JP2013120127A - Target tracking device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、FM変調(周波数変調)型のレーダにより得られるビート周波数の観測値から目標の運動諸元(目標の位置、速度など)を推定する目標追尾装置に関するものである。 The present invention relates to a target tracking device that estimates target motion parameters (target position, velocity, etc.) from observed beat frequency values obtained by an FM modulation (frequency modulation) type radar.
例えば、レーダ等のセンサシステムでは、目標の位置を観測するセンサより得られる観測値の時系列から目標の有無を判定し、目標が存在すれば、目標の位置や速度を推定する追尾処理によって目標航跡を抽出することが必要になる場合がある。
センサより得られる観測値を用いて、目標を追尾する技術は、多くの論文や特許文献などで取り挙げられており、それらを実現する装置や方法についても、様々な提案がなされている。
For example, in a sensor system such as a radar, the presence or absence of a target is determined from a time series of observation values obtained from a sensor that observes the target position, and if a target exists, the target is detected by a tracking process that estimates the target position and speed. It may be necessary to extract the wake.
Techniques for tracking targets using observation values obtained from sensors have been taken up in many papers and patent documents, and various proposals have been made for devices and methods for realizing them.
レーダからは、目標の観測値の他に、目標以外の反射信号に起因するクラッタが得られる。
このクラッタを用いて、目標の追尾処理を行うと、誤った運動諸元の推定値が算出されてしまうため、このクラッタを除去する必要がある。
このクラッタを除去する方法として、レーダからパルスを高頻度に送信させながら、追尾処理の前段の信号処理で周波数解析を行うことで、目標とクラッタを区別するパルスドップラ方式が知られている。
From the radar, clutter caused by reflected signals other than the target is obtained in addition to the observed value of the target.
When target tracking processing is performed using this clutter, an estimated value of an incorrect motion specification is calculated, and it is necessary to remove this clutter.
As a method for removing this clutter, there is known a pulse Doppler method for discriminating between a target and a clutter by performing frequency analysis by signal processing before the tracking process while transmitting pulses from a radar at a high frequency.
レーダの送信信号をパルス状の信号とするレーダ方式では、図8に示すように、送信パルスと受信パルスの時間差から、目標の距離情報を算出することができる。以下、目標の距離情報を「PRI内距離」と称する。
ただし、高頻度でパルスを送信する場合、受信される複数のパルスが、どの送信パルスに対応するものであるかを特定することができず、目標の距離情報であるPRI内距離に複数の候補が発生する。
複数の候補が発生することはアンビギュイティと呼ばれ、PRI内距離にアンビギュイティが発生すると、信号処理の後段にある追尾処理では、PRI内距離の観測値を利用することができない。
In the radar system in which the radar transmission signal is a pulse signal, target distance information can be calculated from the time difference between the transmission pulse and the reception pulse, as shown in FIG. Hereinafter, the target distance information is referred to as “in-PRI distance”.
However, when pulses are transmitted at a high frequency, it is impossible to specify which transmitted pulse corresponds to which transmitted pulse, and there are a plurality of candidates in the PRI distance, which is target distance information. Will occur.
The occurrence of a plurality of candidates is called ambiguity. When ambiguity occurs in the PRI intra-distance, the observed value of the PRI intra-distance cannot be used in the tracking process in the latter stage of the signal processing.
レーダの送信波形の一つとして、図9に示すように、周波数を時間に対して直線的に変化させるFM変調がある。
この送信波形を適用した場合の同一時刻における送受信波の周波数の違いは、ビート周波数と呼ばれ、このビート周波数fbkは、下記の式(1)に示すように、目標の距離と距離変化率の一次結合であるため、ドップラ周波数から決まる距離変化率を代入することで、目標の距離が得られる。
式(1)において、Rkは第kサンプリング時刻における目標の距離、Rkドット(ここでは、電子出願の都合上、Rの上部に・の記号を表記することができないため、Rkドットのように表記している)は第kサンプリング時刻における目標の距離変化率である。
また、BはFM変調の帯域幅、cは光速、Tは観測時間、f0は送信周波数である。
As one of the transmission waveforms of the radar, there is FM modulation that changes the frequency linearly with respect to time, as shown in FIG.
The difference in the frequency of the transmitted and received waves at the same time when this transmission waveform is applied is called the beat frequency, and this beat frequency fb k is the target distance and the distance change rate as shown in the following equation (1). Therefore, the target distance can be obtained by substituting the distance change rate determined from the Doppler frequency.
In Equation (1), R k is a target distance at the k-th sampling time, R k dots (here, because of the electronic application, the symbol of • cannot be expressed above R, so that R k dots Is the target distance change rate at the k-th sampling time.
B is the FM modulation bandwidth, c is the speed of light, T is the observation time, and f 0 is the transmission frequency.
ここでは、この送信波形を適用した場合に得られる複数スキャンのビート周波数fbkから目標の距離と距離変化率を算出することを考える。
このビート周波数fbkの観測値を用いて、カルマンフィルタによって目標の距離と距離変化率を推定する方式が以下の特許文献1に開示されている。
この方式は、図10に示すような装置構成によって、本出願の発明が前提とするパルス繰り返し周波数が高いレーダに適用することができる。
Here, it is considered to calculate the target distance and the distance change rate from the beat frequencies fb k of a plurality of scans obtained when this transmission waveform is applied.
A method for estimating a target distance and a distance change rate by a Kalman filter using an observed value of the beat frequency fb k is disclosed in Patent Document 1 below.
This method can be applied to a radar having a high pulse repetition frequency, which is the premise of the invention of the present application, with a device configuration as shown in FIG.
この方式では、最初に、初期2サンプリング時刻分のビート周波数の観測値zfb0,zfb1から以下の連立方程式を解くことにより、目標の距離及び距離変化率の初期推定値を算出する。
ただし、Δtはサンプリング間隔である。上記の例では、サンプリング間隔分の時間内での目標の距離変化率の変化が極めて小さいと仮定している。
In this method, first, an initial estimated value of the target distance and distance change rate is calculated by solving the following simultaneous equations from the observed values zfb 0 and zfb 1 of the beat frequency for the initial two sampling times.
However, Δt is a sampling interval. In the above example, it is assumed that the change in the target distance change rate within the time corresponding to the sampling interval is extremely small.
上記の初期推定値を出発点として、ビート周波数の観測値zfbkが得られる度に、カルマンフィルタを用いて推定値を更新する。
このカルマンフィルタの状態変数は以下の通りである。
初期の推定値である式(4)の各成分は式(2)(3)の連立方程式の解であるため、初期2サンプリング時刻のビート周波数の観測値zfb0,zfb1の線形結合となる。
このため、以降のカルマンフィルタに基づく処理で必要となる推定誤差共分散行列の初期値P1(+)の各成分は、ビート周波数の観測誤差標準偏差より算出することができる。
The estimated value is updated using the Kalman filter every time an observed value zfb k of the beat frequency is obtained using the initial estimated value as a starting point.
The state variables of this Kalman filter are as follows.
Since each component of the equation (4), which is the initial estimated value, is a solution of the simultaneous equations of the equations (2) and (3), it becomes a linear combination of the observed values zfb 0 and zfb 1 of the beat frequency at the initial two sampling times. .
For this reason, each component of the initial value P 1 (+) of the estimated error covariance matrix required for the subsequent processing based on the Kalman filter can be calculated from the observation error standard deviation of the beat frequency.
以下、サンプリング時刻k(≧2)のビート周波数fbkを用いた推定値の更新処理について説明する。
推定値の更新処理では予測処理を行うが、カルマンフィルタでは以下の状態遷移モデルを仮定する。
ただし、Φkは状態遷移行列であり、下記の式(6)で定義される。
また、wkは運動に加わる外乱であり、以下の共分散を持つガウス分布に従うものとする。
ただし、Qkは事前に設定されるパラメータである。
Hereinafter, the update process of the estimated value using the beat frequency fb k at the sampling time k (≧ 2) will be described.
The estimation value update process performs a prediction process, but the Kalman filter assumes the following state transition model.
However, (PHI) k is a state transition matrix and is defined by the following formula | equation (6).
W k is a disturbance applied to the motion, and follows a Gaussian distribution having the following covariance.
However, Q k is a parameter set in advance.
上記の状態遷移モデルに基づき、サンプリング時刻k(≧2)の予測値xk(−)ハット(ここでは、電子出願の都合上、xの上部に^の記号を表記することができないため、xハットのように表記している)は、下記の式(8)に示すように、1つ前のサンプリング時刻k−1の平滑値xk−1(+)ハットから算出され、サンプリング時刻k(≧2)の予測誤差共分散行列Pk(−)は、下記の式(9)に示すように、1つ前のサンプリング時刻k−1の平滑誤差共分散行列Pk−1(+)から算出される。
Based on the above state transition model, the predicted value x k (−) hat at sampling time k (≧ 2) (Here, the symbol “^” cannot be written above x for convenience of electronic application. Is expressed from the smoothed value x k-1 (+) hat at the previous sampling time k−1, as shown in the following equation (8), and the sampling time k ( The prediction error covariance matrix P k (−) of ≧ 2) is obtained from the smoothing error covariance matrix P k−1 (+) at the previous sampling time k−1, as shown in the following equation (9). Calculated.
予測処理の後の平滑処理を実施して、最終的な推定値を算出するが、ここでは、以下の観測モデルを仮定する。
ただし、Hは観測行列であり、下記の式(11)で定義される。
また、efbはビート周波数の観測誤差であり、その分散Rfbがパラメータとして事前に与えられる。
A smoothing process after the prediction process is performed to calculate a final estimated value. Here, the following observation model is assumed.
However, H is an observation matrix and is defined by the following formula (11).
E fb is an observation error of the beat frequency, and its variance R fb is given in advance as a parameter.
この観測モデルに基づき、サンプリング時刻k(≧2)の平滑値xk(+)ハット,Pk(+)は、同サンプリング時刻の予測値xk(−)ハット,予測誤差共分散行列Pk(−),ビート周波数の観測値zfbkから、下記の式(13)(14)のように算出される。
ただし、Iは単位行列、Kkはカルマンゲインであり、下記の式(15)から算出される。
Based on this observation model, the smooth values x k (+) hat and P k (+) at the sampling time k (≧ 2) are the predicted values x k (−) hat and the prediction error covariance matrix P k at the sampling time. (−) And an observed value zfb k of the beat frequency are calculated as in the following formulas (13) and (14).
However, I is a unit matrix, Kk is a Kalman gain, and is calculated from the following equation (15).
観測領域に複数の目標が存在する状況や、目標信号と一緒に誤警報等の不要信号が得られる状況では、各スキャンでビート周波数の観測値が複数得られるのが一般的である。
このような場合には、観測領域における目標の有無を判定し、目標が存在すると判定されれば、その運動諸元を出力する必要がある。
この場合、各スキャンでビート周波数の観測値を選択し、上記の従来技術の追尾処理によって運動諸元を推定しながら、この航跡候補の尤度によって、目標の存在の有無を判定することができる。
In a situation where there are a plurality of targets in the observation area or a situation where an unnecessary signal such as a false alarm is obtained together with the target signal, it is common to obtain a plurality of observed values of the beat frequency in each scan.
In such a case, it is necessary to determine whether or not there is a target in the observation region, and if it is determined that the target exists, the motion specifications must be output.
In this case, it is possible to determine the presence / absence of the target based on the likelihood of the wake candidate while selecting the observed value of the beat frequency in each scan and estimating the motion specifications by the tracking processing of the above-described conventional technique. .
航跡候補と観測値の相関可能性は、以下のように判定することができる。
ただし、dは事前に設定されるゲートサイズパラメータである。また、Skは残差共分散行列であり、下記の式(17)で算出される。
上記の式(16)を満たす観測値が複数ある場合、式(16)の左辺の値が最も小さくなる観測値を選択して、航跡候補に割り当てる方法や、複数の割り当てを考えて、航跡候補を複数生成するといった観測値の割り当て方法がある。
The possibility of correlation between the wake candidate and the observation value can be determined as follows.
Here, d is a gate size parameter set in advance. S k is a residual covariance matrix, and is calculated by the following equation (17).
When there are a plurality of observation values satisfying the above equation (16), the observation candidate having the smallest value on the left side of the equation (16) is selected and assigned to a wake candidate, or a plurality of assignments are considered. There is a method of assigning observation values such as generating multiple.
このようにして生成した航跡候補のうち、ある航跡候補の尤度γkが、予め設定している航跡抽出のための尤度の閾値を超えれば、目標の存在を確定し、その時点での運動諸元の推定値を出力する。
ここで、尤度γkは、ある観測値を用いて更新した場合、下記の式(18)で算出される。
ただし、γk−1は1サンプリング時刻前の当該航跡候補の尤度である。尤度の初期値γ1は事前に設定されるパラメータである。
Among the wake candidates generated in this way, if the likelihood γ k of a wake candidate exceeds a preset likelihood threshold for wake extraction, the existence of the target is determined, and at that time Outputs the estimated values of motion specifications.
Here, the likelihood γ k is calculated by the following equation (18) when it is updated using a certain observation value.
However, γ k-1 is the likelihood of the wake candidate one sampling time before. The initial likelihood value γ 1 is a parameter set in advance.
従来の目標追尾装置は以上のように構成されているので、目標の運動諸元を推定しながら、目標が存在しているか否かが判定される。このため、目標の運動諸元の推定誤差に伴って相関判定の正解率が低下すると、目標の検出が遅れてしまうなどの課題があった。 Since the conventional target tracking device is configured as described above, it is determined whether or not the target exists while estimating the motion specifications of the target. For this reason, when the accuracy rate of the correlation determination is reduced due to the estimation error of the target motion specification, there is a problem that the detection of the target is delayed.
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、運動諸元の推定精度の影響を受けることなく、速やかに目標を検出することができる目標追尾装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a target tracking device that can quickly detect a target without being affected by the estimation accuracy of motion specifications. .
この発明に係る目標追尾装置は、周波数変調型のレーダにより得られるビート周波数の観測値と目標の航跡候補との相関判定を実施し、相関が認められる航跡候補の有無から、目標が観測領域に存在しているか否かを判定する目標有無判定手段と、目標有無判定手段により目標が観測領域に存在していると判定された場合、レーダの観測条件を示す事前情報にしたがって目標の運動諸元を推定する際に用いる運動諸元の状態探索の初期値を設定する初期値設定手段とを設け、運動諸元推定手段が、初期値設定手段により設定された初期値を運動諸元の状態探索の初期点に設定し、そのビート周波数の観測値の時系列を用いて、運動諸元の状態探索を実施することで、目標の運動諸元を推定するようにしたものである。 The target tracking device according to the present invention performs a correlation determination between the observed value of the beat frequency obtained by the frequency modulation type radar and the target wake candidate, and the target is set in the observation region based on the presence or absence of the wake candidate in which the correlation is recognized. Target presence / absence determination means for determining whether or not the target exists, and if the target presence / absence determination means determines that the target exists in the observation area, the target motion specifications according to the prior information indicating the radar observation conditions An initial value setting means for setting an initial value of the motion specification state search used for estimating the motion specification, and the motion specification estimation means uses the initial value set by the initial value setting means to search the motion specification state. The target motion parameters are estimated by performing a motion parameter state search using the time series of the observed values of the beat frequency.
この発明によれば、周波数変調型のレーダにより得られるビート周波数の観測値と目標の航跡候補との相関判定を実施し、相関が認められる航跡候補の有無から、目標が観測領域に存在しているか否かを判定する目標有無判定手段を設け、その目標有無判定手段が、運動諸元推定手段により目標の運動諸元が推定される前に、目標が観測領域に存在しているか否かを判定するように構成したので、運動諸元の推定精度の影響を受けることなく、速やかに目標を検出することができるとともに、目標の運動諸元の推定精度を高めることができる効果がある。 According to this invention, the correlation determination between the observed value of the beat frequency obtained by the frequency modulation type radar and the target wake candidate is performed, and the target exists in the observation region based on the presence or absence of the wake candidate where the correlation is recognized. A target presence / absence determination means for determining whether or not the target exists in the observation area before the motion specification estimation means estimates the target motion specifications. Since the determination is made, it is possible to quickly detect the target without being affected by the estimation accuracy of the motion specification, and to increase the estimation accuracy of the target motion specification.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による目標追尾装置を示す構成図である。
図1において、レーダ1はFM変調型(周波数変調型)のレーダであり、観測値としてビート周波数fbkを観測し、その観測値を目標追尾装置2に出力する。
目標追尾装置2の航跡抽出決定部11はレーダ1により得られるビート周波数fbkの観測値から目標の航跡候補を抽出するとともに、ビート周波数fbkの観測値と目標の航跡候補との相関判定を実施し、相関が認められる航跡候補の有無から、目標が観測領域に存在しているか否かを判定する処理を実施する。
また、航跡抽出決定部11は目標の存在の有無を示す判定結果を初期値設定部12に出力するとともに、例えば、その判定結果を図示せぬディスプレイに表示するなどの方法で、目標の有無をユーザに知らせる処理を実施する。
なお、航跡抽出決定部11は目標有無判定手段を構成している。
Embodiment 1 FIG.
1 is a block diagram showing a target tracking apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
In FIG. 1, a radar 1 is an FM modulation type (frequency modulation type) radar, observes a beat frequency fb k as an observation value, and outputs the observation value to the
The wake extraction determination unit 11 of the
Further, the wake extraction determination unit 11 outputs a determination result indicating the presence / absence of the target to the initial
The wake extraction determination unit 11 constitutes a target presence / absence determination unit.
初期値設定部12は航跡抽出決定部11により目標が観測領域に存在していると判定された場合、レーダ1の観測条件を示す事前情報にしたがって目標の運動諸元を推定する際に用いる運動諸元の状態探索の初期値を設定する処理を実施する。なお、初期値設定部12は初期値設定手段を構成している。
運動諸元推定部13は初期値設定部12により設定された初期値を運動諸元の状態探索の初期点に設定し、ビート周波数fbkの観測値の時系列を用いて、運動諸元の状態探索を実施することで、目標の運動諸元を推定する処理を実施する。なお、運動諸元推定部13は運動諸元推定手段を構成している。
The initial
The motion
図1の例では、目標追尾装置の構成要素である航跡抽出決定部11、初期値設定部12及び運動諸元推定部13のそれぞれが専用のハードウェア(例えば、CPUを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなど)で構成されているものを想定しているが、目標追尾装置がコンピュータで構成されていてもよい。
目標追尾装置がコンピュータで構成されている場合、航跡抽出決定部11、初期値設定部12及び運動諸元推定部13の処理内容を記述しているプログラムをコンピュータのメモリに格納し、当該コンピュータのCPUが当該メモリに格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
図2はこの発明の実施の形態1による目標追尾装置の処理内容を示すフローチャートである。
In the example of FIG. 1, each of the wake extraction determination unit 11, the initial
When the target tracking device is configured by a computer, a program describing the processing contents of the wake extraction determination unit 11, the initial
FIG. 2 is a flowchart showing the processing contents of the target tracking device according to Embodiment 1 of the present invention.
次に動作について説明する。
目標追尾装置2が使用するカルマンフィルタの状態変数、状態遷移モデル及び観測モデルは、下記の通りである。
状態変数は、下記の式(19)に示すように、ビート周波数fbkと、ビート周波数fbkの変化率で構成されている。
Next, the operation will be described.
The state variables, state transition model, and observation model of the Kalman filter used by the
State variables, as shown in the following equation (19), the beat frequency fb k, is composed of a rate of change of the beat frequency fb k.
状態遷移モデルは、下記の式(20)に示す通りである。
ただし、Φkは状態遷移行列であり、下記の式(21)で定義される。
また、wkは運動に加わる外乱であり、下記の共分散を持つガウス分布に従うものとする。
ただし、Qkは事前に設定されるパラメータである。
The state transition model is as shown in the following equation (20).
However, (PHI) k is a state transition matrix and is defined by the following formula | equation (21).
W k is a disturbance applied to the motion, and follows a Gaussian distribution having the following covariance.
However, Q k is a parameter set in advance.
観測モデルは、下記の式(22)に示す通りである。
ただし、Hfbは観測行列であり、下記の式(24)で定義される。
また、efbはビート周波数の観測誤差であり、その分散Rfbがパラメータとして事前に与えられる。
The observation model is as shown in the following formula (22).
However, H fb is an observation matrix and is defined by the following formula (24).
E fb is an observation error of the beat frequency, and its variance R fb is given in advance as a parameter.
以下、1サンプリング時刻分の処理を詳細に説明する。
航跡抽出決定部11は、レーダ1により得られるビート周波数fbkの観測値から目標の航跡候補を抽出するとともに、ビート周波数fbkの観測値と目標の航跡候補との相関判定を実施し、相関が認められる航跡候補の有無から、目標が観測領域に存在しているか否かを判定する。
具体的には、以下の通りである。
Hereinafter, processing for one sampling time will be described in detail.
The wake extraction determination unit 11 extracts a target wake candidate from the observed value of the beat frequency fb k obtained by the radar 1 and performs a correlation determination between the observed value of the beat frequency fb k and the target wake candidate. Whether or not the target exists in the observation area is determined based on the presence or absence of a wake candidate that is recognized.
Specifically, it is as follows.
まず、航跡抽出決定部11は、「ゲート内外判定」として、下記の式(26)に示すようなビート周波数fbkの観測値と目標の航跡候補との相関判定を実施する(図2のステップST1)。
ただし、xk(−)ハットは航跡候補の予測値であり、下記の式(27)で算出される。
また、Skは残差共分散行列であり、下記の式(28)で算出される。
ただし、Pk(−)は予測誤差共分散行列であり、下記の式(29)で算出される。
First, track extraction determination unit 11 as a "gate outside judgment", the step of the correlation determination to implement (Figure 2 between the observed value and the target track candidates the beat frequency fb k as shown in equation (26) below ST1).
However, x k (−) hat is a predicted value of a wake candidate, and is calculated by the following equation (27).
S k is a residual covariance matrix and is calculated by the following equation (28).
However, P k (−) is a prediction error covariance matrix, and is calculated by the following equation (29).
航跡抽出決定部11は、ビート周波数fbkの観測値と目標の航跡候補との相関判定を実施すると、「航跡候補相関決定」として、ゲート内に入っている観測値を選択する(ステップST2)。
観測値の選択方法として、式(26)の左辺の値が最も小さくなる観測値を選択して航跡候補に割り当てる方法や、ゲート内の観測値の全てついて、各々を割り当てた航跡候補を複数生成する方法などが考えられる。
When the wake extraction determination unit 11 determines the correlation between the observation value of the beat frequency fb k and the target wake candidate, the wake extraction determination unit 11 selects the observation value in the gate as “wake candidate correlation determination” (step ST2). .
Select the observation value that minimizes the value on the left-hand side of Equation (26) and assign it to the wake candidate as the observation value selection method, or generate multiple wake candidates assigned to each of the observation values in the gate. Possible ways to do this.
航跡抽出決定部11は、ゲート内に入っている観測値を選択すると、「フィルタ内状態更新」として、航跡候補に割り当てた観測値によって、カルマンフィルタの状態推定値を更新する(ステップST3)。
例えば、現在の処理が航跡候補にとって、2番目のサンプリング時刻である場合、状態推定値は、下記の式(30)に示すように、2サンプリング時刻分のビート周波数の観測値zfb0,zfb1より算出することができる。
ただし、Δtはサンプリング間隔である。
2つのビート周波数の観測値zfb0,zfb1の線形結合であるため、以降のカルマンフィルタに基づく処理で必要となる推定誤差共分散行列の初期値P1(+)の各成分は、ビート周波数の観測誤差標準偏差より算出することができる。
When selecting the observation value in the gate, the wake extraction determination unit 11 updates the state estimation value of the Kalman filter with the observation value assigned to the wake candidate as “update state in filter” (step ST3).
For example, when the current process is the second sampling time for the wake candidate, the state estimated value is the observed values zfb 0 and zfb 1 of the beat frequencies for two sampling times as shown in the following equation (30). Can be calculated.
However, Δt is a sampling interval.
Since each of the observed values zfb 0 and zfb 1 of the two beat frequencies is a linear combination, each component of the initial value P 1 (+) of the estimated error covariance matrix required in the subsequent processing based on the Kalman filter is It can be calculated from the observation error standard deviation.
現在の処理が航跡候補にとって、3番目以降のサンプリング時刻である場合、状態推定値は、下記の式(31)に示すように、ビート周波数の観測値zfbkより算出することができる。
ただし、Iは単位行列、Kkはカルマンゲインであり、下記の式(33)で算出される。
For the current process trajectory candidate, if a third and subsequent sampling time, the state estimation value, as shown in the following equation (31) can be calculated from the observed value Zfb k beat frequency.
However, I is a unit matrix, Kk is a Kalman gain, and is calculated by the following equation (33).
航跡抽出決定部11は、カルマンフィルタの状態推定値を更新すると、航跡候補の尤度γkを更新する(ステップST4)。
航跡候補の尤度γkは、ある観測値を用いて更新する場合、下記の式(34)で算出される。
ただし、γk−1は1サンプリング時刻前の当該航跡候補の尤度であり、尤度の初期値γ1は事前に設定されるパラメータである。
The wake extraction determination unit 11 updates the likelihood γ k of the wake candidate when the state estimation value of the Kalman filter is updated (step ST4).
The likelihood γ k of the wake candidate is calculated by the following equation (34) when updated using a certain observation value.
However, γ k−1 is the likelihood of the wake candidate one sampling time before, and the initial value γ 1 of the likelihood is a parameter set in advance.
航跡候補の尤度γkが、予め設定されている閾値thを越えない場合(ステップST5)、この時点で1サンプリング時刻分の処理を終了する。
一方、航跡候補の尤度γkが、予め設定されている閾値thを越える場合(ステップST5)、ステップST6の「運動諸元推定初期値生成」の処理に移行する。
即ち、航跡候補の尤度γkが、予め設定されている閾値thを越える場合、航跡抽出決定部11により目標が観測領域に存在していると判定されて、ステップST6の「運動諸元推定初期値生成」の処理に移行する。
If the likelihood γ k of the wake candidate does not exceed the preset threshold th (step ST5), the processing for one sampling time is terminated at this point.
On the other hand, when the likelihood γ k of the wake candidate exceeds a preset threshold th (step ST5), the process proceeds to the “motion parameter estimation initial value generation” process of step ST6.
That is, when the likelihood γ k of the wake candidate exceeds a preset threshold th, the wake extraction determining unit 11 determines that the target is present in the observation region, and the “motion estimation” in step ST6 is performed. The process proceeds to “initial value generation”.
航跡抽出決定部11により目標が観測領域に存在していると判定された場合、後述するステップST6,ST7において、これまでの間に、航跡候補に蓄積されたビート周波数fbkの観測値の時系列を用いて、目標の3次元空間上の位置と速度を推定する。推定する運動諸元を以下の現サンプリング時刻nにおける3次元空間上の位置,速度とする。
When the wake extraction determination unit 11 determines that the target is present in the observation region, in steps ST6 and ST7 described later, when the observed value of the beat frequency fb k accumulated in the wake candidate so far is used. Using the sequence, the position and velocity of the target in the three-dimensional space are estimated. The motion parameters to be estimated are the following position and velocity in the three-dimensional space at the current sampling time n.
初期値設定部12は、航跡抽出決定部11により目標が観測領域に存在していると判定されると、レーダ1の観測条件を示す事前情報にしたがって目標の運動諸元を推定する際に用いる運動諸元の状態探索の初期値xn_1ハットを設定する(ステップST6)。
即ち、初期値設定部12は、図3に示すように、レーダ1の最大探索距離、レーダ1のビームが向いている方向及び初探索時刻におけるビート周波数の観測値(第1サンプリング時刻におけるビート周波数の観測値zfb0)を用いて、運動諸元の状態探索の初期値xn_1ハットを設定する。
図3に示すように、目標までの距離R0をレーダ1の最大探索距離、仰角及び方位角をビーム中心とすると、目標の3次元位置が決まる。
また、目標までの距離R0と、この航跡候補の第1サンプリング時刻におけるビート周波数の観測値zfb0から、下記の式(36)に示すように、目標の距離変化率R0ドットを算出することができる。
The initial
That is, as shown in FIG. 3, the initial
As shown in FIG. 3, when the distance R0 to the target is the maximum search distance of the radar 1 and the elevation angle and azimuth are the beam center, the three-dimensional position of the target is determined.
Also, the target distance change rate R 0 dot is calculated from the distance R 0 to the target and the observed beat frequency zfb 0 at the first sampling time of this wake candidate as shown in the following equation (36). be able to.
目標速度の横行成分を0として、初探索時刻の運動諸元が決まる。この初探索時刻の運動諸元から、等速直進運動を仮定して最新時刻nに外挿し、探索の初期値とする。
レーダ1より仰角が得られない場合、上記のような初期値の設定が困難となる。この場合、目標高度は0と見做し、図4に示すように、地球の丸みから算出される観測可能領域の境界から初期値を算出する。
即ち、レーダ1の設置高度から求まる見通し角、方位角及び初探索時刻におけるビート周波数の観測値を用いて、運動諸元の状態探索の初期値xn_1ハットを設定する。
The traversal component of the target speed is set to 0, and the motion specifications at the first search time are determined. From the motion parameters at the first search time, extrapolation is made to the latest time n assuming a constant-velocity linear motion, and used as the initial value of the search.
When the elevation angle cannot be obtained from the radar 1, it is difficult to set the initial value as described above. In this case, assuming that the target altitude is 0, as shown in FIG. 4, the initial value is calculated from the boundary of the observable region calculated from the roundness of the earth.
That is, the initial value x n — 1 hat for the state search of the motion specification is set using the observation values of the line-of-sight angle, the azimuth angle, and the beat frequency at the initial search time obtained from the installation altitude of the radar 1.
運動諸元推定部13は、初期値設定部12が運動諸元の状態探索の初期値xn_1ハットを設定すると、その初期値xn_1ハットを運動諸元の状態探索の初期点に設定し、これまでの間に、航跡候補に蓄積されたビート周波数fbkの観測値の時系列を用いて、運動諸元の状態探索を実施することで、目標の運動諸元を推定する(ステップST7)。
これにより、正確な運動諸元が推定されるが、以下、推定精度が改善される原理について説明する。
When the initial
As a result, an accurate motion specification is estimated. Hereinafter, the principle of improving the estimation accuracy will be described.
目標の運動として等速直進運動を仮定すると、最新時刻nにおける目標運動諸元が決まれば、下記の式(37)に示すように、それ以前のサンプリング時刻kの運動諸元は一意に決まるので、目標の検出では、下記の式(38)のように、ビート周波数列が抽出されるものとする。
Assuming constant-velocity linear motion as the target motion, if the target motion specifications at the latest time n are determined, the motion parameters at the previous sampling time k are uniquely determined as shown in the following equation (37). In the target detection, it is assumed that a beat frequency sequence is extracted as in the following equation (38).
最新時刻nにおける推定値から、観測値は、下記の式(39)に示すように予測することができる。
上記の予測観測値と実際の観測値の差異が最も小さくなる推定値は、非線形最小自乗法により算出される。
ここで、最小とする関数は、下記の式(41)で定義される。
From the estimated value at the latest time n, the observed value can be predicted as shown in the following equation (39).
The estimated value that minimizes the difference between the predicted observed value and the actual observed value is calculated by the nonlinear least square method.
Here, the function to be minimized is defined by the following equation (41).
運動諸元推定部13は、初期値設定部12により設定された初期値を出発点として、最適な状態をNewton法に従って探索する。
即ち、運動諸元推定部13は、図5に示すように、状態探索の初期点xn_1ハットから出発し、その初期点における目的関数の値F(fb1,…,fbn,xn_1ハット)と、その接平面の傾きから、次の探索点xn_2ハットが決まる。
次の探索点xn_3ハットについても探索点xn_2ハットと同様に決まる(探索点xn_3ハットについては、初期点xn_1ハットの代わりに探索点xn_2ハットを出発とする)。
探索点を繰り返し決定することで、目的関数が最小となる点xn_optハットが決まり、点xn_optハットが目標の運動諸元の推定値として出力される。
The motion
That is, as shown in FIG. 5, the motion
For the next search point x n_3 hat it is also determined in the same manner as the search point x n_2 hat (the search point x n_3 hat, a a starting search point x n_2 hat instead of the initial point x n_1 hat).
By repeatedly determining the search point, the point x n_opt hat at which the objective function is minimized is determined, and the point x n_opt hat is output as an estimated value of the target motion specification.
なお、運動諸元推定部13が解く必要がある変数は、3次元の位置と速度であるため、合計で6個である。
よって、可観測性を得るには、6以上のスキャン数が必要となる。したがって、6スキャン分のビート周波数の観測値が得られない場合、追尾対象を海面より僅か上を接近する目標に限定して、高度方向の速度を0とするなどにより、推定する状態変数を限定して、少ないビート周波数の観測値でも推定できるようにする。
Note that there are six variables in total because the motion
Therefore, in order to obtain observability, a scan number of 6 or more is required. Therefore, if the observed value of the beat frequency for 6 scans cannot be obtained, the state variable to be estimated is limited by limiting the tracking target to a target approaching slightly above the sea surface and setting the altitude direction speed to 0, etc. Thus, it is possible to estimate even an observation value with a small beat frequency.
以上で明らかなように、この実施の形態1によれば、レーダ1により得られるビート周波数の観測値と目標の航跡候補との相関判定を実施し、相関が認められる航跡候補の有無から、目標が観測領域に存在しているか否かを判定する航跡抽出決定部11を設け、航跡抽出決定部11が、運動諸元推定部13により目標の運動諸元が推定される前に、目標が観測領域に存在しているか否かを判定するように構成したので、運動諸元の推定精度の影響を受けることなく、速やかに目標を検出することができるとともに、目標の運動諸元の推定精度を高めることができる効果を奏する。
As is apparent from the above, according to the first embodiment, the correlation between the observed beat frequency value obtained by the radar 1 and the target wake candidate is performed, and the target is determined based on the presence or absence of the wake candidate where the correlation is recognized. A wake extraction determining unit 11 is provided for determining whether or not the target is present in the observation area. The wake extraction determining unit 11 observes the target before the motion
即ち、この実施の形態1によれば、ビート周波数の観測値の時系列から目標の有無を判断し、目標の存在が確定してから運動諸元の推定を行うようにしているため、目標の運動諸元の推定誤差によって誤相関が起きて、目標航跡の抽出が遅れる場合でも、早期に目標航跡を抽出することができる。
また、推定される運動は3次元上空間上の運動であり、距離方向のみの運動を推定する従来方式と比べて、より正確な運動諸元の情報をユーザに提供することができる。
また、非線形最小自乗法における探索の初期点をレーダの観測条件の事前情報から決めるため、最適な状態変数の探索において収束が早くなり、かつ生成される解の推定精度が高くなる。
That is, according to the first embodiment, the presence / absence of the target is determined from the time series of the observed values of the beat frequency, and the motion specifications are estimated after the existence of the target is determined. Even when the cross-correlation occurs due to the estimation error of the motion specification and the extraction of the target track is delayed, the target track can be extracted early.
Further, the estimated motion is a motion in a three-dimensional space, and more accurate information on motion specifications can be provided to the user as compared with the conventional method for estimating motion only in the distance direction.
In addition, since the initial point of the search in the nonlinear least square method is determined from prior information on the observation conditions of the radar, convergence in the search for the optimum state variable is quick and the estimation accuracy of the generated solution is high.
実施の形態2.
図6はこの発明の実施の形態2による目標追尾装置を示す構成図であり、図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
PRI内距離相関決定部21はレーダ1から目標まで距離であるPRI内距離の観測値と目標の航跡候補との相関判定を実施する。
航跡抽出決定部22はレーダ1により得られるビート周波数fbkの観測値から目標の航跡候補を抽出するとともに、ビート周波数fbkの観測値と目標の航跡候補との相関判定を実施し、ビート周波数fbkの観測値との相関が認められ、かつ、PRI内距離相関決定部21によりPRI内距離の観測値との相関が認められる航跡候補の有無から、目標が観測領域に存在しているか否かを判定する処理を実施する。
また、航跡抽出決定部22は目標の存在の有無を示す判定結果を初期値設定部12に出力するとともに、例えば、その判定結果を図示せぬディスプレイに表示するなどの方法で、目標の有無をユーザに知らせる処理を実施する。
なお、PRI内距離相関決定部21及び航跡抽出決定部22から目標有無判定手段が構成されている。
6 is a block diagram showing a target tracking apparatus according to
The intra-PRI distance
The wake
Further, the wake
The intra-PRI distance
図6の例では、目標追尾装置の構成要素であるPRI内距離相関決定部21、航跡抽出決定部22、初期値設定部12及び運動諸元推定部13のそれぞれが専用のハードウェア(例えば、CPUを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなど)で構成されているものを想定しているが、目標追尾装置がコンピュータで構成されていてもよい。
目標追尾装置がコンピュータで構成されている場合、PRI内距離相関決定部21、航跡抽出決定部22、初期値設定部12及び運動諸元推定部13の処理内容を記述しているプログラムをコンピュータのメモリに格納し、当該コンピュータのCPUが当該メモリに格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
図7はこの発明の実施の形態2による目標追尾装置の処理内容を示すフローチャートである。
In the example of FIG. 6, each of the intra-PRI distance
When the target tracking device is configured by a computer, a program describing the processing contents of the intra-PRI distance
FIG. 7 is a flowchart showing the processing contents of the target tracking device according to
次に動作について説明する。
目標追尾装置2が使用するカルマンフィルタの状態変数、状態遷移モデル及び観測モデルは、下記の通りである。
状態変数は、下記の式(42)に示すように、ビート周波数fbk、方位角Azk、仰角Elk及びそれらの変化率で構成されている。
Next, the operation will be described.
The state variables, state transition model, and observation model of the Kalman filter used by the
As shown in the following equation (42), the state variable includes a beat frequency fb k , an azimuth angle Az k , an elevation angle El k, and a rate of change thereof.
状態遷移モデルは、下記の式(43)に示す通りである。
ただし、Φkは状態遷移行列であり、下記の式(44)で定義される。
また、wkは運動に加わる外乱であり、下記の共分散を持つガウス分布に従うものとする。
ただし、Qkは事前に設定されるパラメータである。
The state transition model is as shown in the following equation (43).
However, (PHI) k is a state transition matrix and is defined by the following formula | equation (44).
W k is a disturbance applied to the motion, and follows a Gaussian distribution having the following covariance.
However, Q k is a parameter set in advance.
観測モデルは、下記の式(46)に示す通りである。
観測値zkは、下記の式(47)に示すように、ビート周波数の観測値zfbk、方位角の観測値zAzk及び仰角の観測値zElkで構成される。
また、HfbAzElは観測行列であり、下記の式(48)で定義される。
The observation model is as shown in the following formula (46).
Observations z k, as shown in the following equation (47), the observed value Zfb k beat frequency, and a observations Zel k observations ZAZ k and elevation of azimuth.
H fbAzEl is an observation matrix and is defined by the following equation (48).
また、efbAzElはビート周波数fbk、方位角Azk、仰角Elkの観測誤差標準偏差で構成されるベクトルである。
このefbAzElの共分散RfbAzElは、下記の式(50)で示され、パラメータとして事前に与えられる。
Further, e fbAzEl is a vector composed of observation error standard deviations of beat frequency fb k , azimuth angle Az k , and elevation angle El k .
Covariance R FbAzEl This e FbAzEl is represented by the following formula (50) is given in advance as parameters.
以下、1サンプリング時刻分の処理を詳細に説明する。
まず、航跡抽出決定部11は、「ゲート内外判定」として、下記の式(51)に示すようなビート周波数fbkの観測値と目標の航跡候補との相関判定を実施する(図7のステップST11)。
ただし、xk(−)ハットは航跡候補の予測値であり、下記の式(52)で算出される。
また、Skは残差共分散行列であり、下記の式(53)で算出される。
ただし、Pk(−)は予測誤差共分散行列であり、下記の式(54)で算出される。
Hereinafter, processing for one sampling time will be described in detail.
First, track extraction determination unit 11 as a "gate outside judgment", the step of the correlation determination performed (FIG. 7 of the track candidate observations and the target beat frequency fb k as shown in the following equation (51) ST11).
However, x k (−) hat is a predicted value of a wake candidate, and is calculated by the following equation (52).
S k is a residual covariance matrix and is calculated by the following equation (53).
However, P k (−) is a prediction error covariance matrix, and is calculated by the following equation (54).
PRI内距離相関決定部21は、レーダ1から目標まで距離であるPRI内距離の観測値と目標の航跡候補との相関判定を実施する(ステップST12)。
具体的には、以下の通りである。
PRI内距離の観測値から得られる距離情報の候補は、下記の式(55)のように表される。
ただし、rprikは候補中最短の距離であり、既知である。ΔRpriはパルス間隔によって定まる折り返し幅であり、既知である。
これに対して、折り返し回数nは未知である。1サンプリング時刻前のPRI内距離についても同様に表現することができる。
The intra-PRI distance
Specifically, it is as follows.
A candidate of distance information obtained from the observed value of the distance within the PRI is expressed as the following equation (55).
However, rpri k is the shortest distance among candidates and is known. ΔRpri is a folding width determined by the pulse interval and is known.
On the other hand, the number of times n is unknown. The distance in the PRI before one sampling time can be expressed in the same manner.
距離変化率が一定であると仮定すると、2サンプリング時刻のビート周波数の期待値は、以下のように算出することができる。
Assuming that the distance change rate is constant, the expected value of the beat frequency at the two sampling times can be calculated as follows.
PRI内距離の相関可否は、以下の式の成否により決定される。
ただし、σ2 fbはビート周波数の観測値の観測誤差標準偏差、σ2 RpriはPRI内距離の観測値の観測誤差標準偏差である。また、dfbsは事前に設定されるパラメータである。
Whether or not the PRI intra-distance is correlated is determined by the success or failure of the following expression.
However, σ 2 fb is the observation error standard deviation of the observation value of the beat frequency, and σ 2 Rpri is the observation error standard deviation of the observation value of the distance in the PRI. D fbs is a parameter set in advance.
航跡抽出決定部22は、ビート周波数fbkの観測値と目標の航跡候補との相関判定を実施し、PRI内距離相関決定部21がPRI内距離の観測値と目標の航跡候補との相関判定を実施すると、「航跡候補相関決定」として、ゲート内に入っている観測値を選択する(ステップST13)。
観測値の選択方法として、式(59)が成立する条件の下で、式(51)の左辺の値が最も小さくなる観測値を選択して航跡候補に割り当てる方法や、ゲート内の観測値の全てついて、各々を割り当てた航跡候補を複数生成する方法などが考えられる。
The wake
As a method for selecting an observation value, a method of selecting an observation value with the smallest value on the left side of Equation (51) and assigning it to a wake candidate under the condition that Equation (59) is satisfied, A method of generating a plurality of wake candidates to which each is assigned can be considered.
航跡抽出決定部22は、ゲート内に入っている観測値を選択すると、「フィルタ内状態更新」として、航跡候補に割り当てた観測値によって、カルマンフィルタの状態推定値を更新する(ステップST14)。
例えば、現在の処理が航跡候補にとって、2番目のサンプリング時刻である場合、状態推定値は、下記の式(63)に示すように、2サンプリング時刻分のビート周波数の観測値zfb0,zfb1より算出することができる。
ただし、Δtはサンプリング間隔である。
2つのビート周波数の観測値zfb0,zfb1の線形結合であるため、以降のカルマンフィルタに基づく処理で必要となる推定誤差共分散行列の初期値P1(+)の各成分は、ビート周波数の観測誤差標準偏差より算出することができる。
When selecting the observation value in the gate, the wake
For example, when the current process is the second sampling time for the wake candidate, the state estimated value is the observed values zfb 0 and zfb 1 of the beat frequency for two sampling times as shown in the following equation (63). Can be calculated.
However, Δt is a sampling interval.
Since each of the observed values zfb 0 and zfb 1 of the two beat frequencies is a linear combination, each component of the initial value P 1 (+) of the estimated error covariance matrix required in the subsequent processing based on the Kalman filter is It can be calculated from the observation error standard deviation.
現在の処理が航跡候補にとって、3番目以降のサンプリング時刻である場合、状態推定値は、下記の式(64)に示すように、ビート周波数の観測値zfbkより算出することができる。
ただし、Iは単位行列、Kkはカルマンゲインであり、下記の式(66)で算出される。
When the current process is the third or later sampling time for the wake candidate, the state estimated value can be calculated from the observed value zfb k of the beat frequency as shown in the following equation (64).
However, I is a unit matrix, Kk is a Kalman gain, and is calculated by the following equation (66).
航跡抽出決定部22は、カルマンフィルタの状態推定値を更新すると、航跡候補の尤度γkを更新する(ステップST15)。
航跡候補の尤度γkは、ある観測値を用いて更新する場合、下記の式(67)で算出される。
ただし、γk−1は1サンプリング時刻前の当該航跡候補の尤度であり、尤度の初期値γ1は事前に設定されるパラメータである。
The wake
The likelihood γ k of the wake candidate is calculated by the following equation (67) when updated using a certain observation value.
However, γ k−1 is the likelihood of the wake candidate one sampling time before, and the initial value γ 1 of the likelihood is a parameter set in advance.
航跡候補の尤度γkが、予め設定されている閾値thを越えない場合(ステップST16)、この時点で1サンプリング時刻分の処理を終了する。
一方、航跡候補の尤度γkが、予め設定されている閾値thを越える場合(ステップST16)、ステップST17の「運動諸元推定初期値生成」の処理に移行する。
即ち、航跡候補の尤度γkが、予め設定されている閾値thを越える場合、航跡抽出決定部22により目標が観測領域に存在していると判定されて、ステップST17の「運動諸元推定初期値生成」の処理に移行する。
If the likelihood γ k of the wake candidate does not exceed the preset threshold th (step ST16), the processing for one sampling time is terminated at this point.
On the other hand, when the likelihood γ k of the wake candidate exceeds a preset threshold value th (step ST16), the process proceeds to the “motion parameter estimation initial value generation” process of step ST17.
That is, when the likelihood γ k of the wake candidate exceeds a preset threshold th, the wake
航跡抽出決定部22により目標が観測領域に存在していると判定された場合、後述するステップST17,ST18において、これまでの間に、航跡候補に蓄積されたビート周波数fbkの観測値の時系列を用いて、目標の3次元空間上の位置と速度を推定する。推定する運動諸元を以下の現サンプリング時刻nにおける3次元空間上の位置,速度とする。
When the target by track
初期値設定部12は、航跡抽出決定部22により目標が観測領域に存在していると判定されると、レーダ1の観測条件を示す事前情報にしたがって目標の運動諸元を推定する際に用いる運動諸元の状態探索の初期値xn_1ハットを設定する(ステップST17)。
即ち、初期値設定部12は、図3に示すように、レーダ1の最大探索距離、レーダ1のビームが向いている方向及び初探索時刻におけるビート周波数の観測値(第1サンプリング時刻におけるビート周波数の観測値zfb0)を用いて、運動諸元の状態探索の初期値xn_1ハットを設定する。
図3に示すように、目標までの距離R0をレーダ1の最大探索距離、仰角及び方位角をビーム中心とすると、目標の3次元位置が決まる。
また、目標までの距離R0と、この航跡候補の第1サンプリング時刻におけるビート周波数の観測値zfb0から、下記の式(69)に示すように、目標の距離変化率R0ドットを算出することができる。
The initial
That is, as shown in FIG. 3, the initial
As shown in FIG. 3, when the distance R0 to the target is the maximum search distance of the radar 1 and the elevation angle and azimuth are the beam center, the three-dimensional position of the target is determined.
Further, the target distance change rate R 0 dot is calculated from the distance R 0 to the target and the observed value zfb 0 of the beat frequency at the first sampling time of this wake candidate as shown in the following equation (69). be able to.
目標速度の横行成分を0として、初探索時刻の運動諸元が決まる。この初探索時刻の運動諸元から、等速直進運動を仮定して最新時刻nに外挿し、探索の初期値とする。
レーダ1より仰角が得られない場合、上記のような初期値の設定が困難となる。この場合、目標高度は0と見做し、図4に示すように、地球の丸みから算出される観測可能領域の境界から初期値を算出する。
即ち、レーダ1の設置高度から求まる見通し角、方位角及び初探索時刻におけるビート周波数の観測値を用いて、運動諸元の状態探索の初期値xn_1ハットを設定する。
The traversal component of the target speed is set to 0, and the motion specifications at the first search time are determined. From the motion parameters at the first search time, extrapolation is made to the latest time n assuming a constant-velocity linear motion, and used as the initial value of the search.
When the elevation angle cannot be obtained from the radar 1, it is difficult to set the initial value as described above. In this case, assuming that the target altitude is 0, as shown in FIG. 4, the initial value is calculated from the boundary of the observable region calculated from the roundness of the earth.
That is, the initial value x n — 1 hat for the state search of the motion specification is set using the observation values of the line-of-sight angle, the azimuth angle, and the beat frequency at the initial search time obtained from the installation altitude of the radar 1.
運動諸元推定部13は、初期値設定部12が運動諸元の状態探索の初期値xn_1ハットを設定すると、その初期値xn_1ハットを運動諸元の状態探索の初期点に設定し、これまでの間に、航跡候補に蓄積されたビート周波数fbkの観測値の時系列を用いて、運動諸元の状態探索を実施することで、目標の運動諸元を推定する(ステップST18)。
これにより、正確な運動諸元が推定されるが、以下、推定精度が改善される原理について説明する。
When the initial
As a result, an accurate motion specification is estimated. Hereinafter, the principle of improving the estimation accuracy will be described.
目標の運動として等速直進運動を仮定すると、最新時刻nにおける目標運動諸元が決まれば、下記の式(70)に示すように、それ以前のサンプリング時刻kの運動諸元は一意に決まるので、目標の検出では、下記の式(71)のように、ビート周波数列が抽出されるものとする。
Assuming constant-velocity linear motion as the target motion, if the target motion specification at the latest time n is determined, the motion specification at the previous sampling time k is uniquely determined as shown in the following equation (70). In the target detection, a beat frequency sequence is extracted as in the following formula (71).
最新時刻nにおける推定値から、観測値は、下記の式(72)に示すように予測することができる。
上記の予測観測値と実際の観測値の差異が最も小さくなる推定値は、非線形最小自乗法により算出される。
ここで、最小とする関数は、下記の式(74)で定義される。
ただし、σfbはビート周波数の観測値の観測誤差標準偏差、σazは方位角の観測値の観測誤差標準偏差、σelは仰角の観測値の観測誤差標準偏差、σRpriはPRI内距離の観測値の観測誤差標準偏差である。
From the estimated value at the latest time n, the observed value can be predicted as shown in the following formula (72).
The estimated value that minimizes the difference between the predicted observed value and the actual observed value is calculated by the nonlinear least square method.
Here, the function to be minimized is defined by the following equation (74).
Where σ fb is the observation error standard deviation of the observation value of the beat frequency, σ az is the observation error standard deviation of the observation value of the azimuth angle, σ el is the observation error standard deviation of the observation value of the elevation angle, and σ Rpri is the distance within the PRI The observation error standard deviation of the observed value.
運動諸元推定部13は、初期値設定部12により設定された初期値(距離は最大探索距離、速度は典型値であり、センサ方向に向かって直進しているときの速度)を出発点として、最適な状態をNewton法に従って探索する。
即ち、運動諸元推定部13は、図5に示すように、状態探索の初期点xn_1ハットから出発し、その初期点における目的関数の値F(z1,…,zn,xn_1ハット)と、その接平面の傾きから、次の探索点xn_2ハットが決まる。
次の探索点xn_3ハットについても探索点xn_2ハットと同様に決まる(探索点xn_3ハットについては、初期点xn_1ハットの代わりに探索点xn_2ハットを出発とする)。
探索点を繰り返し決定することで、目的関数が最小となる点xn_optハットが決まり、点xn_optハットが目標の運動諸元の推定値として出力される。
The motion
That is, as shown in FIG. 5, the motion
For the next search point x n_3 hat it is also determined in the same manner as the search point x n_2 hat (the search point x n_3 hat, a a starting search point x n_2 hat instead of the initial point x n_1 hat).
By repeatedly determining the search point, the point x n_opt hat at which the objective function is minimized is determined, and the point x n_opt hat is output as an estimated value of the target motion specification.
以上で明らかなように、この実施の形態2によれば、航跡抽出決定部22が、レーダ1により得られるビート周波数fbkの観測値と目標の航跡候補との相関判定を実施し、ビート周波数fbkの観測値との相関が認められ、かつ、PRI内距離相関決定部21によりPRI内距離の観測値との相関が認められる航跡候補の有無から、目標が観測領域に存在しているか否かを判定するように構成したので、上記実施の形態1よりも、目標の検出精度を高めることができる効果を奏する。
即ち、ビート周波数fbkの観測値だけでは、誤相関が起きて目標航跡の抽出が遅れる場合でも、早期に目標航跡を抽出することができる。
また、運動諸元の推定における探索で、ビート周波数の観測値に加えて、方位角,仰角及びPRI内距離の観測値を利用するため、より高精度の解が得られる効果がある。
As is apparent from the above, according to the second embodiment, the wake
In other words, the target wake can be extracted early with only the observed value of the beat frequency fb k , even if the cross correlation occurs and the extraction of the target wake is delayed.
In addition, in the search for estimating the motion specification, in addition to the observed value of the beat frequency, the observed value of the azimuth angle, the elevation angle, and the PRI internal distance is used, so that there is an effect that a more accurate solution can be obtained.
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。 In the present invention, within the scope of the invention, any combination of the embodiments, or any modification of any component in each embodiment, or omission of any component in each embodiment is possible. .
1 レーダ、2 目標追尾装置、11 航跡抽出決定部(目標有無判定手段)、12 初期値設定部(初期値設定手段)、13 運動諸元推定部(運動諸元推定手段)、21 PRI内距離相関決定部(目標有無判定手段)、22 航跡抽出決定部(目標有無判定手段)。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Radar, 2 Target tracking apparatus, 11 Track extraction determination part (target presence determination means), 12 Initial value setting part (initial value setting means), 13 Motion specification estimation part (motion specification estimation means), 21 PRI internal distance Correlation determination unit (target presence / absence determination means), 22 Track extraction determination unit (target presence / absence determination means).
Claims (5)
上記目標有無判定手段により目標が観測領域に存在していると判定された場合、上記レーダの観測条件を示す事前情報にしたがって目標の運動諸元を推定する際に用いる運動諸元の状態探索の初期値を設定する初期値設定手段と、
上記初期値設定手段により設定された初期値を運動諸元の状態探索の初期点に設定し、上記ビート周波数の観測値の時系列を用いて、運動諸元の状態探索を実施することで、目標の運動諸元を推定する運動諸元推定手段と
を備えた目標追尾装置。 The correlation between the observed beat frequency value obtained by the frequency modulation type radar and the target track candidate is determined, and whether or not the target exists in the observation area is determined based on the presence or absence of the track candidate with a correlation. A target presence / absence judging means;
When the target presence / absence determining means determines that the target is present in the observation area, the state search of the motion specification used when estimating the motion specification of the target according to the prior information indicating the observation condition of the radar is performed. An initial value setting means for setting an initial value;
By setting the initial value set by the initial value setting means to the initial point of the state search of the movement specifications, using the time series of the observed values of the beat frequency, by carrying out the state search of the movement specifications, A target tracking device comprising: a motion specification estimating means for estimating a motion specification of a target.
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