CN108051802A - 一种基于多普勒信息的航迹建立与关联方法 - Google Patents

一种基于多普勒信息的航迹建立与关联方法 Download PDF

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Abstract

一种基于多普勒信息的航迹建立与关联方法中，择优选择两个目标，明确航迹与检测目标的匹配对应关系；点迹目标多普勒进行跟踪滤波和记忆外推处理，判断航迹有效标志位；若航迹处于连续跟踪滤波的长度，判断航迹记忆使能标志，航迹记忆时间计数；若航迹单帧丢失，判断是航迹记忆外推或航迹中止复位；形成“航迹多普勒比较标志”；仅当两条航迹同时有效时，进行目标关联处理，若选择相关联的航迹发生切换，中断航迹关联处理并延时后恢复与另一条航迹的关联判断，若选择的航迹终止复位或两条航迹多普勒频差小于设定多普勒门限并连续满足设定时间，停止检测目标与航迹匹配关联处理。本发明计算量小且易于实现，可以提高雷达目标跟踪的准确性和稳定度。

Description

一种基于多普勒信息的航迹建立与关联方法
技术领域
本发明涉及一种基于多普勒信息的航迹建立与关联方法。
背景技术
雷达目标航迹关联问题涉及到雷达传感器探测多个目标回波的来源问题，而航迹关联的精确度严重影响着雷达跟踪性能，对当今复杂战场环境的发展趋势有着非常不利的影响。早期Y.Bar-Shalom等人在雷达目标航迹关联的发展起到了举足轻重的作用，在经过JPDA、IMM算法等数据关联算法的出现，航迹关联的准确度得到了极大的提升，现在特征辅助航迹关联方法因其充分利用到传感器测量到的数据，使得雷达目标航迹关联领域向前更进一步，众多科研学者也针对目标特征辅助信息对航迹建立与关联领域的推进进行了进一步的分析与研究。
目前国内有专利申请CN106405537A(“基于位置信息和多普勒信息的雷达航迹起始方法”)介绍了一种基于多普勒信息的航迹起始方法，该方法根据径向速度建立距离约束条件，根据最大速度建立空间位置约束条件，关联与航迹头处于同一多普勒通道的量测向量，并进行关联操作，建立稳定航迹，该方法航迹起始效率高，可用于精确目标跟踪，但是该方法仅局限于航迹起始，并不适用于跟踪状态下的航迹关联。
专利申请CN105259553A(“基于距离-瞬时多普勒像的微动目标散射点航迹关联方法”)介绍了一种基于多普勒像的航迹关联方法，该方法将散射点关联的域从距离-慢时间域转换到可分性更强的慢时间-距离-瞬时多普勒域，增强了微动目标散射点的可分性，对自旋、进动、章动等复杂运动形式具有普适性、航迹关联精度高、关联误差小等优点，但是，该方法较为复杂，运算量大，实时性差，难以用于机动雷达目标跟踪领域。
专利申请CN106443665A(“基于辅助信息的雷达与ESM航迹关联方法”)介绍了一种基于辅助信息的航迹关联方法。该方法利用ESM辅助定位点分别与雷达量测点和交叉定位点构造距离统计向量，然后根据相应的门限进行关联判别。该方法克服了测量误差较大、目标离传感器较远或者靠近传感器的基线时，传统航迹关联算法性能迅速下降的不足，充分利用雷达提供的信息，有效地提高了航迹关联性能，但是该方法对信号处理系统实时性要求较高，且不能识别其他类型的航迹关联。
2013年第2期刊的《中国舰船研究院》期刊中公开文献《面向目标丢失的航迹两次关联与融合研究》介绍了一种目标丢失后航迹关联与融合方法，该方法在信号中断和航迹复杂多变的情况下，具有一定的效果。但是在中断时间大于5个数据更新周期，且航迹出现多次接近和交叉的情况，该算法具有局限性，应做进一步研究。
2015年第8期的清华大学博士论文中公开文献《复杂环境下多传感器航迹关联与抗差处理》介绍了一种多传感器航迹关联算法。该方法引入了一致关联数的概念，提出了基于一致关联数最大化的航迹关联准则及相关算法，降低了稳健迭代过程对系统误差估计精度的敏感程度，该方法能有效应对复杂环境下多目标航迹关联问题，但是该算法计算量大，算法复杂，工程应用性不强。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多普勒信息的航迹建立与关联方法，能够在目标其他信息(距离、角度、能量等)缺失或不准确的条件下，依靠目标多普勒信息实现较好的航迹建立与航迹关联，提高雷达目标跟踪的准确性和稳定度。
为达到上述目的，本发明提供一种基于多普勒信息的航迹建立与关联方法，包括：
步骤一，择优选择两个目标建立1～2条目标多普勒航迹，设置用于航迹建立的目标应满足设定的信噪比门限SNRcorr以及前后帧相邻两个点迹的多普勒关联门限Fdt,corr，设置“航迹多普勒比较标志”位，依据装订的“航迹多普勒优先级”明确航迹与检测目标的匹配对应关系；
步骤二，点迹目标多普勒进行跟踪滤波和记忆外推处理，并设置航迹有效门限NVALID，判断航迹有效标志位；
步骤三，设置航迹记忆使能门限NREM、航迹重复记忆门限NReREM。当航迹处于连续跟踪滤波的长度时，判断航迹记忆使能标志、航迹记忆时间计数器；当航迹单帧丢失时，判断是航迹记忆外推或是航迹中止复位；
步骤四，当两条航迹均有效时，则比较两条航迹最新点迹的多普勒大小形成“航迹多普勒比较标志”。当仅有一条航迹有效，则依据装订的“航迹多普勒优先级”形成航迹多普勒比较标志；
步骤五，当且仅当两条航迹同时有效时，判断“航迹关联启用标志”，根据装订的“航迹多普勒优先级”选择对应的航迹，利用该航迹对检测目标进行关联处理。当选择相关联的航迹发生切换时，中断航迹关联处理并延时50ms后恢复与另一条航迹的关联判断。若该选择的航迹终止复位或两条航迹多普勒频差小于设定多普勒门限并连续满足设定时间，则“航迹关联启用标志”清0，停止检测目标与航迹匹配关联处理。
进一步的，在上述方法中，步骤一中，在目标检测结果中择优选择两个目标，用于建立1～2条目标多普勒航迹，用于航迹建立的目标应满足设定的信噪比门限SNRcorr以及前后帧相邻两个点迹的多普勒关联门限Fdt,corr。典型的脉冲PD雷达中，航迹建立信噪比门限为15dB，航迹建立相邻点迹多普勒关联门限为250Hz(不小于多普勒分辨率)。默认初始条件下，“航迹多普勒比较标志”为0，表征航迹1多普勒小于航迹2为多普勒(航迹有效后依据可能发生变换，参见步骤四)。目标检测结果中择优选择的两个目标应与两条航迹建立匹配对应关系，依据装订的“航迹多普勒优先级”(0-低多普勒航迹优先，1-高多普勒航迹优先)决定择优选择的目标是优先匹配低多普勒航迹或高多普勒航迹，从而明确航迹与检测目标的匹配对应关系。
进一步的，在上述方法中，步骤二中，对每个参与航迹建立的点迹目标多普勒进行跟踪滤波和记忆外推处理。一般情况下，航迹跟踪滤波器应与多普勒环路跟踪滤波器一致，典型跟踪滤波器采用α-β滤波器，具备测量值变化率预测能力。设置航迹有效门限NVALID(典型值10点或50ms)，当航迹长度(含跟踪滤波和记忆外推)不小于航迹有效门限时，对应的航迹有效标志置1。
进一步的，在上述方法中，步骤三中，设置航迹记忆使能门限NREM(典型值8点或40ms)、航迹重复记忆门限NReREM(典型值8点或40ms)。判断航迹处于连续跟踪滤波的长度：当其满足航迹记忆使能门限时，对应的航迹记忆使能标志置1；当其满足航迹重复记忆门限时，对应的航迹记忆时间计数器清0，允许航迹重新开始记忆。航迹单帧丢失时，若对应的航迹记忆使能标志为1，则进行航迹记忆外推，否则航迹终止复位并尝试重新建航。最大航迹记忆时间不小于最大航迹外推时间，也可以设置为等长(典型值40点或200ms)，记忆超时后航迹终止复位。航迹记忆外推期间，利用航迹跟踪滤波的一阶预测值(航迹目标多普勒变化率)进行逐步衰减外推，单拍衰减系数依据航迹多普勒信息置信度和单拍外推时间设置，一般选取范围为0.8～1.0。外推后的目标多普勒同样作为单拍点迹进行航迹建立与维护，并作为下一拍步骤一中相邻点迹多普勒关联的基准。
进一步的，在上述方法中，步骤四中，当两条航迹均有效时，则比较两条航迹最新点迹的多普勒大小形成“航迹多普勒比较标志”(0-航迹1多普勒小于航迹2为多普勒，1-航迹1多普勒大于航迹2为多普勒)。当仅有一条航迹有效，则依据装订的“航迹多普勒优先级”形成航迹多普勒比较标志，即当低多普勒航迹优先时，当前有效航迹作为低多普勒航迹，无效航迹作为高多普勒航迹，而当高多普勒航迹优先时，当前有效航迹作为高多普勒航迹，无效航迹作为低多普勒航迹。更新后的“航迹多普勒比较标志”会影响下一拍航迹与检测目标的匹配对应关系(参见步骤一)。
进一步的，在上述方法中，步骤五中，当且仅当两条航迹同时有效时，进行“航迹关联启用标志”的判断。若两条航迹目标多普勒频差大于设定多普勒门限(典型值600Hz)并连续满足设定时间(典型值10点或50ms)，则“航迹关联启用标志”置1，根据装订的“航迹多普勒优先级”选择对应的航迹，利用该航迹对检测目标进行关联处理，并剔除超过关联门限(典型值300Hz)的检测目标。当选择相关联的航迹发生切换时，中断航迹关联处理并延时50ms后恢复与另一条航迹的关联判断。若该选择的航迹终止复位或两条航迹多普勒频差小于设定多普勒门限(典型值600Hz)并连续满足设定时间(典型值10点或50ms)，则“航迹关联启用标志”清0，停止检测目标与航迹匹配关联处理。
与现有技术相比，本发明具有实时性、通用性的优点，计算量小且易于实现，能够在目标其他信息(距离、角度、能量等)缺失或不准确的条件下，依靠目标多普勒信息实现较好的航迹建立与航迹关联，提高雷达目标跟踪的准确性和稳定度。
附图说明
图1为本发明基于多普勒信息的航迹建立与关联方法的实施例流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种基于多普勒信息的航迹建立与关联方法方法，包括：
步骤S1，在目标检测结果中择优选择两个目标，用于建立1～2条目标多普勒航迹，用于航迹建立的目标应满足设定的信噪比门限SNRcorr以及前后帧相邻两个点迹的多普勒关联门限Fdt,corr。典型的脉冲PD雷达中，航迹建立信噪比门限为15dB，航迹建立相邻点迹多普勒关联门限为250Hz(不小于多普勒分辨率)。默认初始条件下，“航迹多普勒比较标志”为0，表征航迹1多普勒小于航迹2多普勒(航迹有效后依据可能发生变换，参见步骤四)。目标检测结果中择优选择的两个目标应与两条航迹建立匹配对应关系，依据装订的“航迹多普勒优先级”(本例对其定义：0-低多普勒航迹优先，1-高多普勒航迹优先)决定择优选择的目标是优先匹配低多普勒航迹或高多普勒航迹，从而明确航迹与检测目标的匹配对应关系。
步骤S2，对每个参与航迹建立的点迹目标多普勒进行跟踪滤波和记忆外推处理。一般情况下，航迹跟踪滤波器应与多普勒环路跟踪滤波器一致，典型跟踪滤波器采用α-β滤波器，具备测量值变化率预测能力。设置航迹有效门限NVALID(典型值10点或50ms)，当航迹长度(含跟踪滤波和记忆外推)不小于航迹有效门限时，对应的航迹有效标志置1。
步骤S3，设置航迹记忆使能门限NREM(典型值8点或40ms)、航迹重复记忆门限NReREM(典型值8点或40ms)。判断航迹处于连续跟踪滤波的长度：当其满足航迹记忆使能门限时，对应的航迹记忆使能标志置1；当其满足航迹重复记忆门限时，对应的航迹记忆时间计数器清0，允许航迹重新开始记忆。航迹单帧丢失时，若对应的航迹记忆使能标志为1，则进行航迹记忆外推，否则航迹终止复位并尝试重新建航。最大航迹记忆时间不小于最大航迹外推时间，也可以设置为等长(典型值40点或200ms)，记忆超时后航迹终止复位。航迹记忆外推期间，利用航迹跟踪滤波的一阶预测值(航迹目标多普勒变化率)进行逐步衰减外推，单拍衰减系数依据航迹多普勒信息置信度和单拍外推时间设置，一般选取范围为0.8～1.0。外推后的目标多普勒同样作为单拍点迹进行航迹建立与维护，并作为下一拍步骤S1中相邻点迹多普勒关联的基准。
步骤S4，当两条航迹均有效时，则比较两条航迹最新点迹的多普勒大小形成“航迹多普勒比较标志”(本例对其定义：0-航迹1多普勒小于航迹2多普勒，1-航迹1多普勒大于航迹2多普勒)。当仅有一条航迹有效，则依据装订的“航迹多普勒优先级”形成航迹多普勒比较标志，即当低多普勒航迹优先时，当前有效航迹作为低多普勒航迹，无效航迹作为高多普勒航迹，而当高多普勒航迹优先时，当前有效航迹作为高多普勒航迹，无效航迹作为低多普勒航迹。更新后的“航迹多普勒比较标志”会影响下一拍航迹与检测目标的匹配对应关系(参见步骤S1)。
步骤S5，当且仅当两条航迹同时有效时，进行“航迹关联启用标志”的判断。若两条航迹目标多普勒频差大于设定多普勒门限(典型值600Hz)并连续满足设定时间(典型值10点或50ms)，则“航迹关联启用标志”置1，根据装订的“航迹多普勒优先级”选择对应的航迹，利用该航迹对检测目标进行关联处理，并剔除超过关联门限(典型值300Hz)的检测目标。当选择相关联的航迹发生切换时，中断航迹关联处理并延时50ms后恢复与另一条航迹的关联判断。若该选择的航迹终止复位或两条航迹多普勒频差小于设定多普勒门限(典型值600Hz)并连续满足设定时间(典型值10点或50ms)，则“航迹关联启用标志”清0，停止检测目标与航迹匹配关联处理。
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 (8)

1.一种基于多普勒信息的航迹建立与关联方法，其特征在于，包括：
步骤一，择优选择两个目标建立1～2条目标多普勒航迹，设置信噪比门限SNRcorr以及前后帧相邻两个点迹的多普勒关联门限Fdt,corr，用于航迹建立的所述两个目标满足设定的信噪比门限SNRcorr和多普勒关联门限Fdt,corr；
设置“航迹多普勒比较标志”位，依据装订的“航迹多普勒优先级”明确航迹与检测目标的匹配对应关系；
步骤二，点迹目标多普勒进行跟踪滤波和记忆外推处理，并设置航迹有效门限NVALID，判断航迹有效标志位；
步骤三，设置航迹记忆使能门限NREM、航迹重复记忆门限NReREM；当航迹处于连续跟踪滤波的长度时，判断航迹记忆使能标志、航迹记忆时间计数值；当航迹单帧丢失时，判断是航迹记忆外推或是航迹中止复位；
步骤四，当两条航迹均有效时，比较两条航迹最新点迹的多普勒大小形成“航迹多普勒比较标志”；当仅有一条航迹有效时，依据装订的“航迹多普勒优先级”形成航迹多普勒比较标志；
步骤五，当且仅当两条航迹同时有效时，判断“航迹关联启用标志”，对检测目标进行关联处理；当选择相关联的航迹发生切换时，中断航迹关联处理并延时后恢复与另一条航迹的关联判断；若该选择的航迹终止复位或两条航迹多普勒频差小于设定多普勒门限并连续满足设定时间，则“航迹关联启用标志”清0，停止检测目标与航迹匹配关联处理。
2.如权利要求1所述的一种基于多普勒信息的航迹建立与关联方法，其特征在于，步骤一中，对于脉冲PD雷达，航迹建立信噪比门限为15dB，航迹建立相邻点迹多普勒关联门限为250Hz，且满足不小于多普勒分辨率的条件；
默认初始条件下，“航迹多普勒比较标志”为0，表征航迹一多普勒小于航迹二多普勒；依据装订的“航迹多普勒优先级”决定择优选择的目标是优先匹配低多普勒航迹或高多普勒航迹，从而明确目标检测结果中择优选择的两个目标与两条航迹的匹配对应关系；“航迹多普勒优先级”以0表示低多普勒航迹优先，以1表示高多普勒航迹优先。
3.如权利要求1所述的一种基于多普勒信息的航迹建立与关联方法，其特征在于，步骤二中，对每个参与航迹建立的点迹目标多普勒进行跟踪滤波和记忆外推处理；航迹跟踪滤波器采用α-β滤波器，具备测量值变化率预测能力；
设置航迹有效门限NVALID为10点或50ms，当经跟踪滤波和记忆外推处理的航迹长度不小于航迹有效门限时，对应的航迹有效标志置1。
4.如权利要求3所述的一种基于多普勒信息的航迹建立与关联方法，其特征在于，步骤三中，判断航迹处于连续跟踪滤波的长度时：当其满足航迹记忆使能门限时，对应的航迹记忆使能标志置1；当其满足航迹重复记忆门限时，对应的航迹记忆时间计数器清0，允许航迹重新开始记忆；
当判断航迹不处于连续跟踪滤波的长度，且航迹单帧丢失时，若对应的航迹记忆使能标志为1，则进行航迹记忆外推，否则航迹终止复位并尝试重新建航。
5.如权利要求4所述的一种基于多普勒信息的航迹建立与关联方法，其特征在于，步骤三中，设置航迹记忆使能门限NREM为8点或40ms、航迹重复记忆门限NReREM为8点或40ms；
最大航迹记忆时间不小于最大航迹外推时间，或者最大航迹记忆时间设置为等长；最大航迹记忆时间为40点或200ms，记忆超时后航迹终止复位；
航迹记忆外推期间，利用航迹跟踪滤波的一阶预测值，即航迹目标多普勒变化率进行逐步衰减外推，单拍衰减系数依据航迹多普勒信息置信度和单拍外推时间设置为0.8～1.0；外推后的目标多普勒同样作为单拍点迹进行航迹建立与维护，并作为下一拍步骤一中相邻点迹多普勒关联的基准。
6.如权利要求1所述的一种基于多普勒信息的航迹建立与关联方法，其特征在于，步骤四中，当两条航迹均有效时，比较两条航迹最新点迹的多普勒大小形成“航迹多普勒比较标志”；所述“航迹多普勒比较标志”以0表示航迹一多普勒小于航迹二多普勒，以1表示航迹一多普勒大于航迹二多普勒；
当仅有一条航迹有效时，依据装订的“航迹多普勒优先级”形成航迹多普勒比较标志：当低多普勒航迹优先时，当前有效航迹作为低多普勒航迹，无效航迹作为高多普勒航迹；当高多普勒航迹优先时，当前有效航迹作为高多普勒航迹，无效航迹作为低多普勒航迹；更新后的“航迹多普勒比较标志”会影响下一拍步骤一中航迹与检测目标的匹配对应关系。
7.如权利要求1所述的一种基于多普勒信息的航迹建立与关联方法，其特征在于，步骤五中，当且仅当两条航迹同时有效时，进行“航迹关联启用标志”的判断：若两条航迹目标多普勒频差大于设定多普勒门限并连续满足设定时间，则“航迹关联启用标志”置1，根据装订的“航迹多普勒优先级”选择对应的航迹，利用该航迹对检测目标进行关联处理，并剔除超过关联门限的检测目标；
当选择相关联的航迹发生切换时，中断航迹关联处理并延时后恢复与另一条航迹的关联判断；若该选择的航迹终止复位或两条航迹多普勒频差小于设定多普勒门限并连续满足设定时间，则“航迹关联启用标志”清0，停止检测目标与航迹匹配关联处理。
8.如权利要求7所述的一种基于多普勒信息的航迹建立与关联方法，其特征在于，步骤五中，设定多普勒门限为600Hz，连续满足的设定时间为10点或50ms；关联门限为300Hz；延时时间为50ms。
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