CN107255803A - 一种船舶航迹逻辑起始算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶航迹逻辑起始算法，实现步骤主要包括雷达扫描建立的暂时航迹的丢点分类判别、距离变化规律性统计判别、机动性能分析判别，即抑制连续“N”型航向偏离不小于90度的虚假航迹以及目标航速、航向、加速度波动性判别。本发明的优点在于：在杂波环境比较严重的情况下，综合多种航迹起始准则，减少虚假目标的起始虚警率，提高真实目标航迹起始的准确性，为之后能够更好的进行目标的稳定性跟踪，减少虚假航迹误跟和真实航迹丢失的几率。

Description

一种船舶航迹逻辑起始算法

技术领域

本发明属于雷达数据处理领域，具体涉及一种改进的船舶航迹逻辑起始算法。

背景技术

从对雷达测量数据进行处理的层次来说，如果把雷达信号处理看作是第一次处理，那么雷达数据处理就是雷达信号处理之后的再处理。雷达数据处理内容很广泛，主要是对雷达测量数据进行互联、跟踪、滤波、平滑、预测等处理，精确估计目标位置和有关的运动参数，如速度、加速度等，预测目标下一时刻的位置，并形成稳定的目标航迹，实现对目标的高精度实时跟踪。航迹起始是目标跟踪的第一步，是航迹处理的首要问题，它主要包括暂时航迹建立和稳定航迹确定两个方面。为了提高雷达系统的跟踪性能，作为目标跟踪前提的航迹起始至关重要。

按照数据处理方式的不同，现有的航迹起始算法可分为顺序处理技术和批处理技术两大类。通常，顺序处理技术适用于在相对弱杂波背景中起始目标的航迹，代表方法有直观法和逻辑法，而批处理技术在强杂波环境下具有较好地航迹起始性能，其代表方法有Hough变换法及其改进方法，利用Hough变换将多次扫描的数据联合处理，但使用批处理技术计算量较大，将增加计算负担，不利于工程应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种能够解决在相对复杂杂波环境下大量虚警带来的虚假航迹问题的改进的船舶航迹逻辑起始算法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种船舶航迹逻辑起始算法，包括以下步骤：

步骤一：暂时航迹丢点分类判别，以雷达扫描的第一帧点迹为航迹头，建立暂时航迹，对若干雷达扫描周期内，后续量测点迹的丢点情况进行分类判别，在雷达若干累计扫描周期内，收到波门关联量测点迹的计数值与雷达扫描帧数的比例不小于设定比例的航迹，则继续步骤二判别，若连续设定帧未收到量测点迹或者已有若干帧量测点迹数据积累，还不能够起始成稳定航迹的，则认为在杂波区，或者判断为虚假航迹，则删除暂时航迹，不再继续之后的判断；

步骤二：距离变化规律性统计判别，把雷达扫描的圆形区域划分成网络格，根据每个单位格的点迹变化规律统计计数和目标点迹的分布情况来判别，若某单位格点迹位置变化有明显规律性，且各帧点迹到单位格区域中心点位置的平均距离不小于杂波门限，则进行步骤三判别；否则将该单位格区域标记为虚假航迹区域，暂时航迹予以删除；

步骤三：机动性能分析判别，以雷达第一帧扫描所得到量测集的每个点迹为航迹头，在一个扫描周期内，以航迹头为中心，以最小航行距离为内径，最大航行距离为外径构造一个圆环模型，落入圆环区域的第二帧量测点迹与第一帧的每一个航迹头建立一批新的暂时航迹，根据每个暂时航迹目标的速度或加速度进行直线外推，并且以外推预测点迹为中心建立相关波门，对落入该波门的第三帧量测点迹与对应暂时航迹建立临时关联，得到临时关联航迹,同理，继续直线外推，若第四帧量测点迹落入后续相关波门，则通过计算得到第三帧与对应暂时航迹之间的夹角α₁，第四帧量测点迹与临时关联航迹之间的夹角α₂；

①α₁≤90°，α₂≤90°

该暂时航迹认为是由虚警所引起的，则删除该暂时航迹，虚假航迹不予起始；

②α₁≤90°，α₂＞90°或α₁＞90°，α₂≤90°或α₁＞90°，α₂＞90°

认为量测点迹与暂时航迹机动性关联，继续进行步骤四判别；

若波门没有第三帧量测点迹落入，即出现暂时航迹丢点情况，则将上述暂时航迹继续直线外推，以外推点为中心建立波门，对落入该波门区域的量测点迹与之前的暂时航迹建立临时关联航迹，下面过程与上述同理；

若在雷达开始连续扫描十帧周期内，连续三帧没有量测点迹落入设置的相关波门，则认为是虚假航迹，应终止该暂时航迹，不予起始；

若在雷达历次扫描的各个周期中，落入雷达扫描范围内的量测点迹不与任何航迹参与数据互联判别，则以该量测点迹作为航迹头建立新的暂时航迹，重新进行机动性能分析；

步骤四：目标航速、航向、加速度波动性判别。

作为优化的方案，所述步骤一中，在雷达10帧累计扫描周期内，收到波门关联量测点迹的计数值与雷达扫描帧数(3—10)的比例不小于2/3的航迹，则继续步骤二判别；若连续三帧未收到量测点迹或者已有10帧量测点迹数据积累，还不能够起始成稳定航迹的，则认为在杂波区，或者判断为虚假航迹，因而删除暂时航迹，不再继续之后的判断。

作为优化的方案，所述步骤一中，其他丢点情况，则根据已有的点迹位置信息计算速度或加速度等运动参数，进行外推补点处理，继续进行量测点迹数据关联分析。

作为优化的方案，所述步骤二中，距离变化规律性统计判别的具体过程如下：

①分析单元格区域内各帧点迹的分布情况

以雷达扫描第一帧的每个点迹为所在单元格回波的中心位置点，根据逻辑法进行后续扫描点迹关联处理，对于落入波门的多帧点迹位置进行平均计算，更新各批暂时航迹点迹的所在单元格回波的中心位置信息，对于后续落入其他单元格，而且与第一帧量测点迹外推关联，则规定该批暂时航迹属于第一帧点迹所在单元格，统计各帧点迹的分布情况，分析点迹目标的特征信息，若在允许起始的十帧雷达扫描周期内，某批暂时航迹各帧点迹与对应单元格中心位置的平均距离小于杂波门限，并且各帧点迹到中心位置的距离变化没有明显的规律，则认为是一批虚假的暂时航迹量测点迹，予以删除；

②分析单位格区域各帧点迹的距离变化情况

对所有帧进行距离的比较，如果呈现出递增或递减趋势，即目标运动距离是有规律性变化的，则认为是移动的真实目标，继续下面的步骤三判别；如果各帧间的距离无明显规律性或变化很小，则说明是杂波干扰点迹，认为是虚假目标，予以删除暂时航迹。

作为优化的方案，所述步骤四中，航速和航向根据方差来分析目标跟踪的稳定性，目标加速度波动性是通过当前加速度比前一次加速度增加或减少的百分数来分析的，则船舶目标航速S_V、航向θ_V、加速度波动性需同时满足条件：

其中，分别为航速、航向波动性方差门限阈值；a_r1(cur)，a_r1(pre)分别指当前加速度和前一次加速度，否则，认为是由虚警所引起的虚假航迹。

本发明相比现有技术具有以下优点：根据目标运动的特征信息及外界环境对目标的干扰，提出一种改进的船舶航迹逻辑起始算法，在目标丢点，目标运动趋势，机动性能分析，航向、速度、加速度波动性等判别区分虚假和真实目标，弥补了现有传统逻辑起始及改进算法中绝对准则的缺陷，有效的剔除虚假航迹，进而降低了杂波引起的虚警率，提升了航迹起始的效率。

附图说明

图1是本发明一种船舶航迹逻辑起始算法的流程图；

图2是航迹目标机动性能分析示意图；

图3是目标航向、速度、加速度波动性分析示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明提出一种改进的船舶航迹逻辑起始算法，具体包括以下步骤：

步骤一：暂时航迹丢点情况分类判别

以雷达扫描的第一帧点迹为航迹头，建立一批新的暂时航迹，对若干雷达扫描周期内，后续量测点迹的丢点情况进行分类判别，剔除干扰的虚假目标。

若在雷达10帧累计扫描周期内，收到波门关联量测点迹的计数值与雷达扫描帧数(3—10)的比例不小于2/3的航迹，则继续步骤二判别；若连续三帧未收到量测点迹或者已有10帧量测点迹数据积累，还不能够起始成稳定航迹的，则认为在杂波区，或者判断为虚假航迹，因而删除暂时航迹，不再继续之后的判断；其他丢点情况，则根据已有的点迹位置信息计算速度或加速度等运动参数，进行外推补点处理，继续进行量测点迹数据关联分析。具体分类如下表：

步骤二：距离变化规律性统计判别

根据雷达扫描威力50千米，设置一个100千米*100千米的正方形区域，将整个雷达扫描区域分成100*100个小正方形区域，每个小正方形单位格的边长为1千米，即把雷达扫描的圆形区域划分成网络格。

根据每个单位格的点迹变化规律统计计数和目标点迹的分布情况来判别，若某单位格有明显规律性，且各帧点迹到单位格区域中心点位置的平均距离不小于杂波门限，则进行步骤三判别；否则将该单位格区域标记为虚假航迹区域，暂时航迹予以删除。具体过程如下：

①分析单元格区域各帧点迹的分布情况

以雷达扫描第一帧的每个点迹为所在单元格回波的中心位置点，根据逻辑法进行后续扫描点迹关联处理，对于落入波门的多帧点迹位置进行平均计算，更新各批暂时航迹点迹的单元格回波的中心位置信息(若对于后续落入其他单元格，而且与第一帧量测点迹外推关联，则规定该批暂时航迹属于第一帧点迹所在单元格)，不妨设对于落入直线外推波门的一批n(3≤n≤10,n∈N^*)帧暂时航迹点迹(X_i,Y_i),i＝1,…,n，则对应单元格区域的中心位置(X,Y)满足则各帧点迹到中心点位置的平均距离

若在允许起始的十帧雷达扫描周期内，某批暂时航迹各帧点迹与对应单元格中心位置(X,Y)的平均距离小于杂波门限，并且各帧点迹到中心位置的距离变化没有明显的规律(过程类似②)，则把它们当成虚假目标的点迹，予以删除。

②分析单位格区域各帧点迹的距离变化情况

对所有帧进行距离的比较，如果呈现出递增或递减趋势，则认为是目标，如果各帧间的距离无明显规律性或变化很小，则说明是杂波干扰点迹。在N次雷达扫描周期，M(M＝7.5)为距离变化趋势门限，当前帧点迹与中心站之间的径向距离为R_i，前一帧点迹与中心站之间径向距离为R_i-1，则点迹与岸基雷达之间的径向距离变化量ΔR＝R_i-R_i-1。首先对正向变化计数器、负向变化计数器以及等距点迹计数器进行初始化设置。若ΔR＞M，则正向变化计数值累加1，计数为PN；若ΔR＜-M，则负向变化计数值累加1，计数为NN；若|ΔR|≤M，则认为点迹位置变化很小，等距点迹计数值累加1，计数为EN。则距离变化趋势情况如下：

正向点迹变化比例PNP＝PN/N；负向点迹变化比例NNP＝NN/N；等距点迹比例ENP＝EN/N。

①若ENP＞γ₁；

②若ENP＞γ₂；

③若ENP＞γ₂，|PNP-NNP|＜γ₄；

其中，ε₁＝55m，ε₂＝35m；γ₁＝0.7，γ₂＝0.5，γ₃＝0.2，γ₄＝0.15。

若满足上述①②③中的条件之一，则认为是由杂波引起的虚警，不予起始。

④若PNP＞η或者NNP＞η，其中，η＝0.6，则说明目标运动距离是有规律变化的，则认为是移动的真实目标，继续下面的步骤三判别，否则，认为是虚假目标，予以删除暂时航迹。

步骤三：机动性能分析判别

基于传统的逻辑起始及改进算法，本发明又添加一个关于目标航角准则来抑制虚假航迹的方法，即抑制连续“N”型航角偏离不小于90度的虚假航迹，剔除在一定程度上与连续航迹成“N”型的测量点迹，如图2：

设Z_i(k)，i＝1，…，n_k为k时刻的第i个测量点迹，Z(k)为第k帧扫描得到的量测集，即

其中，具体分一下步骤：

⑴令真实目标的横向最小和最大速度分别为纵向最小和最大速度分别为则连续两帧目标量测点迹之间的最小航速和最大航速如下：

则最小和最大航行距离分别为

雷达第一帧扫描所得到量测集的每个点迹为航迹头，在一个扫描周期内，以航迹头为中心，以最小航行距离为内径，最大航行距离为外径构造一个圆环模型，落入圆环区域的第二帧量测点迹与第一帧的每一个航迹头建立一批新的暂时航迹TT_r1,r1＝1,…,p1；

⑵上述建立的每个暂时航迹TT_r1,r1＝1,…,p1的两点z_i(1)和z_j(2)之间距离为R_r1(1-2)，则目标速度V_r1(1-2)＝R_r1(1-2)/T，其中T为雷达扫描周期。根据每个暂时航迹目标的速度或加速度进行直线外推，并且以外推预测点迹为中心建立相关波门Δ_r1(1)，其中Δ_r1(1)的大小是由航迹外推误差协方差确定。对落入波门Δ_r1(1)的第三帧量测点迹z_k(3)与对应暂时航迹建立临时关联，可得到临时关联航迹。同理，继续直线外推，建立相关波门Δ_r1(2)，其中Δ_r1(2)的大小是由航迹外推误差协方差确定。落入相关波门Δ_r1(2)的第四帧量测点迹令为z_t(4)，则点迹z_j(2)与z_k(3)之间的距离为R_r1(2-3)，z_i(1)与z_k(3)之间的距离为R_r1(1-3)，z_k(3)与z_t(4)之间的距离为R_r1(3-4)，z_j(2)与z_t(4)之间的距离为R_r1(2-4)，并且进一步可得到第三帧与对应暂时航迹之间的夹角

第四帧量测点迹与临时关联航迹之间的夹角

①α₁≤90°，α₂≤90°

该暂时航迹可认为是由虚警所引起的，则删除该暂时航迹，虚假航迹不予起始；

②α₁≤90°，α₂＞90°或α₁＞90°，α₂≤90°或α₁＞90°，α₂＞90°

认为量测点迹与暂时航迹机动性关联，继续进行步骤四判别。

⑶若波门Δ_r1(1)没有第三帧量测点迹落入，则将上述暂时航迹TT_r1,r1＝1,…,p1继续直线外推，以外推点为中心建立波门Δ_r1(2)，对落入Δ_r1(2)的量测点迹建立临时关联航迹，接下来过程与⑵同理；

⑷若在雷达开始扫描十帧周期内，连续三帧没有量测点迹落入确定的相关波门，则认为是虚假航迹，应终止该暂时航迹，不予起始；

⑸若在雷达历次扫描的各个周期中，落入雷达扫描范围内的量测点迹不与任何航迹参与数据互联判别，则以该量测点迹作为航迹头重新建立暂时航迹，转步骤⑴。

步骤四：目标航速、航向、加速度波动性判别

本文航速和航向主要根据方差来分析目标跟踪的稳定性，目标加速度波动性是通过当前加速度比前一次加速度增加或减少的百分数来分析的。以雷达连续扫描五帧的周期内，有四个量测点迹数据关联为例，即第三帧丢点，该量测点迹没有落入波门区域Δ_r1(1)，则航速

V_r1(1-2)＝R_r1(1-2)/T，V_r1(2-4)＝R_r1(2-4)/2T，V_r1(4-5)＝R_r1(4-5)/T，

其加速度

不妨令雷达扫描第N帧的量测点迹位置为(X_N,Y_N)，则目标航向

综上计算，航速的方差

航向的方差

其中，

目标航速、航向、加速度波动性需同时满足条件：

其中，分别为航速、航向波动性方差门限阈值。至少不满足上述条件之一的，可认为是由杂波引起的虚假航迹。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种船舶航迹逻辑起始算法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：暂时航迹丢点分类判别，以雷达扫描的第一帧点迹为航迹头，建立暂时航迹，对若干雷达扫描周期内，后续量测点迹的丢点情况进行分类判别，在雷达若干累计扫描周期内，收到波门关联量测点迹的计数值与雷达扫描帧数的比例不小于设定比例的航迹，则继续步骤二判别，若连续设定帧未收到量测点迹或者已有若干帧量测点迹数据积累，还不能够起始成稳定航迹的，则认为在杂波区，或者判断为虚假航迹，则删除暂时航迹，不再继续之后的判断；

步骤二：距离变化规律性统计判别，把雷达扫描的圆形区域划分成网络格，根据每个单位格的点迹变化规律统计计数和目标点迹的分布情况来判别，若某单位格点迹位置变化有明显规律性，且各帧点迹到单位格区域中心点位置的平均距离不小于杂波门限，则进行步骤三判别；否则将该单位格区域标记为虚假航迹区域，暂时航迹予以删除；

步骤三：机动性能分析判别，以雷达第一帧扫描所得到量测集的每个点迹为航迹头，在一个扫描周期内，以航迹头为中心，以最小航行距离为内径，最大航行距离为外径构造一个圆环模型，落入圆环区域的第二帧量测点迹与第一帧的每一个航迹头建立一批新的暂时航迹，根据每个暂时航迹目标的速度或加速度进行直线外推，并且以外推预测点迹为中心建立相关波门，对落入该波门的第三帧量测点迹与对应暂时航迹建立临时关联，得到临时关联航迹，同理，继续直线外推，若第四帧量测点迹落入后续相关波门，则通过计算得到第三帧与对应暂时航迹之间的夹角α₁，第四帧量测点迹与临时关联航迹之间的夹角α₂；

①α₁≤90°，α₂≤90°

该暂时航迹认为是由虚警所引起的，则删除该暂时航迹，虚假航迹不予起始；

②α₁≤90°，α₂＞90°或α₁＞90°，α₂≤90°或α₁＞90°，α₂＞90°

认为量测点迹与暂时航迹机动性关联，继续进行步骤四判别；

若波门没有第三帧量测点迹落入，即出现暂时航迹丢点情况，则将上述暂时航迹继续直线外推，以外推点为中心建立波门，对落入该波门区域的量测点迹与之前的暂时航迹建立临时关联航迹，下面过程与上述同理；

若在雷达开始连续扫描十帧周期内，连续三帧没有量测点迹落入设置的相关波门，则认为是虚假航迹，应终止该暂时航迹，不予起始；

若在雷达历次扫描的各个周期中，落入雷达扫描范围内的量测点迹不与任何航迹参与数据互联判别，则以该量测点迹作为航迹头建立新的暂时航迹，重新进行机动性能分析；

步骤四：目标航速、航向、加速度波动性判别。

2.根据权利要求1所述的一种船舶航迹逻辑起始算法，其特征在于，所述步骤一中，在雷达10帧累计扫描周期内，收到波门关联量测点迹的计数值与雷达扫描帧数(3—10)的比例不小于2/3的航迹，则继续步骤二判别；若连续三帧未收到量测点迹或者已有10帧量测点迹数据积累，还不能够起始成稳定航迹的，则认为在杂波区，或者判断为虚假航迹，因而删除暂时航迹，不再继续之后的判断。

3.根据权利要求1所述的一种船舶航迹逻辑起始算法，其特征在于，所述步骤一中，其他丢点情况，则根据已有的点迹位置信息计算速度或加速度等运动参数，进行外推补点处理，继续进行量测点迹数据关联分析。

4.根据权利要求1所述的一种船舶航迹逻辑起始算法，其特征在于，所述步骤二中，距离变化规律性统计判别的具体过程如下：

①分析单元格区域内各帧点迹的分布情况

以雷达扫描第一帧的每个点迹为所在单元格回波的中心位置点，根据逻辑法进行后续扫描点迹关联处理，对于落入波门的多帧点迹位置进行平均计算，更新各批暂时航迹点迹的所在单元格回波的中心位置信息，对于后续落入其他单元格，而且与第一帧量测点迹外推关联，则规定该批暂时航迹属于第一帧点迹所在单元格，统计各帧点迹的分布情况，分析点迹目标的特征信息，若在允许起始的十帧雷达扫描周期内，某批暂时航迹各帧点迹与对应单元格中心位置的平均距离小于杂波门限，并且各帧点迹到中心位置的距离变化没有明显的规律，则认为是一批虚假的暂时航迹量测点迹，予以删除；

②分析单位格区域各帧点迹的距离变化情况

对所有帧进行距离的比较，如果呈现出递增或递减趋势，即目标运动距离是有规律性变化的，则认为是移动的真实目标，继续下面的步骤三判别；如果各帧间的距离无明显规律性或变化很小，则说明是杂波干扰点迹，认为是虚假目标，予以删除暂时航迹。

5.根据权利要求1所述的一种船舶航迹逻辑起始算法，其特征在于，所述步骤四中，航速和航向根据方差来分析目标跟踪的稳定性，目标加速度波动性是通过当前加速度比前一次加速度增加或减少的百分数来分析的，则船舶目标航速S_V、航向θ_V、加速度波动性需同时满足条件：

其中，分别为航速、航向波动性方差门限阈值；a_r1(cur)，a_r1(pre)分别指当前加速度和前一次加速度，否则，认为是由虚警所引起的虚假航迹。