CN106291534B - 一种改进的航迹确认方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改进的航迹确认方法，用于解决目标数据率不均匀、数据不连续，试验航迹较难转化成确认航迹等技术问题。本发明针对在扫描和跟踪同步的雷达系统中，目标被观测到的时间间隔不定的情况，通过在跟踪的同时根据雷达的实时扫描状态判断目标在指定时刻是否能被观测到，并据此对航迹做出合理的判决。能有效解决本发明实现简单且具有更高的目标成功跟踪概率。

Description

一种改进的航迹确认方法
技术领域
本发明属于雷达信号处理技术领域，特别涉及边扫描变跟踪雷达系统多目标跟踪技术领域。
背景技术
扫描、跟踪同步的雷达是一种多目标跟踪雷达，在跟踪目标的同时分出一部分波束对空域进行搜索。由于雷达系统的时间能量资源有限，要实现对更多批次目标的搜索和跟踪，需要尽可能提高雷达系统的时间能量资源利用率。为此，出现了各种系统资源自适应调度算法。
其中，针对多目标跟踪问题提出的自适应调整数据率的目标跟踪算法一般采用的策略为：在满足跟踪精度要求的情况下，根据目标的运动状态自适应选择合适的数据更新率，尽可能减少对每个目标的累计照射时间，以消耗最少的系统时间能量资源。一般，当目标机动性较大时，采用高采样率进行扫描；目标机动性较小时采用低采样率。尽管交互式多模型滤波器可以用于机动性目标跟踪问题，但当目标的机动性很大时，交互式多模型算法很难反应目标的机动性，因此仍然需要较高的采样率。存在的问题是：当抽样频率很高时，由于跟踪波束照射只能照射到部分区域，需要连续多个扫描波束才能扫描完整个监控区域。于是，目标可能连续多帧检测不到。
当前，航迹起始技术是利用两帧点迹生成试验航迹，即由两个不同时刻的量测信息生成航迹头，生成的航迹头又称为试验航迹。而试验航迹中有很多航迹为虚假航迹，需要通过航迹确认过程来判定是否继续维持航迹(试验航迹)，即试验航迹经确认之后才可转为可信任的航迹。采用逻辑判别准则确定试验航迹是否是真实航迹，是否继续能维持下去。这即要考虑到起始航迹的难度，同时也要考虑到整体的跟踪性能等，通常采用M/N滑窗判决准则进行判决，即滑窗大小设置为N，在N次事件中，若M次事件为真，则判决为真。此准则具有简单和可用蒙特卡洛法或解析法进行分析的优点，因而常被许多实际跟踪系统所采用。但在相控阵雷达系统中，在搜索阶段，目标很可能连续多帧内都不能被照射到，因而根据M/N滑窗判决准则，生成试验航迹后航迹很可能不能转为确认航迹。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术中的存在的技术问题，公开了一种能够对多个出现时间间隔不同的目标成功跟踪的航迹确认方法，解决现有跟踪方法不能直接应用于实际场景中窄波束边扫描变跟踪雷达系统中的技术问题。
本发明的一种改进的航迹确认方法，在跟踪的同时，根据实现设定的雷达扫描模式实时判定目标是否在指定时刻波束扫描区域内，并据此对航迹做出合理的判决，其具体包括下列步骤：
步骤1：初始化参数，包括：数据关联门限γ，速度波门大小(vmin,vmax)，航迹确认参数M/N；
步骤2：利用恒虚警检测器处理雷达回波信息，得到当前帧的位置信息集合，即量测集合其中，n为检测到的量测个数，k表示时间帧标识符；
步骤3：如果k＝1，保存所有量测，令k＝k+1并跳转至步骤2；
步骤4：若当前帧无航迹，则跳转至步骤9；否则执行步骤5；
步骤5：维持确认航迹：
5.1.将第k帧量测与确认航迹进行数据关联，如果满足vT(k)S-1(k)v(k)＜γ2，则认为关联成功，即确认航迹关联到量测；
其中，γ为预设的关联门限，即跟踪波门大小，表示量测zk(zk∈Zk)与预测位置的差，其中Hk为量测矩阵，表示对应第k帧的时刻k的目标状态预测值，S(k)表示v(k)的协方差矩阵，符号(·)T表示矩阵转置。
5.2.若确认航迹关联到量测，即存在量测zk(zk∈Zk)满足vT(k)S-1(k)v(k)＜γ2，则用关联到的量测zk更新对应航迹，即更新当前时刻(即对应k帧的时刻k)的目标状态估计值目标状态估计误差协方差矩阵
其中，Gk为卡尔曼增益，Hk为量测矩阵，I为单位矩阵，和分别为k时刻的目标状态预测值和目标状态预测误差自相关矩阵。
5.3.若确认航迹没有关联到任何量测，则基于目标状态预测值更新对应航迹：
其中，和分别为k-1时刻的目标状态估计值和目标状态估计误差协方差矩阵，和分别为k时刻的目标状态预测值和目标状态预测误差自相关矩阵，Q为过程噪声，F为状态转移矩阵。
步骤6：维持试验航迹：方法同步骤5的确认航迹，但用来航迹关联的量测是未被确认航迹更新用到的量测(确认航迹未关联到的量测)，即先根据vT(k)S-1(k)v(k)＜γ2判断是否存在量测关联到试验航迹，若关联到，则用关联到的量测更新对应航迹；否则基于目标状态预测值更新对应航迹。
步骤7：更新关联矩阵Mt：
7.1.若第i条试验航迹关联到量测，则令Mt(k,i)＝1，其中，i＝1,2，…,m，m为试验航迹条数。
7.2.若第i条试验航迹未关联到量测且目标预测位置在当前雷达波束扫描区域内，则令Mt(k,i)＝0；否则，令Mt(k,i)＝inf；
步骤8：航迹确认：
8.1.删除Mt(：,i)中值为inf的元素，得到第i条航迹对应的有效状态标志位向量M′；
8.2.对M′进行M/N滑窗判决，即若存在一个当前窗口满足：N个元素之和大于或等于M，则认为第i条试验航迹为真实航迹并转存为确认航迹；
步骤9：起始航迹：
若第k帧中未关联到任何航迹(包括确认航迹、试验航迹)的量测zk(zk∈Z′k)、第k-1帧中未关联到任何航迹的量测zk-1(zk-1∈Z′k-1)满足则起始航迹头并存储为试验航迹。
其中，tk为第k帧量测的观测时间，tk-1为第k-1帧量测的观测时间，(vmin,vmax)为预设速度门限，Z′k为第k帧量测中未关联到任何航迹的量测，Z′k-1为第k-1帧量测中未关联到任何航迹的量测；
步骤10：令k＝k+1，若k＜＝K(K为总的观测帧数)，则跳转至步骤2；否则输出航迹。
本发明考虑了边扫描边跟踪雷达系统及被动跟踪系统中目标被观测到的时间间隔不定的情况，在航迹确认阶段，采用动态的滑窗M/N逻辑判决准则，即跟踪的同时预测目标在特定时刻能否被观测到并据此做出合理的判决。本发明的有益效果为：有效解决了在扫描、跟踪同步的雷达系统及被动跟踪系统中目标被观测到的时间间隔不定时，试验航迹不能被转化成确认航迹的现象。本发明实现简单，计算量小，具有更高的目标成功跟踪概率；同时还可以解决集中式跟踪系统多传感器异步通信时航迹确认的技术问题。
附图说明
图1为本发明的流程框图；
图2为本发明与传统基于滑窗逻辑准则航迹确认技术的1000次蒙特卡洛实验下成功跟踪航迹条数对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
实施例
采用计算机仿真的方法对本发明航迹确认方法进行验证，并在MATLAB-R2013b上验证正确。参见图1，具体实施步骤如下：
步骤1、初始化相关参数，初始化参数主要包括：数据关联门限γ＝3，速度波门大小(vmin,vmax)＝(5m/s,30m/s)，航迹确认参数M/N；
步骤2：利用恒虚警检测器处理雷达回波信息，得到当前帧的位置信息集合，即量测集合其中，n为检测到的量测个数，k表示时间帧标识符；
步骤3：如果k＝1，保存所有量测，令k＝k+1并跳转至步骤2；
步骤4：若当前帧无航迹，则跳转至步骤9；否则执行步骤5；
步骤5：维持确认航迹：
5.1.将第k帧量测与确认航迹进行数据关联，如果满足vT(k)S-1(k)v(k)＜γ2，则认为关联成功，即确认航迹关联到量测；
其中，γ为预设的关联门限，即跟踪波门大小，表示量测zk(zk∈Zk)与预测位置的差，S(k)表示v(k)的协方差矩阵。
5.2.若确认航迹关联到量测，则用关联到的量测zk更新对应航迹，即更新当前时刻(即对应k帧的时刻k)的目标状态估计值目标状态估计误差协方差矩阵
其中，和分别为k时刻的目标状态预测值和目标状态预测误差自相关矩阵，Gk为卡尔曼增益，Hk为量测矩阵，I为单位矩阵。
5.3.若确认航迹没有关联到任何量测，则基于目标状态预测值更新对应航迹：
其中，和分别为k-1时刻的目标状态估计值和目标状态估计误差协方差矩阵，和分别为k时刻的目标状态预测值和目标状态预测误差自相关矩阵，Q为过程噪声，F为状态转移矩阵，F′。
步骤6：维持试验航迹：方法同步骤5的确认航迹，但用来航迹关联的量测是未被确认航迹更新用到的量测；
步骤7：更新关联矩阵Mt：
7.1.若第i条试验航迹关联到量测，则令Mt(k,i)＝1，其中，i＝1,2，…,m，m为试验航迹条数。
7.2.若第i条试验航迹未关联到量测且目标预测位置在当前雷达波束扫描区域内，则令Mt(k,i)＝0；否则，令Mt(k,i)＝inf；
步骤8：航迹确认：
8.1.删除Mt(：,i)中值为inf的元素，得到第i条航迹对应的有效状态标志位向量M′；
8.2.对M′进行M/N滑窗判决，即若存在一个当前窗口满足：N个元素之和大于或等于M，则认为第i条试验航迹为真实航迹并转存为确认航迹；
步骤9：起始航迹：
若第k帧中未关联到任何航迹的量测zk(zk∈Z′k)、第k-1帧中未关联到任何航迹的量测zk-1(zk-1∈Z′k-1)满足则起始航迹头并存储为试验航迹。
其中，tk为第k帧量测的观测时间，tk-1为第k-1帧量测的观测时间，(vmin,vmax)为预设速度门限，Z′k为第k帧量测中未关联到任何航迹的量测，Z′k-1为第k-1帧量测中未关联到任何航迹的量测；
步骤10：令k＝k+1，若k＜＝K(K为总的观测帧数)，则跳转至步骤2；否则输出航迹。
图2给出了本发明与传统基于滑窗逻辑准则航迹确认技术的1000次蒙特卡洛实验下成功跟踪航迹条数对比图，从图可知，本发明可以很好的实现对任意有限抽样间隔的目标的跟踪。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (1)

1.一种改进的航迹确认方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤1：初始化参数，包括数据关联门限γ，速度波门大小(vmin,vmax)，航迹确认参数M/N；
步骤2：利用恒虚警检测器处理雷达回波信息，得到当前帧的量测集合其中，n为检测到的量测个数，k表示时间帧标识符；
步骤3：如果k＝1，保存所有量测，令k＝k+1并跳转至步骤2；
步骤4：若当前帧无航迹，则跳转至步骤9；否则执行步骤5；
步骤5：维持确认航迹：
将第k帧量测与确认航迹进行数据关联，如果满足vT(k)S-1(k)v(k)＜γ2，则认为确认航迹关联到量测，其中，γ为预设的关联门限，即跟踪波门大小，表示量测zk与预测位置的差，其中zk∈Zk，Hk为量测矩阵，表示对应第k帧的时刻k的目标状态预测值，S(k)表示v(k)的协方差矩阵，符号(·)T表示矩阵转置；
若确认航迹关联到量测，则用关联到的量测zk更新对应航迹，即更新时刻k的目标状态估计值目标状态估计误差协方差矩阵其中，Gk为卡尔曼增益，Hk为量测矩阵，I为单位矩阵，表示时刻k的目标状态预测误差自相关矩阵；
若确认航迹没有关联到第k帧的任何量测，则基于目标状态预测值更新对应航迹：其中和分别为k-1时刻的目标状态估计值和目标状态估计误差协方差矩阵，Q为过程噪声，F为状态转移矩阵；
步骤6：维持试验航迹：
获取第k帧中未关联到确认航迹的量测如果满足vT(k)S-1(k)v(k)＜γ2，则认为试验航迹关联到量测，其中S(k)表示v(k)的协方差矩阵；
若试验航迹关联到量测，则用关联到的量测更新对应航迹，即更新时刻k的目标状态估计值目标状态估计误差协方差矩阵
若试验航迹没有关联到第k帧的任何量测，则基于目标状态预测值更新对应航迹：
步骤7：基于试验航迹更新关联矩阵Mt：
若第i条试验航迹关联到量测，则令Mt(k,i)＝1，其中，i＝1,2，…,m，m为试验航迹条数；
若第i条试验航迹未关联到量测且目标预测位置在当前雷达波束扫描区域内，则令Mt(k,i)＝0；否则，令Mt(k,i)＝inf；
步骤8：航迹确认：
删除Mt(：,i)中值为inf的元素，得到第i条航迹对应的有效状态标志位向量M′；
对M′进行M/N滑窗判决，若存在一个当前窗口满足：N个元素之和大于或等于M，则认为第i条试验航迹为真实航迹并转存为确认航迹；
步骤9：起始航迹：
若第k帧中未关联到任何航迹的量测zk、第k-1帧中未关联到任何航迹的量测zk-1满足则起始航迹头并存储为试验航迹；
其中，tk为第k帧量测的观测时间，tk-1为第k-1帧量测的观测时间；
步骤10：令k＝k+1，若k＜＝K，则跳转至步骤2；否则输出航迹，其中K为总的观测帧数。
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