CN109655822A - 一种改进的航迹起始方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的航迹起始方法，包含以下步骤：S1、建立航迹起始点迹；S2、直观法确定波门门限，并锁定第二个起始点迹；S3、根据前两个起始点迹外推，以预测值为中心，将航迹误差协方差值作为跟踪波门的门限；S4、若扫描点迹中未有落入波门门限内，将已起始航迹撤销，返回执行步骤S1继续进行。若扫描点迹中落入波门门限内，将接下来扫描落入到跟踪门限内的点迹根据目标特征信息辅助的关联算法进行关联；S5、扫描点迹关联后，继续执行步骤S3，直至满足M/N逻辑法，确定航迹起始成功。本发明适用于密集杂波噪声同时存在的复杂场景，计算复杂度低，实时性高，航迹起始准确度高，软件算法实现简单，便于在工程实际中的应用。

Description

一种改进的航迹起始方法

技术领域

本发明涉及一种改进的航迹起始方法。

背景技术

雷达航迹起始算法可分为两大类，即顺序处理技术和批处理技术。一般来说顺序处理技术主要用在杂波较少的环境中开始起始航迹，有直观法、逻辑法等等；而在强杂波环境下，批处理技术更适合用于处理航迹起始，批处理技术主要包括Hough变换法及其他的一些改进算法。研究表明，顺序处理技术能够在较为安静的环境中较好地处理航迹起始问题；而在嘈杂的环境中，Hough变换法能够较为准确地的处理航迹起始问题，但是在这种情况下，Hough变换法要计算负担较大，也正因其计算量过大导致在工程中使用时不太适合。因此提供一种准确而又快速地航迹起始方法，具有重大意义。

目前国内有专利CN106054150A(“一种先起始后确认的雷达航迹起始方法”)介绍了一种雷达航迹起始方法，通过设定实际检测判决虚警概率，从而确定检测门限的方法。该方法与现有航迹起始方法相比，可提高目标航迹起始概率，但算法实现复杂，场景适应性和工程实现性均较差。

专利CN107436434A(“基于双向多普勒估计的航迹起始方法”)介绍了一种基于多普勒信息的航迹起始方法，能够通过回波多普勒信息辅助航迹起始关联算法，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。但航迹起始阶段多普勒信息计算模糊，且工程计算量大。

专利CN106896363A(“一种水下目标主动跟踪航迹起始方法”)介绍了一种水下目标航迹起始方法，通过导航传感器和声纳传感器采集数据，获得评估值及计算波门门限，更新潜在轨迹。该方法能够适用于不同的海洋环境，尤其对于高杂波环境，能够准确高效地对目标轨迹进行航迹起始，但是该方法对信号处理***实时性要求较高，且工程计算量大。

2016年第6期的《雷达科学与技术》期刊中公开文献《机载预警雷达海面多目标航迹起始算法研究》介绍了一种海面多目标航迹起始方法。该算法利用三帧量测数据构建了具有延迟判决结构的初始波门，克服了传统初始波门易出现航迹***与合成问题，并通过角度约束与修正的Hough变换改进了传统的相关波门结构。但其局限在于，该算法仅适用于机载雷达对海条件下，适用空间具有局限性，且工程量较大，实时性能较差。

2018年第1期的《上海交通大学学报》期刊中公开文献《基于启发式逻辑的概率假设密度滤波高效航迹起始方法》介绍了一种高效航迹起始方法，该方法在固定长度滑窗内设置速度、加速度与角度等约束条件，对产生新生目标的潜在量测进行有效性检测和确认，以缩减虚假新生目标。该方法与传统的基于全量测起始的PHD滤波相比，所提出的方法大幅提高了计算效率。但其局限在于，该方法航迹起始精度不高，且算法也并不简单，因而工程实现意义不大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的航迹起始方法，以目标位置、速度、加速度、角度变量计算门限对回波进行初步筛选，在进行目标特征辅助信息的关联算法进行量测回波与目标的关联，实现精准起始目标航迹的目的。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种改进的航迹起始方法，包含以下步骤：

S1、建立航迹起始点迹，进入S2；

S2、直观法确定波门门限，并锁定第二个起始点迹，均进入S3；

S3、根据前两个起始点迹外推，以预测值为中心，将航迹误差协方差值作为跟踪波门的门限，进入S4；

S4、若扫描点迹中未有落入波门门限内，将已起始航迹撤销，返回执行步骤S1继续进行。若扫描点迹中落入波门门限内，将接下来扫描落入到跟踪门限内的点迹根据目标特征信息辅助的关联算法进行关联，进入S5；

S5、扫描点迹关联后，继续执行步骤S3，直至满足M/N逻辑法，确定航迹起始成功。

与现有技术相比，本发明以目标位置、速度、加速度、角度变量计算门限对回波进行初步筛选，在进行目标特征辅助信息的关联算法进行量测回波与目标的关联的方法，旨在提供一种适用于密集杂波噪声同时存在的复杂场景，计算复杂度低，实时性高，航迹起始准确度高，软件算法实现简单，便于在工程实际中的应用的航迹起始方法。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为目标量测与杂波量测的二维平面分布图；

图3为常规逻辑法航迹起始的航迹图；

图4为基于改进的航迹起始的航迹图。

具体实施方式

以下基于具体的实施例，来对本发明进行详细说明。

本实施例中，假设在雷达传感器扫描区域存在5个目标做匀速直线运动，假定其在二维平面内，这5个目标的初始位置分别为：(55000m，55000m)，(45000m，45000m)，(35000m，35000m)，(45000m，25000m)，(55000m，15000m)，这5个目标的初始速度均为(500m/s，0m/s)。假设雷达传感器扫描周期T为5秒，而雷达传感器的距离观测标准差与方位角观测标准差分别为：σ_r＝40m和σ_θ＝0.3°。假设雷达传感器连续扫描4个周期，每个周期扫描到的杂波的数量是服从泊松分布的，其杂波的数量均值是由所考虑的正方形仿真区域内的面积大小以及单位面积内杂波数的乘积所确定的。

假设航迹起始算法中限制关联规则中的最大速度为：和最小速度为：最大加速度a_max＝50m/s²和连续三次扫描的夹角假设基于逻辑法的航迹起始算法中采用3/4逻辑法，每次雷达传感器扫描所得的点迹集合中的前5个点被设定为目标点，参数空间的门限取值4，令N_θ＝90，N_ρ＝90。

如图1所示，本发明提出的方法具体执行以下步骤：

S1、将初始扫描点迹作为第一个起始点迹，以此建立航迹起始点迹，转入S2。

S2、使用直观法确定门限值，将第二次扫描到的落入门限内的点迹作为可能航迹的初始建立。

假设r_i(i＝1,2)、t_i(i＝1,2)为目标两次扫描的位置量测值、时间值，扫描到的量测的运动速度应该介于最大速度V_max和最小速度V_min之间，即：

式中r_i为目标径距，t_i为目标运动时间。速度的约束大大限制了波门的范围，尤其是在在强杂波的环境下，杂波数目较多，大大影响了目标的数据关联。

S3、针对步骤S2中的结果，进行直线外推获得每一个可能的航迹，以这一时刻的预测值作为中心点，通过航迹误差协方差值作为跟踪波门的门限值大小。

航迹误差协方差计算波门门限值方法如下：

设z_i(k)是k时刻的第i个量测的信息，其中i＝1,2,...,m_k。则量测Z_i(k)和Z_j(k+1)的距离矢量d_ij为：

d_ij(t)＝max[0,z_j(k+1)-z_i(k)-v_maxt]+max[0,-z_j(k+1)+z_i(k)+v_mint] (1)

式中，t为雷达扫描两次的时间间隔，一般假设量测误差为零均值、独立的高斯白噪声分布，令其协方差为R_i(k)，则归一化距离平方为：

式中D_ij(k)为服从χ²分布的随机变量，其自由度为p(p根据实际工程具体情况制定)。通过自由度p查询可得到距离门限值γ，如果D_ij(k)≤γ，则量测Z_i(k)和Z_j(k+1)是相关联的。

同理，速度、加速度和角度门限值计算方法同上可得，其中量测Z_i(k)和Z_j(k+1)的速度矢量为：

加速度矢量为：

角度矢量为：

S4、若扫描点迹中未有落入波门门限内，将已起始航迹撤销，返回执行步骤S1继续进行。若扫描点迹中落入波门门限内，将接下来扫描落入到跟踪门限内的点迹根据目标特征信息辅助的关联算法进行关联。

假设a为k时刻第i个量测的幅值信息，令其来自真实目标量测的幅值信息的概率密度函数为p₁(a)，而虚假量测的幅值信息的概率密度函数为p₀(a)。则：

式中d为信噪比(或信杂比)SNR。

令τ为幅值信息检测门限，则虚警概率和检测概率分别为和则：

要增大检测概率则需要降低幅值信息检测门限τ，但这也会导致虚警概率增大，因此要合理选择幅值信息检测门限τ，一般τ的选取是由虚警概率得到的，即：

通过幅值信息检测门限τ后输出的真实目标量测和虚假量测的幅值信息的概率密度函数分别为为和则：

综上可得：

令幅值似然比ρ为真实目标量测的幅值信息的概率密度函数与虚假量测的幅值信息的概率密度函数之比，即：

假设k+1时刻第i个量测值为z_i(k+1)，目标预测值为z(k+1|k)，目标特征信息辅助的关联算法的原理是将在跟踪波门内回波离目标的预测位置值与回波幅度似然比值最小的量测当作目标点迹，即达到极小值，该值则可以用于目标状态的更新中。

S5、扫描点迹关联后，继续执行步骤S3，直至满足M/N逻辑法(M/N根据实际工程具体情况制定)，确定航迹起始成功。

尽管本发明的内容已经通过上述步骤作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种改进的航迹起始方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、将初始扫描点迹作为第一个起始点迹，以此建立航迹起始点迹，进入S2；

S2、直观法确定波门门限，并锁定第二个起始点迹，进入S3；

S3、根据前两个起始点迹外推，以预测值为中心，将航迹误差协方差值作为跟踪波门的门限，进入S4；

S4、若扫描点迹中未有落入波门门限内，将已起始航迹撤销，返回执行步骤S1继续进行；若扫描点迹中落入波门门限内，将接下来扫描落入到跟踪门限内的点迹根据目标特征信息辅助的关联算法进行关联，进入S5；

S5、扫描点迹关联后，继续执行步骤S3，直至满足M/N逻辑法，确定航迹起始成功。

2.如权利要求1所述的一种改进的航迹起始方法，其特征在于，所述的步骤S2中，使用直观法确定门限值，将第二次扫描到的落入门限内的点迹作为可能航迹的初始建立；

假设r_i(i＝1,2)、t_i(i＝1,2)为目标两次扫描的位置量测值、时间值，扫描到的量测的运动速度介于最大速度V_max和最小速度V_min之间，即：

式中r_i为目标径距，t_i为目标运动时间。

3.如权利要求1所述的一种改进的航迹起始方法，其特征在于，所述的步骤S3中，针对步骤S2中的结果，进行直线外推获得每一个可能的航迹，以这一时刻的预测值作为中心点，通过航迹误差协方差值作为跟踪波门的门限值大小；

航迹误差协方差计算波门门限值方法如下：

设z_i(k)是k时刻的第i个量测的信息，其中i＝1,2,...,m_k；

则量测Z_i(k)和Z_j(k+1)的距离矢量d_ij为：

d_ij(t)＝max[0,z_j(k+1)-z_i(k)-v_maxt]+max[0,-z_j(k+1)+z_i(k)+v_mint] (1)

式中，t为雷达扫描两次的时间间隔，假设量测误差为零均值、独立的高斯白噪声分布，令其协方差为R_i(k)，则归一化距离平方为：

式中D_ij(k)为服从χ²分布的随机变量，过自由度为p查询得到距离门限值γ，如果D_ij(k)≤γ，则量测Z_i(k)和Z_j(k+1)是相关联的。

4.如权利要求3所述的一种改进的航迹起始方法，其特征在于，所述的步骤S3中，对速度、加速度和角度门限值进行计算，其中量测Z_i(k)和Z_j(k+1)的速度矢量为：

加速度矢量为：

角度矢量为：

5.如权利要求1所述的一种改进的航迹起始方法，其特征在于，所述的步骤S4中，假设a为k时刻第i个量测的幅值信息，令其来自真实目标量测的幅值信息的概率密度函数为p₁(a)，而虚假量测的幅值信息的概率密度函数为p₀(a)；则：

式中d为信噪比；

令τ为幅值信息检测门限，则虚警概率和检测概率分别为和则：

幅值信息检测门限

通过幅值信息检测门限τ后输出的真实目标量测和虚假量测的幅值信息的概率密度函数分别为和则：

综上可得：

令幅值似然比ρ为真实目标量测的幅值信息的概率密度函数与虚假量测的幅值信息的概率密度函数之比，即：

假设k+1时刻第i个量测值为z_i(k+1)，目标预测值为z(k+1|k)，目标特征信息辅助的关联算法的原理是将在跟踪波门内回波离目标的预测位置值与回波幅度似然比值最小的量测当作目标点迹，即达到极小值，该值用于目标状态的更新中。