CN104569923A - 基于速度约束的Hough变换快速航迹起始方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种密集杂波环境下基于速度约束的Hough变换的航迹快速起始新方法。该方法通过对各扫描周期内的传感器量测数据进行组合配对和速度约束，删除部分由杂波形成的配对，利用Hough变换公式求出各配对在参数空间中准确的交点，通过参数空间分割和门限设置提取出公共交点，得到候选航迹，再次利用速度约束对后续航迹进行筛选，得到最终的确认航迹。该方法有效地抑制了杂波形成的虚假航迹，保证了航迹的快速起始，对杂波干扰具有更好地稳健性。

Description

基于速度约束的Hough变换快速航迹起始方法

技术领域

本发明属于传感器网络信息融合技术，涉及数据融合中多目标航迹起始问题，提供了一种密集杂波环境下快速起始航迹的新方法。

背景技术

航迹起始是多目标航迹处理的首要问题，所谓航迹起始，就是利用各种关联算法和评判标准快速形成目标的真实航迹，并同时减少虚假航迹。由于航迹起始时，目标距离较远，传感器探测的分辨力低、测量精度差，再加上真假目标的出现无真正的统计规律，因此在多目标航迹处理中，航迹起始是一个很难处理的问题。

目前的航迹起始算法主要包括顺序处理方法和批处理方法两类，在杂波密度较低的环境中，顺序处理方法通常可以取得较好的航迹起始效果，但是在密集杂波环境下，顺序处理方法将会形成许多虚假航迹，而批处理技术在该环境下可以得到较好的航迹起始效果。批处理技术主要是指基于Hough变换的起始方法，该方法将数据空间中难以解决的全局检测问题转化为参数空间中相对容易解决的局部峰值检测问题。基于Hough变换的航迹起始方法具有很多优点：1)可以检测特定的曲线，因此，只要知道目标的一些先验信息，就可以检测作特殊运动的目标；2)Hough变换不要求目标的运动轨迹连续或可导，因此比较适合处理低检测概率下的断续量测；3)Hough变换可以同时检测多条曲线，因此能够同时对多目标进行检测。也正是由于Hough变换具有以上优点，使得基于Hough变换的航迹起始方法成为当前航迹起始方法研究领域的热点。然而，目前各种基于Hough变换的方法仅仅是粗略地估计数据空间中处于或近似处于同一直线的点在参数空间中对应的交点，并未给出数据空间中处于同一直线的点在参数空间中准确的交点，因而在航迹起始阶段，这类方法虽然可以正确起始目标的航迹，但是也会起始许多由杂波产生的虚假航迹，不利于后续的目标跟踪。

发明内容

1.要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种密集杂波环境下快速起始航迹的新方法。该方法通过对各次雷达扫描数据进行组合配对和速度约束，删除部分由杂波形成的配对，利用Hough变换公式求出各配对在参数空间中准确的交点，通过参数空间分割和门限设置提取出公共交点，得到候选航迹，再次利用速度约束对后续航迹进行筛选，得到最终的确认航迹。该方法有效地抑制了杂波形成的虚假航迹，保证了航迹起始的快速性，有利于后续的目标跟踪。

2.技术方案

本发明所述的基于Hough变换的组合配对快速航迹起始方法，具体流程如图1所示。包括以下技术措施：将不同周期的回波数据进行两点配对；利用目标的速度约束对配对组合进行筛选，减少搭配组合数目；计算各组合在参数空间的准确交点；通过参数分割和门限设置提取公共交点，形成候选航迹；再次利用速度约束对候选航迹进行筛选，得到确认航迹。

3.有益效果

本发明相比背景技术具有如下的优点：

(1)该方法有效地抑制了杂波形成的虚假航迹；

(2)该方法提高了目标航迹起始的速度；

(3)该方法对杂波干扰具有更好地稳健性。

附图说明

图1：算法流程图；

图2：直角坐标系中位于同一直线的3点；

图3：两点组合的Hough变换示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步详细描述。参照说明书附图，本发明目标航迹起始分以下几个步骤：

1、问题描述

在航迹起始时，目标一般距离雷达等传感器距离很远，并且没有很大的机动，此时可以将目标的运动近似为直线运动，目标的运动模型可以用匀速直线运动模型(CV)或匀加速直线运动模型(CA)表示。此时目标航迹起始就可以简化为杂波背景下的直线识别与检测问题。

Hough变换是检测特征曲线常用的方法，因其良好的杂波抑制能力和优异的起始效果在航迹起始中得到了广泛地关注和极大地发展。数据空间中一点经Hough变换后映射为参数空间中的一条曲线，而数据空间中一条直线经Hough变换变换后映射为参数空间中一点。如果将第i次扫描的一个回波点记为A_i，第i+1次扫描的一个回波点记为A_i+1，第i+2次扫描的一个回波点记为A_i+2，将A_i与A_i+1相连得到直线经Hough变换后映射为参数空间中一点B，同理，将A_i+1与A_i+2相连得到直线经Hough变换后映射为参数空间中一点C，如图2，图3所示。如果A_i、A_i+1、A_i+2在同一直线上，则参数空间中B点和C点必然重合，如果A_i、A_i+1、A_i+2近似在同一直线上，即与夹角接近0°，则参数空间中B点和C点必定距离很近，否则两点距离很远。通过判断参数空间中变换点分步的密集程度即可检测出目标航迹。

2、各次扫描回波的配对组合与速度约束

对于传感器回波数据，只有来自不同扫描周期的量测点才能构成起始航迹，同一扫描周期内即使存在构成直线的多个量测点，这条直线也不可能时目标航迹。考虑将不同扫描周期的两点组合配对，构成一条直线，这样就可以有效地避免同一扫描周期内的点构成直线，减少了虚假航迹。在实际应用中，传感器不可能每个扫描周期都能够接收到某一目标的回波点，如果仅仅将相邻扫描周期的点配对相连，当出现目标回波“闪烁”的情况时，例如6个扫描周期中每隔一个扫描周期丢失一个目标回波点，即目标回波出现[1,0,1,0,1,0]，其中1表示某次扫描出现某个目标的回波点，0表示某次扫描不出现某个目标的回波点，此时相邻周期的回波点无法相连，会丢失其中3个周期某个目标的回波数据，不利于目标航迹的正确起始。因此考虑将积累周期内不同周期的两点配对相连形成直线。例如，共有4个积累周期，每个积累周期得到的观测值个数为n₁,n₂,n₃,n₄，那么4个周期内两点配对组合的总数为n₁(n₂+n₃+n₄)+n₂(n₃+n₄)+n₃n₄。但是并不是任何2个来自不同扫描周期的量测点都来自同一目标，只有满足目标的一些运动特性的扫描点才有可能来自同一目标，此处用目标的速度进行约束，只有运动速度与目标的运动参数相符的量测点才可能来自同一目标。假设来自任意2个扫描周期的任意2个量测点的坐标分别为D₁(x₁,y₁)，D₂(x₂,y₂)，这2个量测点对应的扫描时刻分别为t₁,t₂，那么这两个量测点之间的距离为

$r=\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}---\left(1\right)$

这两个量测点对应的平均速度为

$v=\frac{r}{|t_2-t_1|}---\left(2\right)$

假设v_min，v_max是由常识给出的典型目标运动速度的最小值和最大值，只有当v_min≤v≤v_max时，这两个量测才有可能来自同一目标。经过速度约束之后，可以大大减少组合数量，从而降低后续的计算量。

3、计算两点配对直线在参数空间中的交点

对于满足速度约束的配对组合D₁(x₁,y₁)，D₂(x₂,y₂)，设其在参数空间的交点为(ρ,θ)，其中ρ表示原点到直线的距离，θ表示距离向量与X轴正向的夹角，则有

ρ＝x₁cos(θ)+y₁sin(θ) (3)

ρ＝x₂cos(θ)+y₂sin(θ) (4)

解(3)、(4)构成的方程组，得到

$\tan \left(\mathrm{\θ}\right)=-\frac{(x_2-x_1)}{(y_2-y_1)}---\left(5\right)$

由于θ∈[0,π]，记 $a=-\frac{(x_2-x_1)}{(y_2-y_1)},$ 则有

$\mathrm{\&theta;}=\left\{\begin{array}{cc}\arctan \left(a\right)& a\&GreaterEqual;0\\ \mathrm{\&pi;}+\arctan \left(a\right)& a<0\end{array}\right.---\left(6\right)$

将(6)式带入(3)式，得到

$\mathrm{\&rho;}=\frac{|x_2{y}_1-x_1{y}_2|}{r}---\left(7\right)$

至此，就可以求出每个配对组合在参数空间的交点。

4、候选航迹提取

前面已经介绍过，在航迹起始阶段，假设目标做直线运动，由于过程噪声和量测噪声的存在，目标的轨迹不可能是严格意义上的直线，但是其弯曲程度接近直线，因此，来自目标的量测点在参数空间中相距较近，也就是说，参数空间中密集分布的点对应的数据空间中的量测点可能来自目标，下面采用参数分割法提取候选航迹。

与标准的Hough变换法不同，本方法中参数分割并不是为了计算数据空间中各数据点在参数空间中对应的曲线，而只是为了按照密集程度对参数空间中的交点进行聚类，并且由于之前计算的都是精确的交点，而不是近似值，因而参数的分割可以更密集一些，使来自目标的量测组合在参数空间对应的交点聚集在一个方格，经过多次扫描后，在某个特定单元中点的数量会得到积累，然后设置门限，如果某个方格中的点的数量超过这一门限，则其对应的数据空间中的点可能来自同一目标，但是并不是所有超过门限的方框都是由目标航迹产生的，可能来自杂波。

5、确认航迹的建立

候选航迹中超过门限的方框对应的量测组可能会有重复的点，假设满足条件的量测组为其中D₁，D₂，D₃，D₄分别表示传感器4次扫描得到的量测点，每个配对中都有D₁，通过去重复，得到新的量测组为D₁，D₂，D₃，D₄，此时，虽然内部虽然满足速度约束，但是组合间可能会出现不满足速度约束的情况，即D₂，D₃或D₂，D₄或D₃，D₄之间可能不满足速度约束，由此构成的量测组并不来自目标，而是来自杂波。所以，去重复后对新的量测组内部再次进行速度约束，可以尽可能减少杂波形成的虚假航迹，保证起始航迹的正确性，具体算法流程见图1。5 -->

Claims (2)

1.基于速度约束的Hough变换快速航迹起始方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：对传感器各扫描周期的量测点进行两两组合配对，并进行速度约束；

步骤2：对满足约束的配对进行Hough变换，求出参数空间中对应的准确交点；

步骤3：对参数空间进行分割并设置门限，提取出候选航迹；

步骤4：通过去重复与速度再约束，得到最终的确认航迹。

2.根据权利1所述的方法，其特征在于步骤2采取以下技术措施：对于满足速度约束的配对组合D₁(x₁,y₁)，D₂(x₂,y₂)，这两个量测点之间的距离为

$r=\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}---\left(1\right)$

设该组合在参数空间的交点为(ρ,θ)，其中ρ表示原点到直线的距离，θ表示距离向量与X轴正向的夹角，则有

ρ＝x₁cos(θ)+y₁sin(θ) (2)

ρ＝x₂cos(θ)+y₂sin(θ) (3)

解(3)、(4)构成的方程组，得到

$\tan \left(\mathrm{\&theta;}\right)=-\frac{(x_2-x_1)}{(y_2-y_1)}---\left(4\right)$

由于θ∈[0,π]，记则有

$\mathrm{\&theta;}=\left\{\begin{array}{cc}\arctan \left(a\right)& a\&GreaterEqual;0\\ \mathrm{\&pi;}+\arctan \left(a\right)& a<0\end{array}\right.---\left(5\right)$

将(6)式带入(3)式，得到

$\mathrm{\&rho;}=\frac{|x_2{y}_1-x_1{y}_2|}{r}---\left(6\right)$

至此，就可以求出每个配对组合在参数空间中对应的交点。