CN110726989A - 一种分时多频外辐射源雷达多目标跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分时多频外辐射源雷达多目标跟踪方法，其中，分时多频系统利用一个接收站依次获取多个不同频率发射站的目标回波信号。所述方法包括外推双基地跟踪和笛卡尔跟踪，其中，外推双基地跟踪一方面去除了大量虚警，降低了后续处理计算量；另一方面，基于外推双基地航迹状态，利用卡尔曼滤波器的预测能力实现不同发射站的外推双基地航迹的时间对齐。笛卡尔跟踪中，分为笛卡尔航迹起始和笛卡尔航迹维持，外推双基地跟踪关联上的原始量测用于笛卡尔航迹维持，剩余的未与原始量测关联上的外推双基地航迹的最新状态用于笛卡尔航迹起始。本发明方法简化了系统硬件复杂度，同时跟踪性能接近多收多发系统融合结果，具有推广应用价值。

Description

一种分时多频外辐射源雷达多目标跟踪方法

技术领域

本发明属于雷达数据处理领域，涉及多传感器多目标跟踪方法，具体涉及一种分时多频外辐射源雷达的多目标跟踪方法。

背景技术

外辐射源雷达(又称无源雷达)是一种利用第三方发射的电磁信号进行目标探测的雷达体制，其自身不发射信号，省去了发射机部分，因而系统成本得到降低，且隐蔽性好。传统双基地外辐射源雷达探测目标时，接收站仅工作在一个频率上，所获得的信息较为单一，且在测角方面精度较低(部分系统甚至没有测角能力)，导致其在定位跟踪方面精度受限。

另一方面，随着数字广播电视大规模推广，发展出了两种组网技术，分别是单频网技术(Single Frequency Network，缩写SFN)和多频网技术(Multiple FrequencyNetwork，缩写MFN)，目前两种技术都广泛应用于数字广播电视组网覆盖。为避免站间互扰，多频网技术利用多个工作在不同频率的发射台实现某一区域的多频覆盖，保证每个数字广播电视频道准确无误的传播。传统的外辐射源雷达网会针对每个频率单独建立相应的接收站，通过多个频率的发射-接收组合获得目标的空间分集信息，实现目标的高精度定位跟踪。但多个接收站的建立，不仅价格昂贵，且多接收站之间的通信增加了系统的复杂性。

为了实现单接收站外辐射源雷达高精度目标跟踪的目的，本发明提出了一种分时多频外辐射源雷达多目标跟踪方法，在保证系统性能的同时尽可能降低系统成本与复杂度。本发明方法引入了外推双基地跟踪模块，基于不同时刻各收发对内的量测信息，预测出所有时刻的目标量测信息，完成各收发对量测信息在时间上的对齐。本发明方法在单接收站情况下，利用少量信息获得了目标的空间分集特性，实现了目标的高精度定位跟踪。

发明内容

为了实现多频网下单接收站的高精度目标跟踪，本发明提出了一种分时多频外辐射源雷达多目标跟踪方法。

本发明所提的分时多频外辐射源雷达多目标跟踪方法，其特征在于，分时多频外辐射源雷达系统包含一个接收站和多个工作在不同频率不同位置的发射站，接收站按设定顺序依次工作在不同频率，接收来自不同发射站的目标回波信号，所述跟踪方法引入外推双基地跟踪模块，具体包括以下步骤：

一种分时多频外辐射源雷达多目标跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、外推双基地航迹跟踪：对当前时刻有效收发对内的外推双基地航迹进行滤波，对当前时刻无效收发对内的外推双基地航迹进行预测，获得所有外推双基地航迹最新状态；

步骤2、笛卡尔航迹跟踪：对步骤1中与外推双基地航迹关联上的原始双基地量测，进行与笛卡尔航迹的关联与滤波，完成笛卡尔航迹维持；对剩余的外推双基地航迹最新状态，进行量测互联，完成笛卡尔航迹起始。

在上述的分时多频外辐射源雷达多目标跟踪方法，所述步骤1具体包括：

步骤1.1、对当前时刻有效收发对内的双基地量测数据，进行与有效收发对内的外推双基地航迹的关联与滤波，获得外推双基地航迹最新状态，并对未关联上的双基地量测数据进行外推双基地航迹的起始；

步骤1.2、对当前时刻无效收发对内的外推双基地航迹，进行状态一步预测，获得外推双基地航迹最新状态；

在上述的分时多频外辐射源雷达多目标跟踪方法，所述步骤2具体包括：

步骤2.1：对步骤1.1中与当前时刻有效收发对的外推双基地航迹关联上的原始双基地量测，进行与笛卡尔航迹的关联与滤波，完成笛卡尔航迹维持；

步骤2.2：对步骤1.1中未与原始量测关联上的外推双基地航迹和步骤1.2 中所有的外推双基地航迹，利用其最新状态，进行量测互联，生成二次量测；

步骤2.3：以步骤2.2中生成的二次量测为输入，进行笛卡尔航迹起始。

在上述的分时多频外辐射源雷达多目标跟踪方法，步骤1.1中所述的当前时刻k与有效收发对编号n满足n＝mod(k-1,N_t)+1，且N_t≥2，仅有一个接收站情况下，收发对编号与发射站编号等价。对于时刻k，仅收到来自于收发对n的量测，利用当前时刻有效收发对的量测完成外推双基地跟踪。其具体实现包括以下步骤：

步骤1.11：根据当前时刻k与收发对总个数N_t，确定当前时刻有效收发对编号为n；

步骤1.12：利用有效收发对n内所有外推双基地维持航迹在时刻k-1的状态，和当前时刻k的所有双基地量测，进行关联与滤波，对未关联上量测的外推双基地维持航迹进行航迹终结判断，并保存所有与外推双基地维持航迹关联上的量测Z_n(k)，送入后续处理步骤；

步骤1.13：利用有效收发对n内所有外推双基地起始航迹在时刻k-1的状态和步骤1.12中的未关联上的剩余双基地量测，进行关联与滤波，并根据

M/((N-1)N_t+1)逻辑法将确认的外推双基地起始航迹转化为外推双基地维持航迹，保存步骤1.12和步骤1.13中所有外推双基地维持航迹的最新状态

送入后续处理步骤；

步骤1.14：将上述步骤的剩余量测作为外推双基地航迹头，进行外推双基地航迹起始。

在上述的分时多频外辐射源雷达多目标跟踪方法，步骤2的具体实现包括以下步骤：

步骤1.2中所述的当前时刻k与无效收发对编号m满足m≠mod(k-1,N_t)+1，且N_t≥2,m＝1,2,...,N_t,m≠n，其中n为当前时刻有效收发对编号，对于时刻k，除了收发对n外的其他收发对都未收到双基地量测，无效收发对个数为N_t-1，因此，依次利用无效收发对m(m＝1,2,...,N_t,m≠n)内所有外推双基地维持航迹在时刻 k-1的状态，进行一步状态预测，获得当前时刻所有无效收发对的外推双基地航迹最新预测状态

在上述的分时多频外辐射源雷达多目标跟踪方法，步骤2.1的具体实现包括以下步骤：

设当前时刻k的有效收发对编号为n，时刻k-1的笛卡尔维持航迹的状态为 X(k-1)＝[x₁,x₂,...,x_M]，其在时刻k的航迹预测状态为X(k|k-1)；

步骤2.11：将当前时刻航迹预测状态X(k|k-1)转换到有效收发对n的外推双基地坐标内，转换后的预测量测表示为Z_n(k|k-1)；

步骤2.12：对当前时刻的预测量测Z_n(k|k-1)与步骤1中关联上的原始量测 Z_n(k)进行关联；

步骤2.13：通过非线性滤波方法，利用关联上的有效收发对n内的量测对该维持航迹进行滤波更新，获得当前时刻笛卡尔航迹状态X(k)，并对未关联上任何量测的维持航迹进行终结判断。

在上述的分时多频外辐射源雷达多目标跟踪方法，步骤2.2的具体实现步骤为：对步骤1.1中未与原始量测关联上的外推双基地航迹和步骤1.2中所有的外推双基地航迹，利用其最新状态

进行不同收发对之间的量测互联，对所有关联假设进行判决，构造联合检验统计量，构造联合检验统计量具体包括：

步骤A、选取两个及以上的量测与收发对关联构造低维度关联假设；

步骤B、对步骤A所得的所有关联假设进行快速判决，虽然联合检验统计量并不严格服从卡方分布，但可通过对目标轨迹的蒙特卡洛仿真，获取其概率密度函数曲线，依据对应的累积分布函数曲线可确定其判决门限，因此通过适当调整判决门限，可保证正确关联概率；

步骤C、整理步骤B被接受的关联假设，构成候选目标组；

步骤D、对任意候选目标组，设所涉及的候选目标个数为P、发射站个数为N′_t、接收站个数为N′_r，接收站n_r，n_r＝1,2,…,N′_r中涉及的量测个数为

定义关联变量

为

其中，

表示空量测，即为漏检，p＝0表示空候选目标，即为虚警；定义

为关联变量对应的关联代价。

基于候选目标组构造单频网全局关联模型如下

其中，变量δ_p表征候选目标p是否保留，δ_p＝1表示保留，δ_p＝1表示不保留。

上述问题转变为标准的低维数据关联问题，可通过线性规划方法求解，得二次量测，此过程可去除通过判决的误关联组合。

本发明所提分时多频外辐射源雷达多目标跟踪方法的优势在于其出色的实用性能：仅利用一个接收站，便可实现目标高精度定位跟踪，性能接近于工作于不同频率的多个共置接收站的融合结果，降低成本的同时性能损失不大；利用卡尔曼滤波器的预测能力解决了各收发对量测信息的异步问题；外推双基地跟踪，不仅排除了大量虚假目标，为后续处理降低了计算量，同时完成了各收发对量测信息同步问题，满足实时工作需求。

附图说明

图1为本发明的实施原理流程图。

图2为本发明实施例的多目标跟踪场景。

图3为实施例中多目标跟踪的仿真统计结果。

图4为实施例中采用本发明跟踪方法所得的航迹。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本发明所提出的分时多频外辐射源雷达多目标跟踪方法包括以下步骤：

步骤1：对当前时刻有效收发对内的双基地量测数据，进行与有效收发对内的外推双基地航迹的关联与滤波，获得外推双基地航迹最新状态，并对未关联上的双基地量测数据进行外推双基地航迹的起始；

步骤2：对当前时刻无效收发对内的外推双基地航迹，进行状态一步预测，获得外推双基地航迹最新状态；

步骤3：对步骤1中与当前时刻有效收发对的外推双基地航迹关联上的原始双基地量测，进行与笛卡尔航迹的关联与滤波，完成笛卡尔航迹维持；

步骤4：对步骤1中未与原始量测关联上的外推双基地航迹和步骤2中所有的外推双基地航迹，利用其最新状态，进行量测互联，生成二次量测；

步骤5：以步骤4中生成的二次量测为输入，进行笛卡尔航迹起始。

本实施例中，多目标跟踪场景如图2所示。分时多频外辐射源雷达系统中包括3个发射站和1个接收站，分别记为Tx1，Tx2，Tx3和Rx，3个发射站分别位于3个位置且工作在3个不同的频率上，发射的是带宽为7.5MHz的数字电视广播信号。3个目标的航迹如图2中所示，目标1和目标2距离接收站较近，且航迹在某一时刻交叉，目标3距离接收站较远。不考虑高度信息，仅考虑二维情况。此外，量测中包含双基距离、双基速度和方位角信息，但方位角精度较低。

对于当前时刻有效收发对内的双基地量测进行外推双基地跟踪。其具体实现包括以下步骤：

步骤1.1：根据当前时刻k与收发对总个数N_t，确定当前时刻有效收发对编号为n；

步骤1.2：利用有效收发对n内所有外推双基地维持航迹在时刻k-1的状态，和当前时刻k的所有双基地量测，进行关联与滤波，对未关联上量测的外推双基地维持航迹进行航迹终结判断，并保存所有与外推双基地维持航迹关联上的量测Z_n(k)，送入后续处理步骤；

步骤1.3：利用有效收发对n内所有外推双基地起始航迹在时刻k-1的状态，和步骤1.2中的未关联上的剩余双基地量测，进行关联与滤波，并根据

M/((N-1)N_t+1)逻辑法将确认的外推双基地起始航迹转化为外推双基地维持航迹，并保存步骤1.2和步骤1.3中所有外推双基地维持航迹的最新状态

送入后续处理步骤；

步骤1.4：将上述步骤的剩余量测作为外推双基地航迹头，进行外推双基地航迹起始。

步骤2中所述的当前时刻k与无效收发对编号m满足m≠mod(k-1,N_t)+1，且 N_t≥2,m＝1,2,...,N_t,m≠n，其中n为当前时刻有效收发对编号，对于时刻k，除了收发对n外的其他收发对都未收到双基地量测，无效收发对个数为N_t-1，因此，依次利用无效收发对m(m＝1,2,...,N_t,m≠n)内所有外推双基地维持航迹在时刻k-1 的状态，进行一步状态预测，获得当前时刻所有无效收发对的外推双基地航迹最新预测状态

设当前时刻k的有效收发对编号为n，时刻k-1的笛卡尔维持航迹的状态为 X(k-1)＝[x₁,x₂,...,x_M]，其在时刻k的航迹预测状态为X(k|k-1)；

步骤3.1：将当前时刻航迹预测状态X(k|k-1)转换到有效收发对n的外推双基地坐标内，转换后的预测量测表示为Z_n(k|k-1)；

步骤3.2：对当前时刻的预测量测Z_n(k|k-1)与步骤1中关联上的量测Z_n(k) 进行关联；

步骤3.3：通过非线性滤波方法，利用每条笛卡尔航迹关联上的有效收发对 n内的量测对该维持航迹进行滤波更新，获得当前时刻笛卡尔航迹X(k)，并对未关联上任何量测的维持航迹进行终结判断。

步骤4的具体实现步骤为：对步骤1中未与原始量测关联上的外推双基地航迹和步骤2中所有的外推双基地航迹，利用其最新状态

进行不同收发对之间的量测互联，对所有关联假设进行判决，构造联合检验统计量，此处联合检验统计量并不严格服从卡方分布，因此通过适当提高判决门限的方式，保证正确关联概率，而误关联的组合通过后续的全局关联和笛卡尔航迹起始去除。具体过程参照武汉大学万显荣和易建新等于2015年1月提交申请的一种单频网雷达多目标跟踪方法的发明专利(一种单频网雷达多目标跟踪方法，专利号ZL201510015901.2)应用到非单频网的情况，此处不再详述。

本发明的效果可通过以下实施例仿真实验进行验证。

仿真中，设双基地距离精度为40m，双基地速度精度为1m/s，方位角精度为3°，目标检测概率为0.9，虚警数满足均值为50的泊松分布，虚警在观测域内均匀分布，进行100次蒙特卡罗仿真统计跟踪指标，采用最优子模式分配 (Optimal subpattern assignment，缩写OSPA)距离作为多目标跟踪评估指标， OSPA距离越小，目标跟踪性能越优。

图3给出了仿真统计结果，其中单发单收系统包含Tx2和Rx，三发三收系统包含3个发射站和3个接收站，3个发射站为上述Tx1、Tx2和Tx3，工作于 3个频率，3个接收站共置一处，位置与Rx相同，且3个接收站分别工作于3 个频率，分别接收来自于Tx1、Tx2和Tx3的信号，所用目标跟踪方法为发明专利(一种单频网雷达多目标跟踪方法，专利号ZL201510015901.2)中所提的方法。从图3可知，分时多频系统性能明显优于单发单收系统，且收到的信息量仅有多发多收系统的三分之一，但其性能却接近多发多收系统。

图4给出了本发明方法跟踪所得的航迹，同时给出真实航迹进行对比，为方便观察，每条跟踪航迹的末端用一个方框作为标记。跟踪航迹与真实航迹基本重合，验证了本发明在分时多频外辐射源雷达多目标跟踪中的优良性能。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种分时多频外辐射源雷达多目标跟踪方法，其特征在于，分时多频外辐射源雷达系统包含一个接收站和多个工作在不同频率不同位置的发射站，接收站按设定顺序依次工作在不同频率，接收来自不同发射站的目标回波信号，所述跟踪方法包括以下步骤：

步骤1、外推双基地航迹跟踪：对当前时刻有效收发对内的外推双基地航迹进行滤波，对当前时刻无效收发对内的外推双基地航迹进行预测，获得所有外推双基地航迹最新状态；

步骤2、笛卡尔航迹跟踪：对步骤1中与外推双基地航迹关联上的原始双基地量测，进行与笛卡尔航迹的关联与滤波，完成笛卡尔航迹维持；对剩余的外推双基地航迹最新状态，进行量测互联，完成笛卡尔航迹起始。

2.根据权利要求1所述的一种分时多频外辐射源雷达多目标跟踪方法，其特征在于：所述步骤1具体包括：

步骤1.1、对当前时刻有效收发对内的双基地量测数据，进行与有效收发对内的外推双基地航迹的关联与滤波，获得外推双基地航迹最新状态，并对未关联上的双基地量测数据进行外推双基地航迹的起始；

步骤1.2、对当前时刻无效收发对内的外推双基地航迹，进行状态一步预测，获得外推双基地航迹最新状态。

3.根据权利要求1所述的一种分时多频外辐射源雷达多目标跟踪方法，其特征在于：所述步骤2具体包括：

步骤2.1：对步骤1.1中与当前时刻有效收发对的外推双基地航迹关联上的原始双基地量测，进行与笛卡尔航迹的关联与滤波，完成笛卡尔航迹维持；

步骤2.2：对步骤1.1中未与原始量测关联上的外推双基地航迹和步骤1.2中所有的外推双基地航迹，利用其最新状态，进行量测互联，生成二次量测；

步骤2.3：以步骤2.2中生成的二次量测为输入，进行笛卡尔航迹起始。

4.根据权利要求1所述的分时多频外辐射源雷达多目标跟踪方法，其特征在于：步骤1.1中所述的当前时刻k与有效收发对编号n满足n＝mod(k-1,N_t)+1，且N_t≥2，仅有一个接收站情况下，收发对编号与发射站编号等价；对于时刻k，仅收到来自于收发对n的量测，利用当前时刻有效收发对的量测完成外推双基地跟踪；其具体实现包括以下步骤：

步骤1.11：根据当前时刻k与收发对总个数N_t，确定当前时刻有效收发对编号为n；

步骤1.12：利用有效收发对n内所有外推双基地维持航迹在时刻k-1的状态，和当前时刻k的所有双基地量测，进行关联与滤波，对未关联上量测的外推双基地维持航迹进行航迹终结判断，并保存所有与外推双基地维持航迹关联上的量测Z_n(k)，送入后续处理步骤；

步骤1.13：利用有效收发对n内所有外推双基地起始航迹在时刻k-1的状态和步骤1.12中的未关联上的剩余双基地量测，进行关联与滤波，并根据

M/((N-1)N_t+1)逻辑法将确认的外推双基地起始航迹转化为外推双基地维持航迹，保存步骤1.12和步骤1.13中所有外推双基地维持航迹的最新状态

送入后续处理步骤；

步骤1.14：将上述步骤的剩余量测作为外推双基地航迹头，进行外推双基地航迹起始。

5.根据权利要求1所述的分时多频外辐射源雷达多目标跟踪方法，其特征在于，步骤2的具体实现包括以下步骤：

步骤1.2中所述的当前时刻k与无效收发对编号m满足m≠mod(k-1,N_t)+1，且N_t≥2,m＝1,2,...,N_t,m≠n，其中n为当前时刻有效收发对编号，对于时刻k，除了收发对n外的其他收发对都未收到双基地量测，无效收发对个数为N_t-1，因此，依次利用无效收发对m(m＝1,2,...,N_t,m≠n)内所有外推双基地维持航迹在时刻k-1的状态，进行一步状态预测，获得当前时刻所有无效收发对的外推双基地航迹最新预测状态

6.根据权利要求1所述的分时多频外辐射源雷达多目标跟踪方法，其特征在于，步骤2.1的具体实现包括以下步骤：

设当前时刻k的有效收发对编号为n，时刻k-1的笛卡尔维持航迹的状态为X(k-1)＝[x₁,x₂,...,x_M]，其在时刻k的航迹预测状态为X(k|k-1)；

步骤2.11：将当前时刻航迹预测状态X(k|k-1)转换到有效收发对n的外推双基地坐标内，转换后的预测量测表示为Z_n(k|k-1)；

步骤2.12：对当前时刻的预测量测Z_n(k|k-1)与步骤1中关联上的原始量测Z_n(k)进行关联；

步骤2.13：通过非线性滤波方法，利用关联上的有效收发对n内的量测对该维持航迹进行滤波更新，获得当前时刻笛卡尔航迹状态X(k)，并对未关联上任何量测的维持航迹进行终结判断。

7.根据权利要求1所述的分时多频外辐射源雷达多目标跟踪方法，其特征在于：步骤2.2的具体实现步骤为：对步骤1.1中未与原始量测关联上的外推双基地航迹和步骤1.2中所有的外推双基地航迹，利用其最新状态

进行不同收发对之间的量测互联，对所有关联假设进行判决，构造联合检验统计量，构造联合检验统计量具体包括：

步骤A、选取两个及以上的量测与收发对关联构造低维度关联假设；

步骤B、对步骤A所得的所有关联假设进行快速判决，虽然联合检验统计量并不严格服从卡方分布，但可通过对目标轨迹的蒙特卡洛仿真，获取其概率密度函数曲线，依据对应的累积分布函数曲线可确定其判决门限，因此通过适当调整判决门限，可保证正确关联概率；

步骤C、整理步骤B被接受的关联假设，构成候选目标组；

步骤D、对任意候选目标组，设所涉及的候选目标个数为P、发射站个数为N′_t、接收站个数为N′_r，接收站n_r，n_r＝1,2,…,N′_r中涉及的量测个数为

定义关联变量

为

n_t＝1,…,N′_t，p＝0,1,…,P，n_r＝1,…,N′_r

其中，

表示空量测，即为漏检，p＝0表示空候选目标，即为虚警；定义为关联变量

对应的关联代价；

基于候选目标组构造单频网全局关联模型如下

其中，变量δ_p表征候选目标p是否保留，δ_p＝1表示保留，δ_p＝1表示不保留。

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