適用于脈沖多普勒雷達(dá)的機(jī)動(dòng)目標(biāo)多幀檢測(cè)前跟蹤方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種適用于脈沖多普勒雷達(dá)的機(jī)動(dòng)目標(biāo)多幀檢測(cè)前跟蹤方法，能夠在動(dòng)態(tài)規(guī)劃值函數(shù)積累過(guò)程中，利用積累路徑上狀態(tài)的多普勒信息對(duì)目標(biāo)徑向加速度和當(dāng)前加速度均值進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)。本發(fā)明有效地提高了動(dòng)態(tài)規(guī)劃?rùn)z測(cè)前跟蹤方法對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的適應(yīng)能力。此外，本發(fā)明對(duì)于目標(biāo)徑向加速度和當(dāng)前加速度均值的估計(jì)是由量測(cè)指導(dǎo)的，可自適應(yīng)地完成，不需要具體的目標(biāo)先驗(yàn)信息。
【專利說(shuō)明】
適用于脈沖多普勒雷達(dá)的機(jī)動(dòng)目標(biāo)多幀檢測(cè)前跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤領(lǐng)域，特別涉及脈沖多普勒雷達(dá)機(jī)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)前 跟蹤技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]與傳統(tǒng)的先檢測(cè)后跟蹤技術(shù)不同，檢測(cè)前跟蹤技術(shù)不對(duì)單幀掃描數(shù)據(jù)宣布檢測(cè)結(jié) 果，而是通過(guò)聯(lián)合處理多幀數(shù)據(jù)，并利用目標(biāo)與噪聲/雜波在幀間相關(guān)性的差異，實(shí)現(xiàn)目標(biāo) 信號(hào)的有效積累和對(duì)噪聲/雜波的抑制。這種多幀聯(lián)合處理的方式，能夠顯著改善對(duì)微弱目 標(biāo)的探測(cè)性能。其中，基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的檢測(cè)如跟蹤方法具有性能穩(wěn)健、實(shí)時(shí)性好、易于實(shí)現(xiàn) 等優(yōu)點(diǎn)，在紅外、光學(xué)、雷達(dá)等微弱目標(biāo)檢測(cè)跟蹤領(lǐng)域已受到廣泛關(guān)注。
[0003]文獻(xiàn) "The use of track-before-detect in pulse-Doppler radar，in RADAR 2002，pp. 315-319，2002首次將基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的檢測(cè)跟蹤方法應(yīng)用在脈沖多普勒雷達(dá)中， 相比傳統(tǒng)方法，該方法能夠利用當(dāng)前狀態(tài)的距離和多普勒信息確定前一時(shí)刻可能的目標(biāo)狀 態(tài)，從而快速、有效地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)的積累。然而，該方法需要依賴于一個(gè)嚴(yán)格的模型假設(shè)， 即目標(biāo)需要始終保持恒定的徑向速度，當(dāng)目標(biāo)存在一定機(jī)動(dòng)特性時(shí)，該方法則會(huì)因目標(biāo)運(yùn) 動(dòng)模型失匹而導(dǎo)致性能嚴(yán)重下降。為了緩和這一問(wèn)題，該文獻(xiàn)提出通過(guò)擴(kuò)大搜索范圍來(lái)提 高對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的適應(yīng)能力，但是該策略會(huì)在信號(hào)積累過(guò)程中引入大量噪聲狀態(tài)，并同時(shí)影 響對(duì)機(jī)動(dòng)和非機(jī)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)跟蹤性能，嚴(yán)重地制約了該方法在真實(shí)場(chǎng)景中的應(yīng)用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種針對(duì)脈沖多普勒雷達(dá)系統(tǒng)的適用于機(jī)動(dòng) 目標(biāo)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃?rùn)z測(cè)前跟蹤方法。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是，適用于脈沖多普勒雷達(dá)的機(jī)動(dòng) 目標(biāo)多幀檢測(cè)前跟蹤方法，包括以下步驟：
[0006] 步驟1、初始化系統(tǒng)參數(shù)：
[0007] 初始化系統(tǒng)參數(shù)包括:雷達(dá)距離維分辨力△ r ;雷達(dá)多普勒維分辨力△ d ;雷達(dá)距離 維分辨單元個(gè)數(shù)Nr;雷達(dá)多普勒維分辨單元個(gè)數(shù)Nd;幀間間隔T;觀測(cè)總幀數(shù)K;檢測(cè)門限V T; 當(dāng)前幀數(shù)k=l;
[0008] 步驟2、初始化模型參數(shù)：
[0009] 初始化模型參數(shù)包括：目標(biāo)機(jī)動(dòng)頻率參數(shù)α;當(dāng)前統(tǒng)計(jì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)模型參數(shù)矩陣F，U, Q;觀測(cè)矩陣Η;加速度絕對(duì)值上限amax;狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率門限γ ;并對(duì)初始時(shí)刻所有量化狀態(tài) XI = [ Π , di, ai ]τ，賦初值ai = Om/s2 (其中rk, dk, ak分別表示k時(shí)刻的目標(biāo)距離，多普勒和徑向 加速度）；對(duì)初始時(shí)刻所有量化狀態(tài)XI對(duì)應(yīng)的當(dāng)前加速度均值，賦初值％ = 〇 m/s2;
[0010] 步驟3、從雷達(dá)接收機(jī)讀取第k幀量測(cè)數(shù)據(jù)Zk:
[0011] ： 1 J f f V,卜其中i表示距離單元編號(hào)，j表示多普勒單元編號(hào)，Nr 表示距離單元總數(shù)，Nd表示多普勒單元總數(shù)，表示第k幀距離單元編號(hào)i與多普勒單元編 號(hào)j對(duì)應(yīng)量測(cè)數(shù)據(jù)的幅度值；
[0012]步驟4利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃進(jìn)行值函數(shù)積累：
[0013] 若k=l，設(shè)所有量化狀態(tài)xk的值函數(shù)Ik(xk)=zk(xk)，其中zk(xk)表示第神貞量測(cè)數(shù) 據(jù)中與量化狀態(tài)Xk相對(duì)應(yīng)單兀的幅度值；
[0014] 若2彡k彡K，更新所有量化狀態(tài)紅的值函數(shù)
：記錄 .Λ4-1.'?-υ 與量化狀態(tài)Xk相對(duì)應(yīng)的前一幀量化狀違
其中，arg max表示輸出 使目標(biāo)函數(shù)最大時(shí)自變量的值，τ (xk)示所有可能轉(zhuǎn)移到當(dāng)前量化狀態(tài)xk的前一時(shí)刻量化狀 態(tài)xk-1 組成的集合T(xk) = {xk-i:p(xk|xk-1)彡 γ }，
[0015] ρ(Xk I Xk-i)表示量化狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率；
[0016] 步驟5若k多2,執(zhí)行步驟6;否則執(zhí)行步驟7;
[0017] 步驟6估計(jì)k時(shí)刻目標(biāo)的徑向加速度及對(duì)應(yīng)的當(dāng)前加速度均值：
[0018] 對(duì)所有量化狀態(tài)xk，估計(jì)其目標(biāo)徑向加速度ak及對(duì)應(yīng)的當(dāng)前加速度均值<，
，其中符號(hào)（·）2表示取向量的第2個(gè)元素；
[0019] 步驟7若k〈K，則k = k+l，返回步驟3;否則執(zhí)行步驟8;
[0020] 步驟8門限判決及恢復(fù)航跡：
[0021] 若值函數(shù)最大值maxIK(XK)超過(guò)預(yù)設(shè)檢測(cè)門限V T，則以l=argmf 作為K時(shí) 刻的估計(jì)狀態(tài)，并利用記錄的幀間狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系，恢復(fù)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)航跡為％:*=故，為，.-，4)， 其中A表示第k幀的估計(jì)狀態(tài)，且當(dāng)k〈K時(shí)Λ = S.t+1 (ii+]):否則，宣布目標(biāo)不存在。
[0022] 本發(fā)明能夠在動(dòng)態(tài)規(guī)劃值函數(shù)積累過(guò)程中，利用積累路徑上狀態(tài)的多普勒信息對(duì) 目標(biāo)徑向加速度和當(dāng)前加速度均值進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)。
[0023] 本發(fā)明的有益效果是，有效地提高了動(dòng)態(tài)規(guī)劃?rùn)z測(cè)前跟蹤方法對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的適應(yīng) 能力。此外，本發(fā)明對(duì)于目標(biāo)徑向加速度和當(dāng)前加速度均值的估計(jì)是由量測(cè)指導(dǎo)的，可自適 應(yīng)地完成，不需要具體的目標(biāo)先驗(yàn)信息。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本發(fā)明的總體流程框圖。
[0025] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中目標(biāo)場(chǎng)景的示意圖。
[0026] 圖3為本發(fā)明與原有方法（即【背景技術(shù)】中所提的"擴(kuò)大搜索范圍"的動(dòng)態(tài)規(guī)劃?rùn)z測(cè) 前跟蹤方法）的檢測(cè)性能對(duì)比圖。 具體實(shí)施方案
[0027]本發(fā)明主要采用計(jì)算機(jī)仿真的方法進(jìn)行驗(yàn)證，所有步驟、結(jié)論都在MATLAB-R2012b 上驗(yàn)證正確。具體實(shí)施步驟如圖1所示，目標(biāo)場(chǎng)景如圖2所示：
[0028]步驟1、初始化系統(tǒng)參數(shù)：
[0029]初始化系統(tǒng)參數(shù)包括：雷達(dá)距離維分辨力Ar = 20m;雷達(dá)多普勒維分辨力Ad = 9.766111/8;雷達(dá)距離維分辨單元個(gè)數(shù)隊(duì)=500;雷達(dá)多普勒維分辨單元個(gè)數(shù)仏=64 ;幀間間隔 T = 1 · 8s;觀測(cè)總幀數(shù)K = 10;檢測(cè)門限Vt= 24 · 316;當(dāng)前幀數(shù)k= 1;
[0030] 步驟2、初始化模型參數(shù)：
[0034] 其中，qn=(l-e-2αΤ+2αΤ+2α3Τ 3/3-2a2T2_4aTe-αΤ)/2α5，[0035] q12 = q21= (e-2aT+l-2e-aT+2aTe-αΤ_2αΤ+α 2Τ2)/2α4，[0036] q13 = q31=(l-e-2aT-2aTe-aT)/2a 3，q22=(4e-aT-3_e-2aT+2aT)/2a 3，[0037] q23 = q32 = (e-2aT+i-2e-aT)/2a2，q 33 = (1-e-2aT)/2a ;
[0031] 初始化模型參數(shù)包括：目標(biāo)機(jī)動(dòng)頻率參數(shù)α = 〇.2; "當(dāng)前"統(tǒng)計(jì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)模型參數(shù) 矩陣
[0032]
[0033]
[0038] 觀測(cè)矩P
加速度絕對(duì)值上限amax = 50m/s2;狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率門限γ = 10-4;并對(duì)初始時(shí)刻所有量化狀態(tài)Xk= [rk，dk，ak]T賦初值ak = Om/s2，k= 1;對(duì)所有初始時(shí)刻 量化狀態(tài)xi對(duì)應(yīng)的當(dāng)前加速度均值％賦初值5( =〇m/s2 ;rk，dk，￡ik分別表示k時(shí)刻的目標(biāo)距 離，多普勒和徑向加速度；
[0039]步驟3、從雷達(dá)接收機(jī)讀取第k幀量測(cè)數(shù)據(jù)Zk:
[0040] =丨/, _ : 1 ?Λ/..l句' :￡ 其中i表示距離單元編號(hào)，j表示多普勒單元編號(hào)， ζ?:7表示對(duì)應(yīng)量測(cè)數(shù)據(jù)的幅度值；
[0041 ]步驟4、利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃進(jìn)行值函數(shù)積累：
[0042] 若k = l，對(duì)所有量化狀態(tài)XI，值函數(shù)Ιι(χι) = ζι(χι)，其中zk(xk)表示第k幀量測(cè)數(shù) 據(jù)中與量化狀態(tài)Xk相對(duì)應(yīng)單兀的幅度值；
[0043] 若2彡k彡K，更新所有量化狀態(tài)Xk的值函數(shù)4(? )+? (%)，并記錄 與量化狀態(tài)Xk相對(duì)應(yīng)的前一幀量化狀態(tài)SU = (χ?-1);其中，T(xk) = {Xk-1 :p (xk|xk-i)彡γ }表示所有可能轉(zhuǎn)移到當(dāng)前量化狀態(tài)xk的前一時(shí)刻量化狀態(tài)xk-i組成的集合;p (Xklxk-i)表示量化狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率，其近似計(jì)算方式可表示為
[0044]
[0045] 其中符號(hào)Ν(ν;μ，Σ)表示以向量v為自變量，μ為均值向量，Σ為協(xié)方差矩陣的高斯 分布函數(shù);這里將當(dāng)前統(tǒng)計(jì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)模型引入到轉(zhuǎn)移狀態(tài)搜索步驟之中，能夠根據(jù)估計(jì)的 當(dāng)前加速度均值自適應(yīng)地調(diào)整搜索范圍的大小，從而避免大量噪聲狀態(tài)的干擾。
[0046] 步驟5、若k彡2，執(zhí)行步驟6;否則執(zhí)行步驟7;
[0047] 步驟6、估計(jì)k時(shí)刻目標(biāo)的徑向加速度ak及對(duì)應(yīng)的當(dāng)前加速度均值％ :
[0048] 對(duì)所有量化狀態(tài)xk，估計(jì)其目標(biāo)徑向加速度及對(duì)應(yīng)的當(dāng)前加速度均值
其中其中符號(hào)（·）2表示取向量的第2個(gè)元素；
[0049] 步驟7、若k〈K，則k = k+l，返回步驟3;否則執(zhí)行步驟8;
[0050] 步驟8、門限判決及恢復(fù)航跡：
[0051] 若值函數(shù)最大值超過(guò)預(yù)設(shè)檢測(cè)門限VT，則利用記錄的幀間狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系，恢復(fù)對(duì) 應(yīng)的目標(biāo)航跡，作為估計(jì)的狀態(tài)序列，表示為L(zhǎng) = (d...Λ )，其中％表示第k幀的估計(jì) 狀態(tài);否則，宣布目標(biāo)不存在。
[0052]對(duì)于三個(gè)仿真目標(biāo)：
[0053]
[0054] 圖3給出了本發(fā)明與原有方法（即【背景技術(shù)】中所提的"擴(kuò)大搜索范圍"的動(dòng)態(tài)規(guī)劃 檢測(cè)前跟蹤方法）的檢測(cè)性能對(duì)比圖?？梢钥闯觯谙嗤旁氡葪l件下，無(wú)論是對(duì)于非機(jī)動(dòng) 的目標(biāo)2,還是對(duì)于具有不同程度機(jī)動(dòng)特性的目標(biāo)1和目標(biāo)3,本發(fā)明都顯示了更高的檢測(cè)概 率。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 適用于脈沖多普勒雷達(dá)的機(jī)動(dòng)目標(biāo)多帖檢測(cè)前跟蹤方法，其特征在于，包括W下步 驟： 步驟1初始化系統(tǒng)參數(shù)； 步驟2初始化模型參數(shù)； 步驟3從雷達(dá)接收機(jī)讀取第k帖量測(cè)數(shù)據(jù)Zk: : 1 < /《W,.，l y ^ ，其中1表示距離單元編號(hào)，^'表示多普勒單元編號(hào)其表示 距離單元總數(shù)，N康示多普勒單元總數(shù)，表示第k帖距離單元編號(hào)i與多普勒單元編號(hào)j對(duì) 應(yīng)量測(cè)數(shù)據(jù)的幅度值； 步驟4利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃進(jìn)行值函數(shù)積累： 若k=l，設(shè)所有量化狀態(tài)xk的值函數(shù)Ik(祉）= zk(祉），其中zk(xk)表示第k帖量測(cè)數(shù)據(jù)中 與量化狀態(tài)Xk相對(duì)應(yīng)單元的幅度值； 若2《k《K，更新所有量化狀態(tài)化的值函數(shù)4佔(zhàn))=、《^芳/-,(Vi) + z;(x*)，并記錄與量 化狀態(tài)xk相對(duì)應(yīng)的前一帖量化狀態(tài)S* (馬）=鳴ma; /<-, (X-，);其中，曰rg max表示輸出使目 標(biāo)函數(shù)最大時(shí)自變量的值，T(xk)示所有可能轉(zhuǎn)移到當(dāng)前量化狀態(tài)Xk的前一時(shí)刻量化狀態(tài) 祉-1組成的集合τ (Xk) = {Xk-I: P (a I祉-1) > 丫 }，P (Xk I祉-1)表示量化狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率； 步驟5若2，執(zhí)行步驟6;否則執(zhí)行步驟7; 步驟6估計(jì)k時(shí)刻目標(biāo)的徑向加速度及對(duì)應(yīng)的當(dāng)前加速度均值： 對(duì)所有量化狀態(tài)xk，估計(jì)其目標(biāo)徑向加速度ak及對(duì)應(yīng)的當(dāng)前加速度均值馬，，其中符號(hào)（·）2表示取向量的第2個(gè)元素； 步驟7若k<K，則k = k+1，返回步驟3;否則執(zhí)行步驟8; 步驟8Π 限判決及恢復(fù)航跡： 若值函數(shù)最大值maxlK(XK)超過(guò)預(yù)設(shè)檢測(cè)口限￥了，則^私=[畔1113、4片乂)作為即寸刻的 估計(jì)狀態(tài)，并利用記錄的帖間狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系，恢復(fù)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)航跡為A.=掉，《;，...,?)，其 中S姨示第k帖的估計(jì)狀態(tài)，且當(dāng)k<即寸A = Sw栓,1 );否則，宣布目標(biāo)不存在。2. 如權(quán)利要求1所述適用于脈沖多普勒雷達(dá)的機(jī)動(dòng)目標(biāo)多帖檢測(cè)前跟蹤方法，其特征 在于，初始化的系統(tǒng)參數(shù)包括雷達(dá)距離維分辨力A r、雷達(dá)多普勒維分辨力Δ d、雷達(dá)距離維 分辨單元個(gè)數(shù)Nr、雷達(dá)多普勒維分辨單元個(gè)數(shù)Nd、帖間間隔T、觀測(cè)總帖數(shù)K、檢測(cè)口限Vt、當(dāng) 前帖數(shù)k=l; 初始化的模型參數(shù)包括目標(biāo)機(jī)動(dòng)頻率參數(shù)α、當(dāng)前統(tǒng)計(jì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)模型參數(shù)矩陣F，U，Q、 觀測(cè)矩陣Η、速度絕對(duì)值上限amax、狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率口限丫，并對(duì)初始時(shí)刻所有量化狀態(tài)Xk = 虹地，曰1<]叫武初值曰1<=〇111/32,4=1;^，(11<，曰1<分別表示1^時(shí)刻的目標(biāo)距離，多普勒和徑向加速 度，（·）τ表示矩陣轉(zhuǎn)置； 其中，目標(biāo)模型參數(shù)矩陣F，U，Q:3. 如權(quán)利要求2所述適用于脈沖多普勒雷達(dá)的機(jī)動(dòng)目標(biāo)多帖檢測(cè)前跟蹤方法，其特征 在于，a = 〇.2;amax = 50m/s2; 丫 =1〇-4。4. 如權(quán)利要求2所述適用于脈沖多普勒雷達(dá)的機(jī)動(dòng)目標(biāo)多帖檢測(cè)前跟蹤方法，其特征 在于，量化狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率P (a I xk-i)計(jì)算方式為：其中，Ν(ν;μ，Σ)表示W(wǎng)向量V為自變量，μ為均值向量，Σ為協(xié)方差矩陣的高斯分布函 數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01S13/58GK105974402SQ201610283479
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年4月29日
【發(fā)明人】易偉, 方梓成, 王經(jīng)鶴, 諶振華, 孔令講, 崔國(guó)龍, 楊曉波
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)