表示检测概率。可以看出，在不同的SNR条件下，与传统方法相比，本发明方法均能够将检测概率提高奖金10％。

参照图4，X轴表示虚假航迹概率，Y轴表示最大可跟踪距离。可以看出，在不同的虚假航迹概率的条件下，与传统方法相比，本发明方法均能够将最远可跟踪距离拓远7％左右。

综上所述，本发明有效的剔除虚假量测向量，抑制了虚假航迹的形成，进而在同样虚假航迹概率的条件下，提高了目标的检测概率，拓远了探测距离。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于双向多普勒估计的航迹起始方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1，记开始起始航迹的时刻为l时刻，l为大于零的正整数；且在l时刻包含N_l个未与已跟踪目标关联的量测向量，N_l为大于零的正整数；初始化i＝1，i＝1,...,N_l；

步骤2，将l时刻第i个量测向量z_l,i作为航迹头进行航迹起始，并初始化M_T＝1，M_T的值表示已确定源于同一目标的量测向量的个数，并令m＝l，m表示进行双向多普勒估计的基准时刻；

步骤3，获取m时刻第i个量测向量z_m,i，所述m时刻第i个量测向量z_m,i的信息中包含m时刻第i个量测向量z_m,i对应点迹的径向距离ρ_m,i，方位角θ_m,i，多普勒频率

初始化n＝1，n表示同量测向量z_m,i进行双向多普勒估计的量测向量所在时刻与量测向量z_m,i所在时刻的间隔；

步骤4，获取m+n时刻的所有量测向量，且在m+n时刻包含N_m+n个未与已跟踪目标关联的量测向量；N_m+n为大于零的正整数；

以m时刻第i个量测向量z_m,i为基准，对m+n时刻包含的N_m+n个未与已跟踪目标关联的量测向量中第j个量测向量z_m+n,j分别依次进行最大速度波门筛选，j＝1,2,…,N_m+n，得到满足最大速度波门约束的N′_m+n个量测向量，其中满足最大速度波门约束的N′_m+n个量测向量中的第k个量测向量为z_m+n,k，k＝1,…,N′_m+n，N′_m+n为大于零的正整数；

令k的初值为1，k＝1,…,N′_m+n；

具体包括如下子步骤：

(4a)获取m+n时刻包含的N_m+n个未与已跟踪目标关联的量测向量中第j个量测向量z_m+n,j，j的初值为1，j＝1,2,…,N_m+n；所述m+n时刻第j个量测向量z_m+n,j的信息中包含m+n时刻第j个量测向量z_m+n,j对应点迹的径向距离ρ_m+n,j，方位角θ_m+n,j，多普勒频率

(4b)根据m时刻第i个量测向量z_m,i对应点迹的径向距离ρ_m,i、m+n时刻第j个量测向量z_m+n,j对应点迹的径向距离ρ_m+n,j设定最大速度波门约束条件：||ρ_m+n,j-ρ_m,i||≤nv_maxT_s；其中，v_max为目标的最大可能速度，T_s为雷达扫描周期；

令j依次取1,2,…,N_m+n，从而得到满足最大速度波门约束条件的N′_m+n个量测向量，其中满足最大速度波门约束条件的N′_m+n个量测向量中的第k个量测向量为z_m+n,k，k＝1,…,N′_m+n，N′_m+n为大于零的正整数；

步骤5，以m时刻第i个量测向量z_m,i为基准，对满足最大速度波门约束的N′_m+n个量测向量中的第k个量测向量z_m+n,k进行双向多普勒估计约束；

具体包括如下子步骤：

(5a)根据m时刻第i个量测向量z_m,i对应点迹的径向距离ρ_m,i、m+n时刻第k个量测向量z_m+n,k对应点迹的径向距离ρ_m+n,k对目标的空间速度进行估计，得到目标在第i个量测向量到第k个量测向量之间的空间速度v_k,i：

其中，T_s为雷达扫描周期；

(5b)将目标在第i个量测向量到第k个量测向量之间的空间速度v_k,i分别向量测向量z_m+n,k和z_m,i的观测方向进行投影，分别得到目标在量测向量z_m,i处的径向速度估计值

速度估计误差的方差

以及目标在量测向量z_m+n,k处的径向速度估计值

速度估计误差的方差

其中，

表示雷达对目标径向距离的量测误差方差，

表示雷达对目标方位角的量测误差方差，

表示雷达对目标径向速度的量测误差方差，λ_θ表示

的均值，

λ′_θ表示

的期望，

表示角度量测的偏差；

(5c)根据目标在量测向量z_m,i处的径向速度估计值

速度估计误差的方差

以及量测到的径向速度

目标在量测向量z_m+n,k处的径向速度估计值

速度估计误差的方差

以及量测到的径向速度

对量测向量进行z_m+n,k和z_m,i构建如下双向多普勒估计约束：

其中，γ表示约束系数；

步骤6，若满足最大速度波门约束的N′_m+n个量测向量中的第k个量测向量z_m+n,k不满足双向多普勒估计约束，且k<N′_m+n，则令k的值加1，返回步骤5；

若满足最大速度波门约束的N′_m+n个量测向量中的第k个量测向量z_m+n,k不满足双向多普勒估计约束，且k＝N′_m+n，则跳至步骤8；

若满足最大速度波门约束的N′_m+n个量测向量中的第k个量测向量z_m+n,k也满足双向多普勒估计约束，则确定m时刻第i个量测向量z_m,i和m+n时刻第k个量测向量z_m+n,k为来源于同一目标的量测，继续执行步骤7；

步骤7，设定起始M/N准则中M的值；

若M_T＝M，则起始以m时刻第i个量测向量z_m,i为航迹头的航迹；并令i的值加1，返回步骤2；

若M_T<M，且m+n≤l+N-1，则令M_T的值加1，m的值加n，并返回步骤3，寻找下一时刻与量测向量z_m,i来源于同一目标的量测；

步骤8，设定起始M/N准则中N的值；

若n<N，则令n的值加1，返回步骤4；

若n＝N，则令i的值加1，返回步骤2，直到i＝N_l，完成l时刻所有可能起始航迹的搜索。

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