CN109633678A - 大视场光电成像跟踪系统多约束条件航迹起始检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于使用目标自身特性和运动特性的回波信号的分析技术领域，公开了一种大视场光电成像跟踪系统多约束条件航迹起始检测方法；首先利用具有航迹连贯性判断和方向判断的约束条件1，加强了对威胁目标航迹的快速起始；然后利用具有航向方差判断的约束条件2和航迹可信度判断的约束条件3相配合完成对断续点迹目标的航迹起始，在大视场光电成像跟踪系统中实现了在密集杂波环境下，对整个空域威胁目标航迹的快速起始。本发明实现了大视场光电成像跟踪系统下对大威胁概率目标和断续点迹目标航迹的快速起始；为大视场光电成像跟踪系统中密集杂波环境下目标快速、准确的航迹起始提供了新思路。

Description

大视场光电成像跟踪系统多约束条件航迹起始检测方法
技术领域
本发明属于使用到目标自身特性和运动特性的回波信号的分析技术领域，尤其涉及一种大视场光电成像跟踪系统多约束条件航迹起始检测方法。
背景技术
航迹起始指的是未进入稳定跟踪(航迹保持)之前所进行的航迹确定过程。它是按照航迹处理的过程划分出来的，它不仅包括航迹头的选择，还包括航迹起始轨迹段及其形成的过程。航迹起始是伴随着航迹处理的发展而发展。从直观法到逻辑法；从Hough变化法到模式匹配法；从稀疏环境下的起始算法到密集环境下的起始算法；从纯方法研究到性能评估；从主动系统到被动系统等等，已经积累了大量的相关文献。
航迹起始作为多目标跟踪航迹处理的首要问题，其起始航迹的正确性是减少多目标跟踪固有的组合爆炸所带来的计算负担的有效措施。如果航迹起始不正确，则很难实现对多目标的跟踪。而且，航迹起始时，目标距离较远，传感器探测分辨率低，测量精度差，再加上真假目标的出现无真正的统计规律而言，航迹起始问题同时又是一个较难处理的问题。尤其是多目标密集回波环境下的航迹起始处理最为复杂，这种情况下的复杂性主要是由于多目标密集环境(含真假密集目标)航迹处理自身复杂性和航迹起始的地位决定的。
在大视场光电成像跟踪系统中，由于超大视场角和较大桶形畸变的存在，必然引起系统分辨率的减弱。同时由于探测器自身分辨率限制。导致了这种被动无源系统在具有其它系统不具有的优势的同时，也不可避免的产生了一些弊端。(1)目标尺寸小于一个像素；这是由于系统目标侦测距离较远，传感器探测分辨力不高以及目标大小有限等因素限制，使得目标相对系统的空间立体角小于系统的瞬时视场角。在侦测距离上的目标，在像面上的衍射斑的大小也仅仅是接近一个像素而已。(2)目标在像平面上的运动速度很小；由于系统瞬时视场角的增大，导致目标在凝视系统下的运动速度要比传统的小视场系统慢的多。假定在10km的侦测距离上，切向速度为3Ma的目标在像面上的运动速度约为0.5pixels/frame；(3)目标轨迹成断续点迹；由于目标成亚像素和运动速度过小，导致目标移动到相邻像素之间时，可能出现暂时的丢失，导致目标轨迹出现断续。因此可知大视场光电成像跟踪系统下，像面目标具有占有像素数量很小、目标运动信息不明确、不连贯、目标灰度值较小等直接导致像面目标信噪比很低的多种固有不利特性，这些无法解决的客观不利特性所导致的目标信噪比降低一方面会导致目标检测时出现漏检，另一方面，会引入许多虚警，容易造成航迹起始中，航迹分叉增多，计算量的迅速增大，从而降低了航迹起始的效率、增大了虚假航迹起始的概率。
目前，业内常用的现有技术是这样的：现有基于逻辑的航迹起始方法是从集合论的描述法中提出的；其以第1次提取出的所有量测作为航迹头，用速度法建立初始相关域，对落入初始相关域中的第2次量测，均可建立候选航迹；然后对上述每个候选航迹直线外推，并建立后续的相关域，它以外推点为中心，后续相关域大小由航迹外推误差协方差确定。利用第3次的量测对其进行扩展，如果超过一个以上的量测位于相关域内，则此候选目标航迹分裂为多支；如果没有量测落入相关域内，则此候选航迹被提前终止。对于每一个候选目标航迹(包括3个或者更多的量测)，利用二阶多项式外推，完成对其的扩展。重复上述的各个步骤直到采样时刻M(M一般选择5到8)；在历次扫描中，均未落入相关域参与航迹相关判别的那些量测(称为自由量测)均作为新的航迹头，按(1)的方法处理。用逻辑法确定航迹起始的性能主要取决于扫描过程中真假目标性能、密集的程度及分布、传感器分辨率和量测误差等如对空中的飞机、导弹等目标，一般3～5帧即可起始完成；对于海上的舰艇和地上的车辆等目标，可能至少需要5～8帧才能够起始完成。由于该算法在航迹断裂时直接提前终止航迹，将无法解决大视场光电成像系统下目标断裂情况下的航迹起始问题，同时由于多个量测时航迹直接分裂，这将导致大视场光电成像系统中密集杂波环境下航迹数量的剧烈增长，计算量增大且虚假航迹过多等问题。
直观法是利用物体运动学的原理：相邻两次扫描任意两个量测，若属于同一个目标，则两次量测与扫描时间之比介于目标最小速度和最大速度之间，或者由此得到的加速度也要受到目标最大加速度值的约束。直观法是一种确定性(没有考虑量测噪声)较为粗糙的方法。在没有真假目标先验信息情况下，仍是一种可以应用或参与部分应用的方法。最初的Hough变换是设计用来检测直线和曲线的因为它不需要知道有关区域的先验知识，所以它对分割结果具有很好的鲁棒性，即分割效果对数据的不完全或噪声不是非常敏感；虽然Hough变换性能优良，但是由于计算量和运算量都比较大，耗时成为了其广泛应用的瓶颈。由于直观法的简单性和Hough变换的巨大计算量和运算量，使其都无法解决大视场光电成像系统下的目标断续、运动信息弱、杂波密集情况下的航迹起始问题。
综上所述，现有技术存在的问题是：大视场光电成像跟踪系统下目标的断续不连贯、灰度弱、运动信息不显著、杂波噪声密集等特点导致目标在成像面上的信噪比很低，导致目标检测时出现漏检；引入许多虚警，容易造成航迹起始中，航迹分叉增多，降低了航迹起始的效率、增大了虚假航迹起始的概率。
解决上述技术问题的难度和意义：应用于大视场光电成像系统的航迹起始算法需要在密集杂波环境下，将因为信噪比过小航迹可能断裂的目标航迹、运动速度过慢甚至不动(沿成像系统光轴方向来袭的大威胁概率目标的成像特点)的目标航迹以较高的航迹起始概率、较低的虚假航迹起始概率成功实现航迹起始，同时还需要克服由于密集杂波所可能引起的计算量剧增问题。这是目前常规逻辑算法、直观法和Hough变换等主流算法不能较好解决的问题。如果大视场光电成像系统下的航迹起始问题得到很好解决，将大大提高大视场光电成像系统作为被动探测告警系统时对大视场内密集杂波里的多弱小目标的航迹起始效率，减小多目标航迹起始计算量和运算量，大大降低虚假目标航迹节省跟踪资源，为后续航迹关联、航迹更新、威胁排序等目标处理算法提供一定的时间富余量，从而保证大视场光电成像系统作为被动探测告警系统的实时性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种大视场光电成像跟踪系统多约束条件航迹起始检测方法。
本发明是这样实现的，一种大视场光电成像跟踪系统多约束条件航迹起始检测方法，所述大视场光电成像跟踪系统多约束条件航迹起始检测方法首先利用具有航迹连贯性判断和方向判断的约束条件1，加强了对威胁目标航迹的快速起始；然后利用具有航向方差判断的约束条件2和航迹可信度判断的约束条件3相配合完成对断续点迹目标的航迹起始，在大视场光电成像跟踪系统中实现了在密集杂波环境下，对整个空域威胁目标航迹的快速起始。
进一步，所述约束条件1通过设置一个速度门限，将小于这个门限的轨迹作为大威胁概率目标航迹进行起始；在进行这个判断之前，通过连贯性判断，以确认该航迹为目标航迹：
连贯性判断公式为：
式中：rk+1和rk分别为第k个点到第k+1点、第k-1个点到第k个点的方向矢量；Φ为两个方向矢量的夹角。由于目标运动的连贯性约束，必有Φ≤Φ0；0≤Φ0≤π是预先设定的阈值，对应目标在采样周期间隔内最大的角度变化；
速度门限的设置是根据假设目标在检测距离D上，拥有最大运动速度vmax时，如果目标沿径向或与径向成很小的夹角范围α来袭，则目标切向速度分量必然小于一定阈值，则判断公式为：
||(rk+1-rk)/T||≤vt；
式中：vt为速度阈值：
vt＝vmax·sin(α)/(D·θ)；
式中：θ为探测器单个像元所对应的空间角度。
进一步，所述约束条件2对断续点迹进行起始：(x,y)为系统焦平面探测器上的任意一点，某一候选航迹的点迹为(x1,y1),(x2,y2),...,(xn,yn)，则航迹中任意一点(xi,yi)与候选航迹头(x1,y1)的航向角γi为：
则航向角的方差为：
式中：n为点迹的个数，其中有的点是关联上的真实的点迹，有的则是某一帧的预测点；为航向角的均值；
则航向角方差的约束条件为：
当时，认为该航迹为真实航迹，并进行起始；
当时，则认为该候选航迹为是由噪声构成的虚假航迹，并进行删除；
其中，Kγ为航向误差门限大小与传感器测量误差、目标飞行机动性能有关，测量精度越高、目标机动过载能力越弱，Kγ越小，反之越大。
进一步，所述约束条件三选择基于逻辑的航迹起始算法中的M/N准则对航迹的可信度进行最后的判断；在N次量测中，该点迹能够被检测到M次，那么将该点迹作为正确的航迹进行起始。
进一步，所述多约束条件航迹起始检测方法包括以下步骤：
步骤一，未被起始算法关联的初始量测建立为源生航迹，利用最大、最小速度约束条件建立相关区域确认下一帧量测建立可能航迹；
步骤二，对可能航迹进行直线外推，以外推点为中心，以外推误差方差为半径形成下一帧相应于该航迹的量测确认区域，对应帧量测落入相关域的利用约束条件1进行判断，满足则判定为真实航迹，送给跟踪单元，否则升为中间航迹等待下一帧的确定。没有量测落入相关域的可能航迹则判断为虚警，剔除；
步骤三，对中间航迹进行最小二乘外推，利用外推误差方差构建下一帧的相应于该航迹的量测确认区域；对落入相关域内的量测，根据约束条件2进行判断，满足则判定为真实航迹，送给跟踪单元，否则升为候选航迹等待下一帧的确定；没有量测落入相关域的量测利用预测位置进行更新，并记录其丢失次数，同时升为候选航迹，等待下一帧的确定；
步骤四，对候选航迹进行最小二乘外推，并确立相关区域；对有量测落入其中的候选航迹进行约束条件三判断，对没有量测落入相关域的候选航迹，进行丢失次数增加1以后，进行约束条件三判断；满足逻辑，即判定为真实航迹，否则，作为虚假航迹，剔除。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述大视场光电成像跟踪系统多约束条件航迹起始检测方法。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：针对大视场光电成像跟踪系统的一种高效的航迹起始算法，由于这种被动无源跟踪系统具有其自身的特点，决定了它对航迹起始算法的特殊要求。此方法首先利用具有航迹连贯性判断和方向判断的约束条件1，加强了对威胁目标航迹的快速起始；然后利用具有航向方差判断的约束条件2和航迹可信度判断的约束条件3相配合完成对断续点迹目标的航迹起始，从而在大视场光电成像跟踪系统中实现了在密集杂波环境下，对整个空域威胁目标航迹的快速起始。通过深入分析大视场光电成像跟踪系统中目标自身特点及其运动特性，给出了能够对低速甚至静止的大威胁概率目标和断续点迹目标进行威胁概率判断和航向方差判断的起始约束条件，实现了大视场光电成像跟踪系统下对大威胁概率目标和断续点迹目标航迹的快速起始。为基于单个被动传感器的凝视跟踪系统进行快速、准确的航迹起始提供了新思路。仿真结果及实际应用表明了该算法在杂波环境下的有效性和稳健性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的大视场光电成像跟踪系统多约束条件航迹起始检测方法流程图。
图2是本发明实施例提供的多条件约束航迹起始算法示意图。
图3是本发明实施例提供的杂波环境下多目标航迹起始效果示意图。
图4是本发明实施例提供的不同杂波密度下的虚假航迹起始概率示意图。
图5是本发明实施例提供的各起始算法的航迹起始效果图；
图中：a)逻辑法；b)Hough变换法；c)本发明起始算法。
图6是本发明实施例提供的逻辑起始算法和多规则起始算法性能的比较示意图；
图中：a)虚警率对比图；b)平均起始时间对比图。
图7是本发明实施例提供的多规则航迹起始算法在不同杂波个数下的虚假航迹起始概率示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
针对大视场光电成像跟踪系统下目标的这些新的特点导致目标在成像面上的信噪比很低，导致目标检测时出现漏检；引入许多虚警，容易造成航迹起始中，航迹分叉增多，降低了航迹起始的效率、增大了虚假航迹起始的概率的问题。本发明首先利用具有航迹连贯性判断和方向判断的约束条件1，加强了对威胁目标航迹的快速起始；然后利用具有航向方差判断的约束条件2和航迹可信度判断的约束条件3相配合完成对断续点迹目标的航迹起始，从而在大视场光电成像跟踪系统中实现了在密集杂波环境下，对整个空域威胁目标航迹的快速起始。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的大视场光电成像跟踪系统多约束条件航迹起始检测方法包括以下步骤：
S101：未被起始算法关联的初始量测建立为源生航迹，利用最大、最小速度约束条件建立相关区域确认下一帧量测建立可能航迹；
S102：对可能航迹进行直线外推，以外推点为中心，以外推误差方差为半径形成下一帧相应于该航迹的量测确认区域，对应帧量测落入相关域的利用约束条件1进行判断，满足则判定为真实航迹，送给跟踪单元，否则升为中间航迹等待下一帧的确定。没有量测落入相关域的可能航迹则判断为虚警，剔除；
S103：对中间航迹进行最小二乘外推，利用外推误差方差构建下一帧的相应于该航迹的量测确认区域。对落入相关域内的量测，根据约束条件2进行判断，满足则判定为真实航迹，送给跟踪单元，否则升为候选航迹等待下一帧的确定。没有量测落入相关域的量测利用预测位置进行更新，并记录其丢失次数，同时升为候选航迹，等待下一帧的确定；
S104：对候选航迹进行最小二乘外推，并确立相关区域。对有量测落入其中的候选航迹进行约束条件三判断，对没有量测落入相关域的候选航迹，进行丢失次数增加1以后，进行约束条件三判断。满足逻辑，即判定为真实航迹，否则，作为虚假航迹，剔除。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
1、多条件约束航迹起始算法说明
根据此类目标的特点设计了基于目标运动的连贯性和方向性的约束条件1来完成对威胁概率大的目标的航迹起始。为了解决目标航迹断续问题给航迹起始带来的影响，本算法采用了航向连贯性判断(约束条件2)和逻辑法相结合(约束条件3)的方法，完成了对断续点迹目标的航迹起始。整个算法不仅可以快速的起始目标航迹，而且可在保证较高的正确起始概率的同时具有较低虚假航迹起始概率。算法流程图如图2。
1.1.约束条件的设计
1.1.1约束条件1
在大视场光电成像跟踪系统中，威胁目标的快速航迹起始问题是航迹起始算法的关键问题。在航迹起始算法设计中应该重点关注。本算法设置的约束条件一就是用来起始那些径向来袭或相对角速度小，威胁概率大的目标。由于这类目标在像平面上表现为某些位置不动，或者运动速度很小的目标点。所以约束条件一的设置是通过设置一个速度门限，将小于这个门限的轨迹作为大威胁概率目标航迹进行起始。不过在进行这个判断之前，首先要通过连贯性判断，以确认该航迹为目标航迹。
连贯性判断公式为：
式中：rk+1和rk分别为第k个点到第k+1点、第k-1个点到第k个点的方向矢量；Φ为两个方向矢量的夹角。由于目标运动的连贯性约束，必有Φ≤Φ0。这里，0≤Φ0≤π是预先设定的阈值，对应目标在采样周期间隔内最大的角度变化。
速度门限的设置是根据假设目标在检测距离D上，拥有最大运动速度vmax时，如果目标沿径向或与径向成很小的夹角范围α(一般取15°)来袭，则目标切向速度分量必然小于一定阈值，则判断公式为：
||(rk+1-rk)/T||≤vt (2)
式中：vt为速度阈值。
vt＝vmax·sin(α)/(D·θ) (3)
式中：θ为探测器单个像元所对应的空间角度。
为了满足系统的快速性要求，算法设计了3个周期的量测序列代入约束条件1进行判断。满足条件即可完成对大威胁概率目标的航迹起始。提高了系统的预警能力。
1.1.2约束条件2
由于凝视系统分辨率低和目标尺寸小，使得目标在测量时可能丢失，这就造成了点迹序列发生断裂，形成断续点迹。为了提高系统的航迹起始概率，本发明算法设计了约束条件二，用来对断续点迹进行起始。
设(x,y)为系统红外焦平面探测器上的任意一点，某一候选航迹的点迹为(x1,y1),(x2,y2),...,(xn,yn)，则航迹中任意一点(xi,yi)与候选航迹头(x1,y1)的航向角γi为：
则航向角的方差为：
式中：n为点迹的个数，其中有的点是关联上的真实的点迹，有的则是某一帧的预测点；为航向角的均值。
则航向角方差的约束条件为：
当时，认为该航迹为真实航迹，并进行起始；
当时，则认为该候选航迹为是由噪声构成的虚假航迹，并进行删除。
其中，Kγ为航向误差门限大小与传感器测量误差、目标飞行机动性能有关，测量精度越高、目标机动过载能力越弱，Kγ越小，反之越大。
为了满足系统实时性的要求，本发明设计的约束条件二置于约束条件一之后，设置了4个周期的量测序列代入约束条件二进行判断。则四个周期中只要有三个点迹(1,2,3、1,2,4、1,3,4、2,3,4)即可起始起来。有效的提高了系统的航迹起始概率。
1.1.3约束条件三
既为了提高航迹起始的正确概率，又为了满足系统实时性要求，本发明算法设计5个周期作为一个航迹起始的滑动窗口。约束条件三的设计既要作为航迹起始的最后评判标准，又要保证航迹起始的准确性。所以在这里选择了基于逻辑的航迹起始算法中的M/N准则对航迹的可信度进行最后的判断。即在N次量测中，该点迹能够被检测到M次，那么就将该点迹作为正确的航迹进行起始。为了降低虚警，这里选择的是4/5逻辑。即认为点迹存在概率为80％，是值得信赖的。
2、大视场光电成像跟踪系统的多约束条件航迹起始检测方法、大视场光电成像跟踪系统算法执行步骤：多约束条件航迹起始算法针对大视场光电成像跟踪系统下目标及其运动的特性，设计了专门针对大威胁概率目标和断续点迹的航迹起始约束条件，并将逻辑判断准则中的M/N准则作为约束条件3对前两个约束条件进行了补充。既提高了正确航迹起始的概率，又保证了系统对实时性的要求。这里依据航迹起始过程中点迹的个数不同将航迹分为源生航迹(也称为航迹头)、可能航迹、中间航迹和候选航迹，它们中的点迹个数分别为1个、2个、3个、4个。该算法主要有以下几个步骤：
1)未被起始算法关联的初始量测建立为源生航迹，利用最大、最小速度约束条件建立相关区域确认下一帧量测建立可能航迹；
2)对可能航迹进行直线外推，以外推点为中心，以外推误差方差为半径形成下一帧相应于该航迹的量测确认区域，对应帧量测落入相关域的利用约束条件1进行判断，满足则判定为真实航迹，送给跟踪单元，否则升为中间航迹等待下一帧的确定。没有量测落入相关域的可能航迹则判断为虚警，剔除；
3)对中间航迹进行最小二乘外推，利用外推误差方差构建下一帧的相应于该航迹的量测确认区域。对落入相关域内的量测，根据约束条件2进行判断，满足则判定为真实航迹，送给跟踪单元，否则升为候选航迹等待下一帧的确定。没有量测落入相关域的量测利用预测位置进行更新，并记录其丢失次数，同时升为候选航迹，等待下一帧的确定；
4)对候选航迹进行最小二乘外推，并确立相关区域。对有量测落入其中的候选航迹进行约束条件三判断，对没有量测落入相关域的候选航迹，进行丢失次数增加1以后，进行约束条件三判断。满足逻辑，即判定为真实航迹，否则，作为虚假航迹，剔除。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
仿真1：为了能够对仿真效果进行准确，合理的评价，本发明采用基于Monte-Carlo迭代法进行N次仿真，分别采用了虚假航迹起始概率、目标的正确起始概率及平均起始时间这三个评价指标来评价航迹起始方法的优劣。
航迹起始方法优劣的评价指标定义如下：
1)虚假航迹起始概率F：
式中：N为Monte-Carlo仿真试验的次数；fi为第i次仿真试验中虚假航迹的个数；
ni为第i次仿真试验中起始航迹的个数。
2)目标j的正确起始概率Rj：
式中：lij代表第i次Monte-Carlo仿真试验中目标j航迹是否正确起始，正确起始时为1，没有正确起始时为0。
3)目标j平均航迹起始时间Tj：
式中：tij为第i次Monte-Carlo仿真中目标j航迹起始所需要的周期数(帧数)。
假设有5个目标，分别在笛卡尔坐标系下以不同的速度，沿不同的方向做具有加速度扰动的匀速直线运动。假定系统在距离10km时进行可靠的航迹起始跟踪，最大飞行速度为2000m/s，最大加速度为100m/s2；由于本发明处理的数据对象是红外探测器输出的数字图像，所以需要将笛卡尔坐标系下的目标运动轨迹转换到像平面上。则目标在笛卡尔坐标系下的初始状态在像平面内的初始状态如表1。测量误差标准差为0.5个像素，为了增加航迹起始的计算复杂程度。设定杂波密度为λ＝5.2×10-5/mrad2的杂波(杂波个数服从泊松分布，在像平面内服从均匀分布)。算法中的约束条件参数Φ0＝π/3，vt＝0.25。基于200次Monte-Carlo仿真，根据指标定义，可以得到设定条件下各目标的正确起始概率、平均航迹起始时间(表2)和系统的虚警航迹起始概率与杂波密度之间的对应关系(图4)。
表1像平面上目标初始状态
目标 1 2 3 4 5
速度(像素/帧) 0.25 0.5 0 1.5 1
X坐标(像素) 100 150 55 195 80
Y坐标(像素) 100 150 55 200 150
表2各目标的正确起始概率Rj和平均航迹起始时间Tj
目标 1 2 3 4 5
R<sub>j</sub>(％) 1 1 1 0.8350 1
T<sub>j</sub>(Frame) 3.6750 4.0100 3.0250 4 4
仿真结果表明，那些设定运动方向与观测径向夹角较小的大威胁概率目标(1和3)一般在3个采样周期内就能起始起来；那些断续点迹一般在约束条件2和约束条件3的判断下一般都能够在前4个采样周期内建立航迹，通过5个周期的三个约束条件的判断，目标的正确起始概率较高，起始时间较短，算法快速的航迹起始能力得到了较好的验证。同时，通过图4可知，在不同的杂波密度下，虚假航迹的起始概率F都在一定的范围内变化，即使在杂波密度较大时，虚假航迹起始概率也没有发生急剧增加的现象，仍保持在一定的范围内，这证明了该算法的稳健性。
仿真2：
为了使对比具有代表性，在这里主要对上面介绍的基于逻辑法的航迹起始算法、基于Hough变换的航迹起始算法与本发明算法进行了比较。基于200次Monte-Carlo迭代，首先可以得到各起始算法的航迹起始效果图，如图5所示。
图5给出了在相同的条件下，逻辑法、Hough变换和本发明算法的起始效果图。比较图5中的三种不同航迹起始算法的航迹起始效果图可知，这些算法在密集杂波环境下，都会出现虚警，只是虚警概率大小不同而已。在进行对比的三种算法中，Hough变换算法的起始效果最差，基本没有办法用以工程应用，这主要是因为在大视场光电成像系统中的目标呈现的静止或慢速特性，使得其在像面上的轨迹只有一个固定点或者一条很短的曲线，供Hough变换利用的数据太少造成的；逻辑起始算法的起始效果次之，这是因为逻辑法设置了置信度来对杂波进行了抑制，降低了虚警率；本发明算法的航迹起始效果相对其他两种算法来说得到了一定的改善。
表3各目标的正确航迹起始概率Rj和平均航迹起始时间Tj
这里主要对逻辑法和本发明的多规则起始算法的各项指标进行比较分析。根据指标的定义，可以得到在设定条件下各目标的正确起始概率、平均航迹起始时间(如表3)和系统的虚假航迹起始概率与杂波密度之间的对应关系(如图6，图7)。
从表3可以得知，对于相同条件下的低速目标，逻辑法和本发明算法都能达到较好的起始效果；在杂波密度达到500个以上时，逻辑法的虚警概率迅速增长至80％多，平均航迹起始增大至60多秒；而本发明算法的虚警概率始终维持在10％以下，平均航迹起始时间也在40秒以下。这是因为在起始过程中，逻辑法的起始逻辑一旦确定，则必须达到一定的周期数(帧数)才能对目标航迹进行判断、起始，所以要花费的时间相比之下较长，较固定；而本发明算法由于设置了灵活的起始规则，只要航迹条件满足规则，便可立即起始起来，所以起始时间较短，较灵活。从表3还可以得知，设定运动方向与系统主光线夹角较小的大威胁概率目标(目标1和3)一般在3个采样周期内就能确定航迹；那些断续点迹在断续点迹目标航迹起始规则和逻辑起始规则的判断下一般都能够在前4个采样周期内建立航迹。在一个航迹起始窗口内，通过三个规则的依次判断，目标的正确起始概率较高，起始时间较短，算法快速的航迹起始能力得到了较好的验证。
图6给出了逻辑法与本发明算法在不同杂波密度下的虚警率曲线和平均起始时间曲线。从中可以看出，本发明算法的虚警率比逻辑法的要小的多，但都随着杂波密度的增大而增大；平均起始时间变化曲线在杂波密度较小时相差不是很大，但是随着杂波密度的增大，这两种算法的平均起始时间之差也逐渐变大。同时，通过图3-6可知，在不同的杂波密度下，虚假航迹的起始概率F都在一定的范围内变化，即使在杂波密度较大时，虚假航迹起始概率也没有发生急剧增加的现象，仍保持在一定的范围内，这证明了该算法的杂波适应性，为复杂场景下红外多目标跟踪提供了一定的参考。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种大视场光电成像跟踪系统多约束条件航迹起始检测方法，其特征在于，所述大视场光电成像跟踪系统多约束条件航迹起始检测方法首先利用具有航迹连贯性判断和方向判断的约束条件1，加强了对威胁目标航迹的快速起始；然后利用具有航向方差判断的约束条件2和航迹可信度判断的约束条件3相配合完成对断续点迹目标的航迹起始，在大视场光电成像跟踪系统中实现了在密集杂波环境下，对整个空域威胁目标航迹的快速起始。
2.如权利要求1所述的大视场光电成像跟踪系统多约束条件航迹起始检测方法，其特征在于，所述约束条件1通过设置一个速度门限，将小于这个门限的轨迹作为大威胁概率目标航迹进行起始；在进行这个判断之前，通过连贯性判断，以确认该航迹为目标航迹：
连贯性判断公式为：
式中：rk+1和rk分别为第k个点到第k+1点、第k-1个点到第k个点的方向矢量；Φ为两个方向矢量的夹角；由于目标运动的连贯性约束，必有Φ≤Φ0；0≤Φ0≤π是预先设定的阈值，对应目标在采样周期间隔内最大的角度变化；
速度门限的设置是根据假设目标在检测距离D上，拥有最大运动速度vmax时，如果目标沿径向或与径向成很小的夹角范围α来袭，则目标切向速度分量必然小于一定阈值，则判断公式为：
||(rk+1-rk)/T||≤vt；
式中：vt为速度阈值：
vt＝vmax·sin(α)/(D·θ)；
式中：θ为探测器单个像元所对应的空间角度。
3.如权利要求1所述的大视场光电成像跟踪系统多约束条件航迹起始检测方法，其特征在于，所述约束条件2对断续点迹进行起始：(x,y)为系统焦平面探测器上的任意一点，某一候选航迹的点迹为(x1,y1),(x2,y2),...,(xn,yn)，则航迹中任意一点(xi,yi)与候选航迹头(x1,y1)的航向角γi为：
则航向角的方差为：
式中：n为点迹的个数，其中有的点是关联上的真实的点迹，有的则是某一帧的预测点；为航向角的均值；
则航向角方差的约束条件为：
当时，认为该航迹为真实航迹，并进行起始；
当时，则认为该候选航迹为是由噪声构成的虚假航迹，并进行删除；
其中，Kγ为航向误差门限大小与传感器测量误差、目标飞行机动性能有关，测量精度越高、目标机动过载能力越弱，Kγ越小，反之越大。
4.如权利要求1所述的大视场光电成像跟踪系统多约束条件航迹起始检测方法，其特征在于，所述约束条件三选择基于逻辑的航迹起始算法中的M/N准则对航迹的可信度进行最后的判断；在N次量测中，该点迹能够被检测到M次，那么将该点迹作为正确的航迹进行起始。
5.如权利要求1所述的大视场光电成像跟踪系统多约束条件航迹起始检测方法，其特征在于，所述大视场光电成像跟踪系统多约束条件航迹起始检测方法包括以下步骤：
步骤一，未被起始算法关联的初始量测建立为源生航迹，利用最大、最小速度约束条件建立相关区域确认下一帧量测建立可能航迹；
步骤二，对可能航迹进行直线外推，以外推点为中心，以外推误差方差为半径形成下一帧相应于该航迹的量测确认区域，对应帧量测落入相关域的利用约束条件1进行判断，满足则判定为真实航迹，送给跟踪单元，否则升为中间航迹等待下一帧的确定；没有量测落入相关域的可能航迹则判断为虚警，剔除；
步骤三，对中间航迹进行最小二乘外推，利用外推误差方差构建下一帧的相应于该航迹的量测确认区域；对落入相关域内的量测，根据约束条件2进行判断，满足则判定为真实航迹，送给跟踪单元，否则升为候选航迹等待下一帧的确定；没有量测落入相关域的量测利用预测位置进行更新，并记录其丢失次数，同时升为候选航迹，等待下一帧的确定；
步骤四，对候选航迹进行最小二乘外推，并确立相关区域；对有量测落入其中的候选航迹进行约束条件三判断，对没有量测落入相关域的候选航迹，进行丢失次数增加1以后，进行约束条件三判断；满足逻辑，即判定为真实航迹，否则，作为虚假航迹，剔除。
6.一种应用权利要求1～4任意一项所述大视场光电成像跟踪系统多约束条件航迹起始检测方法的大视场光电成像跟踪系统。
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