一种船用导航雷达数据互联的多目标跟踪方法及系统与流程

本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种船用导航雷达数据互联的多目标跟踪方法和系统。

背景技术：

近年来，随着应用环境的复杂多变，要求雷达具有多跟踪目标跟踪能力，并能同时实现多跟踪目标跟踪；多跟踪目标跟踪的基本概念是由wax于1955年在应用物理杂志的一篇文章中提出来的，之后1964年斯特尔在ieee上发表一篇名为“监视理论中的最优数据关联问题”的论文成为多跟踪目标跟踪的先导，但那时卡尔曼滤波尚未普遍应用，斯特尔采用的是一种航迹分叉法解决数据关联问题；20世纪70年代初开始在有虚警存在的情况下，利用卡尔曼滤波方法(kalman)系统地对多跟踪目标跟踪并进行处理；1971年singer提出的最近邻法是解决数据关联最简单的方法，但最近邻法在杂波环境下的正确关联率较低；在此期间，y.bar-shalom起到了举足轻重的作用，他于1975年提出了特别适用于杂波环境下对单跟踪目标进行跟踪的概率数据关联算法(pda)，有效解决了杂波环境下的多跟踪目标跟踪问题；t.e.formann和y.bar-shalom等提出了联合概率数据关联算法(jpda)，jpda将所有的跟踪目标和量测进行排列组合，并选择出合理的联合事件计算联合概率，jpda考虑了来自其他跟踪目标的多个量测处在同一跟踪目标互联域内的可能性，能够很好地解决杂波环境下一个互联域内多跟踪目标的量测问题；但与此同时，jpda比较复杂，计算量大，并且随着跟踪目标数的增长，确认矩阵的拆分会出现组合爆炸的情况。因此，jpda在工程上实现起来比较困难。

航迹质量管理，可以及时、准确地起始航迹来建立新跟踪目标档案，也可以及时、准确地撤销航迹以消除多余跟踪目标档案。跟踪目标航迹起始算法有直观法、逻辑法、霍夫(hough)变化法等，而航迹结束算法有全邻贝叶斯(bayes)算法、跟踪门算法、序列概率比检验算法。

本发明把航迹开始、航迹撤销以及航迹维持合并，结合波门参数建立和数据关联的跟踪目标状态，基于船用导航雷达的实际应用，给出了一种船用导航雷达航迹质量评定标准，其中包括跟踪波门参数的选择准则、航迹确认准则、航迹撤销准则，提出了一种船用导航雷达数据互联的多目标跟踪方法和系统。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种船用导航雷达数据互联的多目标跟踪方法和系统，该方法和系统可以有效的进行航迹多跟踪目标跟踪，解决了现有技术跟踪状态不稳定不精确的问题。

本发明提供了一种船用导航雷达数据互联的多目标跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过雷达数据获取单元采集多组的跟踪时间数据、跟踪状态数据、点迹数据和航迹数据；

通过波门参数选择单元根据跟踪时间长短和跟踪状态，选择波门参数；

通过点迹数据、航迹数据提取单元提取目标航迹数据存储单元和目标点迹数据存储单元内的目标航迹数据和目标点迹数据；

通过点迹数据、航迹数据互联判断单元，根据波门参数内点迹数据和航迹数据互联关系进行判断：如果航迹数据和点迹数据相交，波门参数内仅航迹数据和点迹数据一一对应，且能量比超过阈值，此时该点迹数据与航迹数据互联；

通过点迹数据、航迹数据处理单元，当波门参数内一个航迹数据与两个点迹数据互联时，计算该航迹数据与两个点迹数据的相关参数，根据优先级比较这些参数，选比值大的点迹数据与该航迹数据互联，并通过目标点迹输出单元输出跟踪结果，落选的点迹数据通过目标点迹回收单元回收至目标点迹数据储存单元，用以与其他目标航迹比较；当波门参数内有两个航迹数据与一个点迹数据互联，计算该两个航迹数据与该点迹数据的相关参数，根据优先级比较这些参数，选比值大的航迹数据与该点迹数据互联，并通过目标点迹输出单元输出跟踪结果。两个航迹目标认为是处于融合状态，该点迹数据不用于跟踪。

进一步地，所述波门参数按尺寸分为大波门参数、中波门参数和小波门参数三种。

进一步地，根据数据互联的情况判断目标跟踪状态，在多目标的情况下，点迹数据和航迹数据的互联情况判断基于以下半判断模型：

a)目标相关波门参数内只有一个点迹数据，且该点迹数据与该目标波门参数相交，则该点迹数据属于该目标；

b)如果单个点迹数据落入多个航迹数据的波门参数重叠区域内，需要根据相关信息判断；

c)如果多个点迹落数据入单个目标航迹数据的相关波门参数内，则分别计算航迹数据和多个点迹数据的重叠比、距离比、形状比和能量比从而判断互联情况；

d)如果在该目标对应的波门参数内未关联到点迹数据，该目标状态根据之前的航迹数据信息推算本帧的位置、航速和航向。

进一步地，在计算航迹数据和点迹数据的重叠比时，有基于以下数学公式建立的数学模型：

式中，si——目标与点迹重叠面积，i＝1,2；

staget——该航迹的面积；

secho——点迹的面积，

当满足sr1>st和sr2>st(st是判断目标与回波重叠的全局阈值)时，且sr1-sr2>st时，点迹属于航迹1；如果sr2-sr1>st，点迹属于航迹2；如果满足sr1>st和sr2>st，但是|sr1-sr2|<st，就通过距离比进一步判断；

进一步地，在计算航迹数据和点迹数据的距离比时，有基于以下数学公式建立的数学模型：

式中，dx——点迹和航迹在x方向的偏差；

dy——点迹和航迹在y方向的偏差；

dp——该目标航迹的距离偏差量。根据不同类型船只的尺寸，给出其最大航速、转弯率等值。因此，通过该目标尺寸选择对应的最大航速和转弯率，再根据当前时刻到最后稳定跟踪的时间差，来计算其最大偏移位置；

当满足pr1>pt和pr2>pt(pt是判断目标航迹与点迹的全局距离阈值)时，且pr1-pr2>pt时，该点迹属于航迹1；如果pr2-pr1>pt，点迹属于航迹2；如果满足pr1>pt和pr2>pt，但是|pr1-pr2|<pt，就通过形状比进一步判断。

进一步地,在计算航迹数据和点迹数据的形状比时，有基于以下数学公式建立的数学模型：

式中，点迹的形状比ρecho和目标航迹的形状比ρtarget计算方法如下：

式中，rlength——目标或点迹距离方向的长度，θwidth——目标或点迹方位方向的宽度。

进一步地,在计算航迹数据和点迹数据的能量比时，有基于以下数学公式建立的数学模型：

式中，htarget——目标的能量；hecho——点迹的能量；

如果通过距离比无法判断时，计算形状比和能量比，当ht+ρt＞0时，点迹属于航迹1；否则，点迹属于航迹2。式中，ht＝hr1-hr2，ρt＝ρr1-ρr2。

本发明还提供了一种船用导航雷达航迹管理的多跟踪目标跟踪系统，其特征在于，包括：

雷达数据获取单元，用于采集多组的跟踪时间数据、跟踪状态数据、点迹数据和航迹数据；

波门参数选择单元，用于根据跟踪时间长短和跟踪状态，选择波门参数；

点迹数据、航迹数据提取单元，用于提取目标航迹数据存储单元和目标点迹数据存储单元内的目标航迹数据和目标点迹数据；

目标航迹数据存储单元，用于存储雷达跟踪目标的航迹数据；

目标点迹数据存储单元，用于存储雷达跟踪目标的点迹数据，并回收互联失败的点迹数据；

点迹数据、航迹数据互联判断单元，用于根据波门参数内点迹数据和航迹数据互联关系进行判断；

点迹数据、航迹数据处理单元，用于计算航迹数据和点迹数据的重叠比、距离比、形状比和能量比从而判断互联情况；

目标点迹回收单元，用于将落选的目标点迹数据回收至目标点迹数据存储单元备用；

目标点迹输出单元，用于输出目标点迹数据跟踪结果；

所述雷达数据获取单元电连接于所述波门参数选择单元，所述波门参数选择单元电连接于所述点迹数据、航迹数据提取单元，所述点迹数据、航迹数据提取单元分别与所述目标航迹数据存储单元、所述目标点迹数据存储单元和所述点迹数据、航迹数据互联判断单元电连接，所述点迹数据、航迹数据互联判断单元电连接于所述点迹数据、航迹数据处理单元，所述电机数据、航迹数据处理单元分别电连接于所述目标点迹输出单元和所述目标点迹回收单元，所述目标点迹回收单元电连接于所述目标点迹数据存储单元。

本发明与现有技术相比具有以下的优点：

本发明除了利用位置信息，还包括目标本身的特性，例如形状比和能量比等。利用多维信息判断，在密集杂波环境中多目标跟踪，既保证目标跟踪精度又可以减少误匹配的概率。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的方法步骤框图；

图2是本发明的模块连接框图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

如图1、图2所示，本发明提供了一种船用导航雷达数据互联的多目标跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过雷达数据获取单元采集多组的跟踪时间数据、跟踪状态数据、点迹数据和航迹数据；

通过波门参数选择单元根据跟踪时间长短和跟踪状态，选择波门参数；

通过点迹数据、航迹数据提取单元提取目标航迹数据存储单元和目标点迹数据存储单元内的目标航迹数据和目标点迹数据；

通过点迹数据、航迹数据互联判断单元，根据波门参数内点迹数据和航迹数据互联关系进行判断：如果航迹数据和点迹数据相交，波门参数内仅航迹数据和点迹数据一一对应，且能量比超过阈值，此时该点迹数据与航迹数据互联；

通过点迹数据、航迹数据处理单元，当波门参数内一个航迹数据与两个点迹数据互联时，计算该航迹数据与两个点迹数据的相关参数，根据优先级比较这些参数，选比值大的点迹数据与该航迹数据互联，并通过目标点迹输出单元输出跟踪结果。落选的点迹数据通过目标点迹回收单元回收至目标点迹数据储存单元，用以与其他目标航迹比较；当波门参数内有两个航迹数据与一个点迹数据互联，计算该两个航迹数据与该点迹数据的相关参数，根据优先级比较这些参数，选比值大的航迹数据与该点迹数据互联，并通过目标点迹输出单元输出跟踪结果。两个航迹目标认为是处于融合状态，该点迹数据不用于跟踪。

进一步地，所述波门参数按尺寸分为大波门参数、中波门参数和小波门参数三种。

进一步地，根据数据互联的情况判断目标跟踪状态，在多目标的情况下，点迹数据和航迹数据的互联情况判断基于以下半判断模型：

a)目标相关波门参数内只有一个点迹数据，且该点迹数据与该目标波门参数相交，则该点迹数据属于该目标；

b)如果单个点迹数据落入多个航迹数据的波门参数重叠区域内，需要根据相关信息判断；

c)如果多个点迹落数据入单个目标航迹数据的相关波门参数内，则分别计算航迹数据和多个点迹数据的重叠比、距离比、形状比和能量比从而判断互联情况；

d)如果在该目标对应的波门参数内未关联到点迹数据，该目标状态根据之前的航迹数据信息推算本帧的位置、航速和航向。

进一步地，在计算航迹数据和点迹数据的重叠比时，有基于以下数学公式建立的数学模型：

式中，si——目标与点迹重叠面积，i＝1,2；

staget——该航迹的面积；

secho——点迹的面积。

当满足sr1>st和sr2>st(st是判断目标与回波重叠的全局阈值)时，且sr1-sr2>st时，点迹属于航迹1；如果sr2-sr1>st，点迹属于航迹2；如果满足sr1>st和sr2>st，但是|sr1-sr2|<st，就通过距离比进一步判断；

进一步地，在计算航迹数据和点迹数据的距离比时，有基于以下数学公式建立的数学模型：

式中，dx——点迹和航迹在x方向的偏差；

dy——点迹和航迹在y方向的偏差；

dp——该目标航迹的距离偏差量。根据不同类型船只的尺寸，给出其最大航速、转弯率等值。因此，通过该目标尺寸选择对应的最大航速和转弯率，再根据当前时刻到最后稳定跟踪的时间差，来计算其最大偏移位置。

当满足pr1>pt和pr2>pt(pt是判断目标航迹与点迹的全局距离阈值)时，且pr1-pr2>pt时，该点迹属于航迹1；如果pr2-pr1>pt，点迹属于航迹2；如果满足pr1>pt和pr2>pt，但是|pr1-pr2|<pt，就通过形状比进一步判断；

进一步地,在计算航迹数据和点迹数据的形状比时，有基于以下数学公式建立的数学模型：

式中，点迹的形状比ρecho和目标航迹的形状比ρtarget计算方法如下：

式中，rlength——目标或点迹距离方向的长度，θwidth——目标或点迹方位方向的宽度。

进一步地,在计算航迹数据和点迹数据的能量比时，有基于以下数学公式建立的数学模型：

式中，htarget——目标的能量；hecho——点迹的能量；

如果通过距离比无法判断时，计算形状比和能量比，当ht+ρt＞0时，点迹属于航迹1；否则，点迹属于航迹2。式中，ht＝hr1-hr2，ρt＝ρr1-ρr2。

本发明还提供了一种船用导航雷达航迹管理的多跟踪目标跟踪系统，其特征在于，包括：

雷达数据获取单元，用于采集多组的跟踪时间数据、跟踪状态数据、点迹数据和航迹数据；

波门参数选择单元，用于根据跟踪时间长短和跟踪状态，选择波门参数；

点迹数据、航迹数据提取单元，用于提取目标航迹数据存储单元和目标点迹数据存储单元内的目标航迹数据和目标点迹数据；

目标航迹数据存储单元，用于存储雷达跟踪目标的航迹数据；

目标点迹数据存储单元，用于存储雷达跟踪目标的点迹数据，并回收互联失败的点迹数据；

点迹数据、航迹数据互联判断单元，用于根据波门参数内点迹数据和航迹数据互联关系进行判断；

点迹数据、航迹数据处理单元，用于计算航迹数据和点迹数据的重叠比、距离比、形状比和能量比从而判断互联情况；

目标点迹回收单元，用于将落选的目标点迹数据回收至目标点迹数据存储单元备用；

目标点迹输出单元，用于输出目标点迹数据跟踪结果；

所述雷达数据获取单元电连接于所述波门参数选择单元，所述波门参数选择单元电连接于所述点迹数据、航迹数据提取单元，所述点迹数据、航迹数据提取单元分别与所述目标航迹数据存储单元、所述目标点迹数据存储单元和所述点迹数据、航迹数据互联判断单元电连接，所述点迹数据、航迹数据互联判断单元电连接于所述点迹数据、航迹数据处理单元，所述电机数据、航迹数据处理单元分别电连接于所述目标点迹输出单元和所述目标点迹回收单元，所述目标点迹回收单元电连接于所述目标点迹数据存储单元。

本发明除了利用位置信息，还包括目标本身的特性，例如形状比和能量比等。利用多维信息判断，在密集杂波环境中多目标跟踪，既保证目标跟踪精度又可以减少误匹配的概率。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。