CN110208789B - 一种多帧联合目标航迹识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多帧联合目标航迹识别方法，主要解决目标能量扩散、杂波对消后剩余杂波点以及强噪声点对目标航迹的干扰问题。本发明通过更新与目标航迹重叠L帧以上的航迹对应观测区域幅值，有效去除了目标能量扩散引起的干扰航迹。通过对每帧航迹偏离角度的统计，大幅降低了强噪声和剩余杂波引起的干扰航迹。航迹处理时每次只提取一个目标航迹，同时更新相应分辨单元幅值，避免了多目标临近、交叉运动时航迹之间的干扰，因此可以在多目标观测环境中获得准确的目标航迹估计结果。

Description

一种多帧联合目标航迹识别方法
技术领域
本发明涉及杂波噪声环境下的一种多帧联合目标航迹识别方法，可用于去除目标能量扩散、强噪声等引起的虚假目标航迹，准确地识别出目标航迹，属于雷达技术领域。
背景技术
一般情况下，根据目标运动模型，多帧航迹回溯后，目标能量得到积累，有利于后续的目标检测。然而，目标按照运动模型进行航迹回溯的过程中，回溯的位置上可能出现虚假目标，比如杂波或强噪声点，目标能量会与杂波或强噪声组成虚假航迹，这类虚假航迹由目标能量扩散导致，考虑到目标能量相比噪声强很多，因此航迹处理时存在大量的目标能量扩散引起的虚假航迹。另一类虚假航迹由强噪声或杂波对消后的剩余杂波点组成，因此相比第一类虚假航迹数量较少。为了得到理想的目标航迹，我们必须设法去除以上两类虚假航迹。
对于第一类虚假航迹，这些航迹共同的特点是存在多帧与目标航迹重合，因此可以通过航迹重叠法去除目标能量扩散引起的虚假航迹。对于第二类虚假航迹，由于强噪声和杂波点之间没有记忆性，即每帧运动轨迹之间没有相关性，因此可以通过统计相邻帧之间的航线偏离角判断航迹是否属于虚假航迹。
以上两种虚假航迹去除方法适用于目标之间不存在交叉、临近运动的情况，即多目标航迹间不存在干扰的情况，当场景中存在航迹间干扰时，不利于提取准确的目标航迹。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种多帧联合目标航迹识别方法，去除虚假航迹，解决多目标间航迹干扰，准确识别目标航迹。
本发明的技术解决方案是：一种多帧联合目标航迹识别方法，该方法包括下列步骤：
(1)、根据K帧观测数据以及目标运动模型，进行航迹回溯，得到所有疑似目标航迹，每帧观测数据包括雷达观测区域中每个分辨单元检测到的目标位置坐标、速度和目标信号幅度信息，每条疑似目标航迹由K帧观测数据中对应的K个观测数据组成；
(2)、将目标信号幅度累积值超过预设能量检测门限的所有疑似目标航迹，作为候选目标航迹，得到候选目标航迹集合，K≥1；
(3)、从候选目标航迹集合中，找到目标信号幅度累积值最大的航迹，保存为目标航迹并输出，之后进入步骤(4)；
(4)、剔除目标航迹以及目标能量扩散引起的虚假航迹，更新候选目标航迹集合，之后进入步骤(5)；
(5)、剔除杂波噪声引起的干扰航迹，更新候选目标航迹集合，之后，进入步骤(6)；
(6)、在更新后的候选目标航迹集合中，寻找候选目标航迹中目标信号幅度累积值最大的航迹，如果该航迹中目标信号幅度累积值小于预设能量检测门限，则结束，否则，将该航迹作为新的目标航迹，重新执行步骤(4)～(6)。
所述能量检测门限根据目标航迹检测的虚警率要求确定。
所述步骤(3)和步骤(4)具体的剔除航迹的方法为：
计算待剔除航迹上目标信号幅值均值，将待剔除航迹各观测数据中目标信号幅值与均值作差，如果差值为负，则将该观测数据中目标信号幅度更新为零，否则，将该观测数据中目标信号幅度更新为原目标信号幅度与累积值均值的差值。
所述目标能量扩散引起的虚假航迹为与目标航迹重叠于L个分辨单元以上的航迹，L≥K/2。
所述步骤(4)中杂波噪声引起的干扰航迹通过如下步骤确定：
(4.1)、统计候选目标航迹相邻两个观测点之间的航线偏离角度，如果超过R个观测点的航线偏离角大于第一偏离角阈值，则认定该候选目标航迹是杂波噪声引起的干扰航迹，否则，执行步骤(4.2)；
(4.2)、统计候选目标航迹K个观测点累计航线偏离角度，若K个观测点累计航线偏离角度大于第二偏离角阈值，则认定该候选目标航迹是杂波噪声引起的干扰航迹，否则，该候选目标航迹不是杂波噪声引起的干扰航迹。
所述航线偏离角度为：目标在第i个观测点的航迹方向矢量与目标在第i-1帧观测点的航迹方向矢量之间的夹角，目标在第i个观测点的航迹方向矢量为(xi-xi-1,yi-yi-1),i∈[2,K]，(xi,yi)为第i个观测数据内目标所在雷达观测区域中分辨单元的位置坐标，(xi-1,yi-1)为第i-1个观测数据内目标所在雷达观测区域中分辨单元的位置坐标。
所述观测点个数R大于等于[(K/4)+0.5]，[]为取整计算。
所述第一偏离角阈值大于等于π/4。
第二偏离角阈值大于等于π×K/6。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明方法属于多帧联合航迹处理方法，相比经典的航迹重叠法以及方向直方图统计法，不直接对候选航迹进行剔除，而是对航迹相应的每帧分辨单元进行幅值更新去除目标能量的扩散，在多目标做临近交叉运动时相比航迹重叠法、方向直方图统计法能更准确地提取目标航迹；
(2)、本发明幅值更新方法相对于传统的分辨单元幅值置零操作，避免了多目标航迹分辨单元重合导致的单帧目标幅值丢失问题。
(3)、本发明通过对相邻航线偏离角以及多帧航线偏离角分别设置阈值，能更稳健地剔除杂波噪声引起的干扰航迹。
(4)、本发明每次只提取一个目标航迹，同时更新相应分辨单元幅值，避免了多目标临近、交叉运动时航迹之间的干扰，因此可以在多目标观测环境中获得准确的目标航迹估计结果。
附图说明
图1为“多帧联合航迹处理方法研究”处理流程；
图2为本发明实施例经过10帧观测数据进行航迹回溯得到目标航迹候选集合；
图3为本发明实施例利用航迹重叠结合方向直方图统计法的航迹处理结果；
图4为本发明实施例本发明所提出的算法得到的航迹处理结果。
具体实施方式
下面对本发明实施及效果作进一步的详细描述。
本发明可应用于存在杂波噪声的多目标环境中，通过更新各帧分辨单元幅值分别去除由目标能量扩散和杂波噪声点引起的虚假航迹，解决由目标能量扩散、强噪声等引起的虚假目标航迹干扰问题，如图1所示，其具体实现步骤如下：
(1)、根据K帧观测数据以及目标运动模型，进行航迹回溯，得到所有疑似目标航迹，每帧观测数据包括雷达观测区域中每个分辨单元的位置坐标、速度和幅度信息，每条疑似目标航迹由K帧观测数据中对应的K个观测数据组成；
(2)、将信号幅度累积值超过预设能量检测门限的所有疑似目标航迹，作为候选目标航迹，得到候选目标航迹集合，K≥1；
(3)、从候选目标航迹集合中，找到信号幅度累积值最大的航迹，保存为目标航迹并输出，之后进入步骤(4)；
(4)、剔除目标航迹以及目标能量扩散引起的虚假航迹，更新候选目标航迹集合，之后进入步骤(5)；
目标能量扩散引起的虚假航迹是由目标和噪声共同组成的虚假航迹，本发明通过检索与目标航迹重叠于L个分辨单元以上的航迹来确定，L≥K/2。
步骤(3)和步骤(4)中具体的剔除航迹的方法为：
计算待剔除航迹上目标信号幅值均值，将待剔除航迹各观测数据中目标信号幅值与均值作差，如果差值为负，则将该观测数据中目标信号幅度更新为零，否则，将该观测数据中目标信号幅度更新为原目标信号幅度与累积值均值的差值。
步骤(4)杂波噪声引起的干扰航迹通过如下步骤确定：
(4.1)、统计候选目标航迹相邻两个观测点之间的航线偏离角度，如果超过R个观测点的航线偏离角大于第一偏离角阈值，所述第一偏离角阈值大于等于π/4，则认定该候选目标航迹是杂波噪声引起的干扰航迹，否则，执行步骤(4.2)，R大于等于[(K/4)+0.5]，[]为取整计算；
目标在第i个观测点的航迹方向矢量与目标在第i-1帧观测点的航迹方向矢量之间的夹角，目标在第i个观测点的航迹方向矢量为(xi-xi-1,yi-yi-1),i∈[2,K]，(xi,yi)为第i个观测数据内目标所在雷达观测区域中分辨单元的位置坐标，(xi-1,yi-1)为第i-1个观测数据内目标所在雷达观测区域中分辨单元的位置坐标。
(4.2)、统计候选目标航迹K个观测点累计航线偏离角度，若K个观测点累计航线偏离角度大于第二偏离角阈值，所述第二偏离角阈值大于等于π×K/6，则认定该候选目标航迹是杂波噪声引起的干扰航迹，否则，该候选目标航迹不是杂波噪声引起的干扰航迹。
(5)、剔除杂波噪声引起的干扰航迹，更新候选目标航迹集合，之后，进入步骤(6)；
(6)、在更新后的候选目标航迹集合中，寻找候选目标航迹中信号幅度累积值最大的航迹，如果该航迹中目标信号幅度累积值小于预设能量检测门限，则结束，否则，将该航迹作为新的目标航迹，重新执行步骤(4)～(6)。
所述步骤(2)和步骤(6)中能量检测门限根据目标航迹检测的虚警率要求确定。
下面通过仿真实验对本发明的效果做进一步说明：
仿真参数设置如下：
为了验证所提算法的有效性，仿真中令目标1、目标2做匀速交叉运动。两个目标的初始状态分别为[10,2,10,2.5]、[10,-2,40,2.5]，分别代表X坐标、X方向速度、Y坐标、Y方向速度。积累帧数K＝10，能量检测门限T设为20，噪声服从标准正态分布，信噪比为6dB。假设各目标幅度均恒定不变，且与信噪比之间满足SNR＝10lg(A2/σ2)，其中A为目标幅度，σ为噪声标准差。
图2是经过10帧观测数据进行航迹回溯得到目标航迹候选集合。图3和图4分别是利用航迹重叠结合方向直方图统计法以及本发明所提出的算法得到的航迹处理结果，图中“°”代表目标真实航迹，“*”代表雷达检测航迹，可以看出，采用航迹重叠结合方向直方图统计法识别出一条虚假轨迹出来，本发明所提出的算法能更准确地提取交叉目标航迹，避免航迹间相互干扰。
仿真结论：仿真结果表明，相比航迹重叠结合方向直方图统计法，所提算法能更准确地提取目标航迹，可以有效去除由目标能量扩散和杂波噪声点引起的虚假航迹，仿真结果验证了所提算法的有效性。
本说明书中未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种多帧联合目标航迹识别方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)、根据K帧观测数据以及目标运动模型，进行航迹回溯，得到所有疑似目标航迹，每帧观测数据包括雷达观测区域中每个分辨单元检测到的目标位置坐标、速度和目标信号幅度信息，每条疑似目标航迹由K帧观测数据中对应的K个观测数据组成；
(2)、将目标信号幅度累积值超过预设能量检测门限的所有疑似目标航迹，作为候选目标航迹，得到候选目标航迹集合，K≥1；
(3)、从候选目标航迹集合中，找到目标信号幅度累积值最大的航迹，保存为目标航迹并输出，之后进入步骤(4)；
(4)、剔除目标航迹以及目标能量扩散引起的虚假航迹，更新候选目标航迹集合，之后进入步骤(5)；
(5)、剔除杂波噪声引起的干扰航迹，更新候选目标航迹集合，之后，进入步骤(6)；
(6)、在更新后的候选目标航迹集合中，寻找候选目标航迹中目标信号幅度累积值最大的航迹，如果该航迹中目标信号幅度累积值小于预设能量检测门限，则结束，否则，将该航迹作为新的目标航迹，重新执行步骤(4)～(6)。
2.根据权利要求1所述的一种多帧联合目标航迹识别方法，其特征在于所述能量检测门限根据目标航迹检测的虚警率要求确定。
3.根据权利要求1所述的一种多帧联合目标航迹识别方法，其特征在于所述步骤(4)具体的剔除航迹的方法为：
计算待剔除航迹上目标信号幅值均值，将待剔除航迹各观测数据中目标信号幅值与均值作差，如果差值为负，则将该观测数据中目标信号幅度更新为零，否则，将该观测数据中目标信号幅度更新为原目标信号幅度与累积值均值的差值。
4.根据权利要求1所述的一种多帧联合目标航迹识别方法，其特征在于所述目标能量扩散引起的虚假航迹为与目标航迹重叠于L个分辨单元以上的航迹，L≥K/2。
5.根据权利要求1所述的一种多帧联合目标航迹识别方法，其特征在于所述步骤(5)中杂波噪声引起的干扰航迹通过如下步骤确定：
(5.1)、统计候选目标航迹相邻两个观测点之间的航线偏离角度，如果超过R个观测点的航线偏离角大于第一偏离角阈值，则认定该候选目标航迹是杂波噪声引起的干扰航迹，否则，执行步骤(5.2)；
(5.2)、统计候选目标航迹K个观测点累计航线偏离角度，若K个观测点累计航线偏离角度大于第二偏离角阈值，则认定该候选目标航迹是杂波噪声引起的干扰航迹，否则，该候选目标航迹不是杂波噪声引起的干扰航迹。
6.根据权利要求5所述的一种多帧联合目标航迹识别方法，其特征在于所述航线偏离角度为：目标在第i个观测点的航迹方向矢量与目标在第i-1帧观测点的航迹方向矢量之间的夹角，目标在第i个观测点的航迹方向矢量为(xi-xi-1，yi-yi-1)，i∈[2，K]，(xi，yi)为第i个观测数据内目标所在雷达观测区域中分辨单元的位置坐标，(xi-1，yi-1)为第i-1个观测数据内目标所在雷达观测区域中分辨单元的位置坐标。
7.根据权利要求5所述的一种多帧联合目标航迹识别方法，其特征在于所述观测点个数R大于等于[(K/4)+0.5]，[]为取整计算。
8.根据权利要求5所述的一种多帧联合目标航迹识别方法，其特征在于所述第一偏离角阈值大于等于π/4。
9.根据权利要求5所述的一种多帧联合目标航迹识别方法，其特征在于第二偏离角阈值大于等于π×K/6。
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