CN104714225A - 一种基于广义似然比的动态规划检测前跟踪方法 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种基于广义似然比的动态规划检测前跟踪方法，属于雷达目标检测跟踪技术领域，特别涉及了复合高斯杂波背景下微弱目标检测跟踪技术领域。当接收雷达回波数据后，计算每个距离分辨单元对应的广义似然比，将广义似然比作为目标航迹值函数进行动态规划积累。较之传统动态规划检测前跟踪方法，能够更好的体现目标与杂波的差异，提高复合高斯杂波背景下微弱目标的检测跟踪性能。选取广义似然比作为目标航迹值函数进行动态规划积累，可以在未知具体杂波幅度分布类型、参数及目标统计特性的情况下，较之传统动态规划检测前跟踪方法有效提高复合高斯杂波中微弱目标的检测跟踪性能。

Description

一种基于广义似然比的动态规划检测前跟踪方法

技术领域

本发明涉及雷达目标检测跟踪技术，特别涉及复合高斯背景下的微弱目标雷达检测跟踪技术领域。

背景技术

地/海基警戒雷达、机载预警雷达等在实施远程预警警戒等任务时，需要具备对隐身飞机等微弱目标具备有效探测能力。现役雷达目标进行探测时，常采用高斯杂波模型。高斯杂波模型假设雷达包络检波之后的地杂波、海杂波回波服从瑞利分布，这对平稳海情和均匀地面，低分辨率雷达在高擦地角时是正确的。对于高分辨率雷达及低擦地角工作的雷达，高斯杂波模型并不能很好的描述雷达杂波回波。主要表现在随着距离分辨率的提高及擦地角的减小，非均匀地面和海面杂波回波出现了比瑞利分布更长的“尾巴”，即出现了更多的大幅度的杂波回波，这使建立在经典理论基础上的雷达检测跟踪系统出现更多的虚警和漏检。事实上，此时用复合高斯分布描述雷达杂波回波更加合理。由于杂波回波的复杂化，雷达难以有效探测隐藏于地海强杂波中的目标。

动态规划检测前跟踪方法是一种有效的微弱目标检测跟踪方法，其对多帧雷达回波数据进行联合处理，通过积累目标航迹值函数对所有可能的航迹搜索，从而估计目标的真实状态。传统动态规划检测前跟踪方法对每个距离分辨单元的N个量测值做M点离散傅里叶变换，将所得M点中的最大值作为目标航迹值函数进行积累。传统动态规划检测前跟踪方法在对复合高斯杂波中的微弱目标进行检测跟踪时性能很差。

发明内容

本发明的目的是针对复合高斯背景下的微弱目标检测跟踪难的问题，改进设计一种基于广义似然比的动态规划检测前跟踪方法，从而达到提高复合高斯杂波背景下微弱目标检测跟踪性能的目的。

本发明提供了一种基于广义似然比的动态规划检测前跟踪方法，该方法包括

步骤1：初始化系统参数包括：距离分辨单元个数L，处理帧数K，状态转移数q，利用蒙特卡洛仿真实验计算出的门限V_T，发射相干脉冲串的数目N，非零自然数r；

步骤2：对每一帧每个距离分辨单元进行目标航迹值函数赋值：每一帧每个距离分辨单元对应的目标航迹值函数为该距离分辨单元对应的广义似然比；

步骤3、通过动态规划算法对前K帧中所有可能的目标航迹进行搜索，并记录各目标航迹在每帧对应的分辨单元的位置信息，将前K帧中属于同一目标航迹的分辨单元对应的目标航迹值函数进行叠加，得到该目标在第K帧的目标判定值；

步骤4、将第K帧每个目标判定值与设定的门限V_T进行比较，若高于门限，则认定该判定值对应分辨单元中有目标存在；若第K帧所有目标判定值都低于门限，则宣布目标不存在；

步骤5、如果步骤4认定目标存在，利用步骤3记录的该目标前K帧位置信息，恢复目标的航迹；

步骤6：虚假航迹删除：将步骤5中恢复得到的所有目标航迹进行对比，如果有多条航迹在某一帧具有相同位置，则将这些航迹中具有最大目标判定值的航迹作为真实目标航迹，删除其余航迹；

步骤7、输出目标航迹。

所述步骤2的具体步骤为：

步骤2.1、划分不模糊多普勒区域如下：

$D=\{0,\frac{1}{\mathrm{rN}},...,1-\frac{1}{\mathrm{rN}}\}$

其中r为非零自然数；

步骤2.2、对第k帧第l个距离分辨单元，对于每种可能的归一化多普勒频率d_k∈D，计算广义似然比:

$-\ln (1-\frac{{\left|p^H{M}_k^{-1}{z}_k^l\right|}^2}{\left(p^H{M}_k^{-1}p\right)\left({\left(z_k^l\right)}^H{M}_k^{-1}{z}_k^l\right)})$

其中p＝[1,exp(j2πd_k),…,exp(j2π(N-1)d_k)]表示导向矢量，p^H表示向量p的共轭转置，M_k表示第k帧杂波协方差矩阵，表示第k帧第l个距离分辨单元的雷达量测值向量，通常表示为其中1≤i≤N表示第k帧第l个距离分辨单元的第i个脉冲对应的量测值，ln(·)表示取自然对数操作；

步骤2.3、选取r个广义似然比中的最大值作为第k帧第l个距离分辨单元对应的广义似然比。

所述步骤3的具体步骤为：

步骤3.1、对第1帧各距离分辨单元目标判定值赋值：第1帧各个距离分辨单元对应的目标判定值为该距离分辨单元在步骤2中计算得到的目标航迹值函数；

步骤3.2、对第2帧各距离分辨单元目标判定值赋值：假定第2帧每个分辨单元中存在一个目标，判定第2帧每个目标在第1帧中可能存在的区域，寻找出该区域中目标判定值最大的分辨单元并记录该单元的位置，第2帧相应分辨单元的目标判定值为第1帧中找出的最大目标判定值与第2帧该分辨单元对应的目标航迹值函数的和；

步骤3.3、采用与步骤3.2相同的方法计算出第3帧至第K帧的目标判定值。

所述步骤3中K的取值为3～20。

所述步骤6的具体步骤为：

步骤6.1、将没有经过判定的所有目标航迹中，在第K帧具有最大目标判定值的目标航迹判定为真实目标航迹；

步骤6.2、将每一条没有经过判定的目标航迹与真实目标航迹进行比较，如果该航迹与真实目标航迹在某帧具有相同位置，则将该航迹判定为虚假航迹；

步骤6.3、若仍有没有经过判定的目标航迹，则重复步骤6.1、步骤6.2直到所有目标航迹都经过判定。

本发明一种基于广义似然比的动态规划检测前跟踪方法，通过计算各帧各距离分辨单元对应的广义似然比，选取广义似然比作为目标航迹值函数进行动态规划积累，可以在未知具体杂波幅度分布类型、参数及目标统计特性的情况下，较之传统动态规划检测前跟踪方法有效提高复合高斯杂波中微弱目标的检测跟踪性能。

附图说明

图1为本发明的流程框图。

图2为计算广义似然比的流程框图。

图3为形状参数为1、尺度参数为1的K杂波背景下本发明与传统动态规划检测前跟踪方法检测性能对比图(L＝32,q＝3,K＝6)；其中带“o”的实线表示本发明的性能，带“□”的实线表示传统动态规划检测前跟踪方法检测性能。

图4为形状参数为4、尺度参数为1的K杂波背景下本发明与传统动态规划检测前跟踪方法检测性能对比图(L＝32,q＝3,K＝6)；其中带“o”的实线表示本发明的性能，带“□”的实线表示传统动态规划检测前跟踪方法检测性能。

可以看出本发明提出的基于广义似然比的动态规划检测前跟踪方法较之传统动态规划检测前跟踪方法检测性能具有很大的提升，能够在未知杂波具体分布类型、参数及目标统计特性的情况下更加有效的对复合高斯杂波中的微弱目标进行检测和跟踪。

具体实施方式

本发明主要采用仿真试验的方法进行验证，所有步骤、结论都在MATLAB R2012b上验证正确。具体实施步骤如下：

步骤1：初始化系统参数包括：距离分辨单元个数L＝32，处理帧数K＝6，状态转移数q＝3，形状参数为1、尺度参数为1、杂波协方差矩阵M_k(第(i,j)个元素为(M_k)_i,j＝0.9^|i-j|)的K杂波利用蒙特卡洛仿真实验计算出的门限V_T＝81.4517，形状参数为1、尺度参数为1、杂波协方差矩阵M_k(第(i,j)个元素为(M_k)_i,j＝0.9^|i-j|)的K杂波利用蒙特卡洛仿真实验计算出的门限V_T＝81.1960，发射相干脉冲串的数目N＝4，非零自然数r＝4；

步骤2：对每一帧每个距离分辨单元进行目标航迹值函数赋值：每一帧每个距离分辨单元对应的目标航迹值函数为该距离分辨单元对应的广义似然比；

步骤2.1、划分不模糊多普勒区域如下：

$D=\{0,\frac{1}{\mathrm{rN}},...,1-\frac{1}{\mathrm{rN}}\}$

其中r为非零自然数；

步骤2.2、对第k帧第l个距离分辨单元，对于每种可能的归一化多普勒频率d_k∈D，计算广义似然比

$\underset{d_k\∈D}{\max }-\ln (1-\frac{{\left|p^H{M}_k^{-1}{z}_k^l\right|}^2}{\left(p^H{M}_k^{-1}p\right)\left({\left(z_k^l\right)}^H{M}_k^{-1}{z}_k^l\right)})$

其中p＝[1,exp(j2πd_k),…,exp(j2π(N-1)d_k)]表示导向矢量，p^H表示向量p的共轭转置，M_k表示第k帧杂波协方差矩阵，表示第k帧第l个距离分辨单元的雷达量测值向量，通常表示为其中1≤i≤N表示第k帧第l个距离分辨单元的第i个脉冲对应的量测值，ln(·)表示取自然对数操作；

步骤2.3、选取r个广义似然比中的最大值作为第k帧第l个距离分辨单元对应的广义似然比，即第k帧l距离分辨单元对应的目标航迹值函数为

$\underset{d_k\∈D}{\max }-\ln (1-\frac{{\left|p^H{M}_k^{-1}{z}_k^l\right|}^2}{\left(p^H{M}_k^{-1}p\right)\left({\left(z_k^l\right)}^H{M}_k^{-1}{z}_k^l\right)})$

步骤3、通过动态规划算法对前K帧中所有可能的目标航迹进行搜索，并记录各目标航迹在每帧对应的分辨单元的位置信息，将前K帧中属于同一目标航迹的分辨单元对应的目标航迹值函数进行叠加，得到该目标在第K帧的目标判定值；

步骤3.1、对第1帧各距离分辨单元目标判定值赋值：第1帧各个距离分辨单元对应的目标判定值为该距离分辨单元在步骤2.3中计算得到的目标航迹值函数；

步骤3.2、对第2帧各距离分辨单元目标判定值赋值：假定第2帧每个分辨单元中存在一个目标，判定第2帧每个目标在第1帧中可能存在的区域，寻找出该区域中目标判定值最大的分辨单元并记录该单元的位置，第2帧相应分辨单元的目标判定值为第1帧中找出的最大目标判定值与第2帧该分辨单元对应的目标航迹值函数的和。具体处理方式如下：第2帧第j个距离分辨单元，假设其中存在一个目标，则该目标在前一帧(第1帧)中可能存在的区域为(j-1-v,j-v,j+1-v)，其中v表示离散化之后的目标速度。

步骤3.3、采用与步骤3.2相同的方法计算出第3帧至第K帧的目标判定值；其中K的取值为3～20。

步骤4、将第K帧每个目标判定值与设定的门限V_T进行比较，若高于门限，则认定该判定值对应分辨单元中有目标存在；若第K帧所有目标判定值都低于门限，则宣布目标不存在；

步骤5、如果步骤4认定目标存在，利用步骤3记录的该目标前K帧位置信息，恢复目标的航迹；

步骤6：虚假航迹删除：将步骤5中恢复得到的所有目标航迹进行对比，如果有多条航迹在某一帧具有相同位置，则将这些航迹中具有最大目标判定值的航迹作为真实目标航迹，删除其余航迹；

步骤6.1、将没有经过判定的所有目标航迹中，在第K帧具有最大目标判定值的目标航迹判定为真实目标航迹；

步骤6.2、将每一条没有经过判定的目标航迹与真实目标航迹进行比较，如果该航迹与真实目标航迹在某帧具有相同位置，则将该航迹判定为虚假航迹；

步骤6.3、若仍有没有经过判定的目标航迹，则重复步骤6.1、步骤6.2直到所有目标航迹都经过判定；否则转步骤7；

步骤7、输出目标航迹。

Claims (5)

1.一种基于广义似然比的动态规划检测前跟踪方法，该方法包括

步骤1：初始化系统参数包括：距离分辨单元个数L，处理帧数K，状态转移数q，利用蒙特卡洛仿真实验计算出的门限V_T，发射相干脉冲串的数目N，非零自然数r；

步骤2：对每一帧每个距离分辨单元进行目标航迹值函数赋值：每一帧每个距离分辨单元对应的目标航迹值函数为该距离分辨单元对应的广义似然比；

步骤3、通过动态规划方法对前K帧中所有可能的目标航迹进行搜索，并记录各目标航迹在每帧对应的分辨单元的位置信息，将前K帧中属于同一目标航迹的分辨单元对应的目标航迹值函数进行叠加，得到该目标在第K帧的目标判定值；

步骤4、将第K帧每个目标判定值与设定的门限V_T进行比较，若高于门限，则认定该判定值对应分辨单元中有目标存在；若第K帧所有目标判定值都低于门限，则宣布目标不存在；

步骤5、如果步骤4认定目标存在，利用步骤3记录的该目标前K帧位置信息，恢复目标的航迹；

步骤6：虚假航迹删除：将步骤5中恢复得到的所有目标航迹进行对比，如果有多条航迹在某一帧具有相同位置，则将这些航迹中具有最大目标判定值的航迹作为真实目标航迹，删除其余航迹；

步骤7、输出目标航迹。

2.如权利要求1所述的一种基于广义似然比的动态规划检测前跟踪方法，其特征在于所述步骤2的具体步骤为：

步骤2.1、划分不模糊多普勒区域如下：

$D=\{0,\frac{1}{\mathrm{rN}},...,1-\frac{1}{\mathrm{rN}}\}$

其中r为非零自然数；

步骤2.2、对第k帧第l个距离分辨单元，对于每种可能的归一化多普勒频率d_k∈D，计算广义似然比:

$-1n(1-\frac{{\left|p^H{M}_k^{-1}{z}_k^l\right|}^2}{\left(p^H{M}_k^{-1}p\right)\left({\left(z_k^l\right)}^H{M}_k^{-1}{z}_k^l\right)})$

其中p＝[1,exp(j2πd_k),...,exp(j2π(N-1)d_k)]表示导向矢量，p^H表示向量p的共轭转置，M_k表示第k帧杂波协方差矩阵，表示第k帧第l个距离分辨单元的雷达量测值向量，通常表示为其中1≤i≤N表示第k帧第l个距离分辨单元的第i个脉冲对应的量测值，ln(·)表示取自然对数操作；

步骤2.3、选取r个广义似然比中的最大值作为第k帧第l个距离分辨单元对应的广义似然比。

3.如权利要求1所述的一种基于广义似然比的动态规划检测前跟踪方法，其特征在于所述步骤3的具体步骤为：

步骤3.1、对第1帧各距离分辨单元目标判定值赋值：第1帧各个距离分辨单元对应的目标判定值为该距离分辨单元在步骤2中计算得到的目标航迹值函数；

步骤3.2、对第2帧各距离分辨单元目标判定值赋值：假定第2帧每个分辨单元中存在一个目标，判定第2帧每个目标在第1帧中可能存在的区域，寻找出该区域中目标判定值最大的分辨单元并记录该单元的位置，第2帧相应分辨单元的目标判定值为第1帧中找出的最大目标判定值与第2帧该分辨单元对应的目标航迹值函数的和；

步骤3.3、采用与步骤3.2相同的方法计算出第3帧至第K帧的目标判定值。

4.如权利要求3所述的一种基于广义似然比的动态规划检测前跟踪方法，其特征在于所述步骤3中K的取值为3～20。

5.如权利要求1所述的一种基于广义似然比的动态规划检测前跟踪方法，其特征在于所述步骤6的具体步骤为：

步骤6.1、将没有经过判定的所有目标航迹中，在第K帧具有最大目标判定值的目标航迹判定为真实目标航迹；

步骤6.2、将每一条没有经过判定的目标航迹与真实目标航迹进行比较，如果该航迹与真实目标航迹在某帧具有相同位置，则将该航迹判定为虚假航迹；

步骤6.3、若仍有没有经过判定的目标航迹，则重复步骤6.1、步骤6.2直到所有目标航迹都经过判定。