一种结合目标角度的外辐射源雷达多目标跟踪方法
【专利摘要】本发明属于外辐射源雷达多目标跟踪【技术领域】，特别涉及一种结合目标角度的外辐射源雷达多目标跟踪方法。该结合目标角度的外辐射源雷达多目标跟踪方法包括以下步骤：对外辐射源雷达接收的数字电视信号依次进行解调、重编码，重构出各个发射站的直达波信号；利用每个发射站的直达波信号对外辐射源雷达接收的数字电视信号进行自适应杂波相消处理，得到杂波相消后信号；根据所述杂波相消后信号、以及重构出的各个发射站的直达波信号，得到各个目标的观测量；根据每个目标相对于外辐射源雷达的角度，采用概率假设密度粒子滤波方法对外辐射源雷达矩形观测区域内的每个目标实施定位跟踪，每个目标的定位跟踪方法为到达时间定位方法。
【专利说明】一种结合目标角度的外辐射源雷达多目标跟踪方法
【技术领域】
[0001]本发明属于外辐射源雷达多目标跟踪【技术领域】，特别涉及一种结合目标角度的外辐射源雷达多目标跟踪方法。本发明利用外辐射源雷达系统中采用多发一收结构，将目标双基地距离、多普勒速度与目标角度信息相结合，同时对多个目标进行定位跟踪，本发明可在杂波背景下，实现对多个目标的准确跟踪，运算量小，跟踪精度高。
【背景技术】
[0002]随着现代电子技术的发展，传统的有源雷达在电子干扰、反辐射导弹、超低空突防及隐身技术等威胁中面临严重的生存危机。为了应对现代电子战争中的四大威胁，外辐射源雷达成为雷达领域的研究热点。外辐射源雷达本身不发射电磁波，而是利用已存在的民用信号(如FM调频信号、GMS(Global System for Mobile communicat1n,全球移动通讯系统)、电视信号等)作为第三方照射源，对目标进行探测和定位，具有生存能力强、反隐身、抗低空突防及成本低等优势。但是由于民用信号的发射功率较低，目标回波通常被直达波和多径覆盖，因此实现目标探测和跟踪前需要先对回波信号进行处理，提取所需的目标参数作为接收站观测量。
[0003]利用外辐射源雷达实现多目标跟踪是雷达跟踪领域中的研究热点和难点。一方面多目标跟踪在民用和军事上都有重要应用；另一方面外辐射源雷达多目标跟踪要求能从包含杂波且数目时变的观测量中提取出目标个数不定的目标状态，为实现这一目的，需要配对目标与观测量、发射站与观测量。传统的处理方法基于数据关联，存在计算量随时间增长的问题。为避免数据关联，Mahler提出概率假设密度(PHD)滤波器，随后概率假设密度粒子滤波器(PF-PHD)的提出将PHD算法由理论层面带入工程实践中。
[0004]虽然PF - PHD可以避免数据关联，但需要大量粒子以保证跟踪性能，计算量太大。多种观测量的结合会提高跟踪精度，在外辐射源雷达跟踪中最常用的观测量是目标的双基地距离和多普勒速度，但只利用这两种观测量概率假设密度粒子滤波器(PF-PHD)仍然需要大量粒子来保证跟踪性能，运算量大，实时性差。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提出一种结合目标角度的外辐射源雷达多目标跟踪方法。本发明以数字电视信号作为外辐射源雷达的第三方照射源，从数字电视信号的信道估计参数中直接获取目标时延和多普勒频移，简化目标跟踪的前期信号处理过程；在PF - PHD滤波器中，通过增加目标角度信息，优化新生粒子的分布，实现用少量粒子对多个目标进行高精度跟踪。
[0006]为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
[0007]—种结合目标角度的外辐射源雷达多目标跟踪方法包括以下步骤:
[0008]步骤I，利用外辐射源雷达接收数字电视信号，对外辐射源雷达接收的数字电视信号依次进行解调、重编码，重构出各个发射站的直达波信号；
[0009]步骤2，利用每个发射站的直达波信号对外辐射源雷达接收的数字电视信号进行自适应杂波相消处理，得到杂波相消后信号；根据所述杂波相消后信号、以及重构出的各个发射站的直达波信号，得到各个目标的观测量；
[0010]步骤3，根据每个目标相对于外辐射源雷达的角度，采用概率假设密度粒子滤波方法对外辐射源雷达矩形观测区域内的每个目标实施定位跟踪，每个目标的定位跟踪方法为到达时间定位方法。
[0011]本发明的特点和进一步改进在于:
[0012]所述步骤2的具体子步骤为:
[0013](2.1)利用每个发射站的直达波信号对外辐射源雷达接收的数字电视信号进行自适应杂波相消处理，得到杂波相消后信号；
[0014](2.2)对所述杂波相消后信号、以及重构出的各个发射站的直达波信号进行距离一多普勒二维相关运算，得到各个目标的观测量；每个目标的观测量包括:对应目标的双基地距离和、对应目标的多普勒速度、以及对应目标相对于外辐射源雷达的角度。
[0015]所述步骤3的具体子步骤为:
[0016](3.1)设置参数k，k = 0，1，2...;ik = O时，在k时刻用Ltl个粒子表示对应目标状态的先验分布，所述U个粒子表示为
【权利要求】
1.一种结合目标角度的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I，利用外辐射源雷达接收数字电视信号，对外辐射源雷达接收的数字电视信号依次进行解调、重编码，重构出各个发射站的直达波信号； 步骤2，利用每个发射站的直达波信号对外辐射源雷达接收的数字电视信号进行自适应杂波相消处理，得到杂波相消后信号；根据所述杂波相消后信号、以及重构出的各个发射站的直达波信号，得到各个目标的观测量； 步骤3，根据每个目标相对于外辐射源雷达的角度，采用概率假设密度粒子滤波方法对外辐射源雷达矩形观测区域内的每个目标实施定位跟踪，每个目标的定位跟踪方法为到达时间定位方法。
2.如权利要求1所述的一种结合目标角度的外辐射源雷达多目标跟踪方法，其特征在于，所述步骤2的具体子步骤为: (2.1)利用每个发射站的直达波信号对外辐射源雷达接收的数字电视信号进行自适应杂波相消处理，得到杂波相消后信号； (2.2)对所述杂波相消后信号、以及重构出的各个发射站的直达波信号进行距离一多普勒二维相关运算，得到各个目标的观测量；每个目标的观测量包括:对应目标的双基地距离和、对应目标的多普勒速度、以及对应目标相对于外辐射源雷达的角度。
3.如权利要求1所述的一种结合目标角度的外辐射源雷达多目标跟踪方法，其特征在于，所述步骤3的具体子步骤为: (3.1)设置参数k, k = O, 1，2...;当k = O时,在k时刻用Lci个粒子表示对应目标状态的先验分布，所述Ltl个粒子表示为Z0-1 2表示O时刻所述L0个粒子中第1个粒子的权值，；47|1>表示所述Ltl个粒子中第L个粒子在O时刻的粒子状态；(3.2)当k≥I时，将k-Ι时刻的粒子集为，Lk^1为k-Ι时刻的粒子
数，Ik^1取I至Lk_1; M411)为k-Ι时刻第L1个粒子的权值，xfc1)为k-Ι时刻第L1个粒子的粒子状态；在1^-1时刻每个粒子处产生一组西格玛点，k-Ι时刻每个粒子处产生的一组西格玛点包括至、以及Ht1A至，η为粒子状态的维数；将k-Ι时刻每个粒子处产生的一组西格玛点带入对应目标状态转移方程中，得到k时亥1Jdf)的一步预测状态值，j取O至2η ；^χ^0>Μχ1|!?2,,)进行加权求和，得到k时刻粒子状态的初步一步预测值，计算出k时刻歡的初步一步预测状态协方差矩阵 将)代人目标观测方 程中，得到k的一步预测J观测值所述目标观测方程为Zk = h(xk，Vk)，其中，Vk为观测噪声，h(xk，Vk)表示对应目标的观测函数；对
进行加权求和，得到K时刻观测量的初步一步预测值
在k时刻对应目标的观测集Zk中，选取出
与具有最近欧式距离的对应目标观测量zk，k时刻对应目标的观测集Zk为:由k时刻对应目标的观测量组成的集合；用Zk对粒子状态的初步一步预测值
的初步一步预测状态协方差矩阵做进一步修正，得到初步一步预测均值
的初步一步预测状态协方差矩阵if.在均值为
，协方差为Piu>的高斯分布上采样,得到k时刻第V1个粒子的粒子状态的一步预测值
根据
的概率密度qk，并按照下式;i十算出Χ?^所对应的权值一^:
其中，ps;k为k-Ι时刻的对应目标在k时刻仍然存在的概率
， 应目标状态转移概率密度函数； (3.3)当k > I时，得出k时刻每个发射站对应的每个目标的双基地双基地椭圆，在k时刻每个发射站对应的每个目标的双基地椭圆曲线上，每个点对应的双基地距离和为一固定值，每个点对应的双基地距离和指:每个点与对应发射站的距离、以及对应点与外辐射源雷达的距离之和； 根据k-Ι时刻每个目标相对于外辐射源雷达的角度、以及k时刻每个目标相对于外辐射源雷达的角度，在k时刻每个发射站对应的对应目标的双基地椭圆曲线与外辐射源雷达的矩形观测区域边缘的交点处，分布k时刻新生粒子，并计算k时刻每个新生粒子的权值，k时刻新生粒子的个数表示为Jk，k时刻第inOT个新生粒子的粒子状态表示为
;, k时刻第个新生粒子的权值表示为
，inew取Lk-1+1至Ln+Jk ； (3.4)当I时，根据子步骤(3.2)和子步骤(3.3)，得到预测的k时刻的粒子集
，其中，
表示预测的k时刻的粒子集中第i’k个粒子的粒子状态， 表示预测的k时刻的粒子集中第i’ k个粒子的权值，i’ k取I至Lk_1+Jk ;利用k时刻对应目标的观测集Zk，对预测的k时刻的粒子集中第i’ k个粒子的权值
进行修正，得出预测的k时刻的粒子集中第i’ k个粒子的修正后权值《P); (3.5)按照预测的k时刻的粒子集中第1’，个粒子的修正后权值4/’<)，对预测的1^时刻的粒子集进行重采样，得出k时刻的粒子集dik时刻的粒子集进行聚类分析，得到每个目标k时刻的状态。
4.如权利要求3所述的一种结合目标角度的外辐射源雷达多目标跟踪方法，其特征在于，在子步骤(3.3)中，首先，根据k-Ι时刻目标的观测集Zlri，获取k-1时刻每个目标相对于外辐射源雷达的角度，将k-Ι时每个目标相对于外辐射源雷达的角度组成k-Ι时刻目标观测量角度集合ΘηΛ-1时刻目标观测量角度集合θ η中元素的个数表示为〈时刻目标观测量角度集合θ η中第a k_i个元素表示为1；)，α η取I至〈Θ J ;根据k时刻目标的观测集Zk，获取k时刻每个目标相对于外辐射源雷达的角度，将k时刻每个目标相对于外辐射源雷达的角度组成k时刻目标观测量角度集合Θ k，k时刻目标观测量角度集合Qk中元素的个数表示为<0k>，k时刻目标观测量角度集合Qk中第Cik个元素表示为 6^')，％ 取 I 至<0k>; 判断k时刻是否产生新生粒子，如果k时刻不产生新生粒子，则k时刻新生粒子的个数Jk为零；如果k时刻产生新生粒子，则得出k时刻产生的每个新生粒子的分布区域中心点方位角，k时刻产生的每个新生粒子的分布区域中心点方位角指:k时刻产生的对应新生粒子的位置的纵坐标与横坐标的比值的反正切值； 判断k时刻是否产生新生粒子的过程为:将α η从I至〈Θ H〉进行遍历，α η每取一个数值时，在k时刻目标 观测量角度集合Θ k中找出满足第一新生粒子存在条件的元素，所述第一新生粒子存在条件为:k时刻目标观测量角度集合0k中的元素与#1-1)的差值的绝对值不小于Y e，Y e为设定的角度门限；在将α η从I至〈Θ ,J进行遍历的过程中，若k时刻目标观测量角度集合Θ k中不存在满足第一新生粒子存在条件的元素，则k时刻不产生新生粒子；反之，k时刻产生新生粒子； 计算k时刻每个发射站对应的每个目标的双基地椭圆曲线与外辐射源雷达的矩形观测区域边缘的交点的位置；然后，根据k时刻每个发射站对应的每个目标的双基地椭圆曲线与外辐射源雷达的矩形观测区域边缘的交点的位置，在外辐射源雷达的矩形观测区域边缘中的上边缘、下边缘、左边缘或右边缘中，找出至少一个满足以下条件的边缘:与k时刻每个发射站对应的每个目标的双基地椭圆曲线存在交点；将找出的满足以上条件的边缘记为:k时刻目标的候选新生粒子分布边缘； 得出k时刻目标的新生粒子分布边缘；得出k时刻目标的新生粒子分布边缘的过程为:当k时刻目标的候选新生粒子分布边缘的个数等于I时，k时刻目标的新生粒子分布边缘为k时刻目标的候选新生粒子分布边缘；当k时刻目标的候选新生粒子分布边缘的个数大于I时，在k时刻目标的所有候选新生粒子分布边缘中找出k时刻目标的新生粒子分布边缘； 当k时刻目标的候选新生粒子分布边缘的个数等于I时，在得出k时刻目标的新生粒子分布边缘之后，在k时刻目标的新生粒子分布边缘、以及k时刻每个发射站对应的每个目标的双基地椭圆曲线的所有交点中，找出相距最近的I个交点，这I个交点与I个发射站一一对应；得出所述相距最近的I个交点的位置的均值，将所述相距最近的I个交点的位置的均值为:k时刻共同交点；根据目标观测方程，针对k时刻共同交点，得出k时刻共同交点对应的目标速度； 当k时刻目标的候选新生粒子分布边缘的个数大于I时，在k时刻目标的每个候选新生粒子分布边缘、以及k时刻每个发射站对应的每个目标的双基地椭圆曲线的所有交点中，找出相距最近的I个交点，这I个交点与I个发射站一一对应；得出所述相距最近的I个交点的位置的均值，将所述相距最近的I个交点的位置的均值为:对应候选新生粒子分布边缘的k时刻共同交点；根据目标观测方程，针对每个候选新生粒子分布边缘的k时刻共同交点，得出对应候选新生粒子分布边缘的k时刻共同交点对应的目标速度； 当k时刻目标的候选新生粒子分布边缘的个数大于I时，找出k时刻目标的新生粒子分布边缘的过程为:判断k时刻是否产生新生粒子，如果k时刻不产生新生粒子，则没有k时刻目标的新生粒子分布边缘；如果k时刻产生新生粒子，针对k时刻的每个新生粒子，判断每个候选新生粒子分布边缘的k时刻共同交点的方位角是否满足第二新生粒子存在条件，所述第二新生粒子存在条件为:每个候选新生粒子分布边缘的k时刻共同交点的方位角与k时刻目标观测量角度集合Θ k中满足第一新生粒子存在条件的元素的差值的绝对值不大于设定的方位角门限值；如果每个候选新生粒子分布边缘的k时刻共同交点的方位角不满足第二新生粒子存在条件，则令k时刻新生粒子的个数Jk取O ;如果至少一个候选新生粒子分布边缘满足第二新生粒子存在条件，则在满足第二新生粒子存在条件的候选新生粒子分 布边缘中，选择其k时刻共同交点的方位角与k时刻的对应新生粒子的分布区域中心点方位角最接近的候选新生粒子分布边缘，则k时刻目标的新生粒子分布边缘为:在满足第二新生粒子存在条件的候选新生粒子分布边缘中选择的候选新生粒子分布边缘，此时，k时刻共同交点为:k时刻目标的新生粒子分布边缘的k时刻共同交点，k时刻共同交点对应的目标速度为:k时刻目标的新生粒子分布边缘的k时刻共同交点对应的目标速度； 在k时刻共同交点处采样Jk个点，得出k时刻Jk个新生粒子；k时刻每个新生粒子的粒子状态包括:k时刻对应新生粒子的方位状态、k时刻对应新生粒子的速度状态； 按下式计算k时刻第inM个新生粒子的权值<4$:/:
其中，inew取U-1+1至Llri+Jk，I 为k时刻第inOT个新生粒子的位置在X方向上的概率密度函数，I Zk^为k时刻第inew个新生粒子的位置在y方向上的概率密度函数，q,[x{tm)\z^为k时刻第iMW个新生粒子的速度在X方向上的概率密度函数，qy{y(t'v) IZ1)为k时刻第个新生粒子的速度在y方向上的概率密度函数；当k时刻目标的新生粒子分布边缘为外辐射源雷达的矩形观测区域边缘中的上边缘或下边缘时，
当k时刻目标的新生粒子分布边缘为外辐射源雷达的矩形观测区域边缘中的左边缘或右边缘时，
5.如权利要求3所述的一种结合目标角度的外辐射源雷达多目标跟踪方法，其特征在于，在子步骤(3.4)中，当k > I时，当k > I时，对预测的k时刻的粒子集中第i’ k个粒子的权值进行修正的过程包括以下子步骤: a)设置迭代参数j，j= 1，2，...当j = I时，执行子步骤b)； b)根据以下公式计算第j个发射站在处的检测概率
其中，
表示已知的第j个发射站对应的处的信噪比，pFA为设定的虚警概率
，10表示零阶贝塞尔函数； c)按照下式计算k时刻杂波平均数λk和杂波概率密度Ck:
其中，L1为外辐射源雷达接收信号的距离范围，L2为外辐射源雷达接收信号的多普勒频率范围，I1外辐射源雷达接收信号的距离分辨率，I2为外辐射源雷达接收信号的多普勒分辨率；d)在k时刻目标的观测集Zk中，利用与第j个发射站对应的k时刻每个目标的观测量，组成k时刻第j个发射站的目标的观测集Zp1;然后利用Zf1中的观测量zf，计算似然函数+W(H)，
其中，z^e ，Rv是观测噪声vk的协方差矩阵，上标-1表示矩阵的逆，上标T表示矩阵或向量的转置； e)按照下式计算出预测的k时刻的粒子集中第i’k个粒子的修正后权值
其中，i’k取I至LH+Jk; 然后，令j值自增I ; f)判断j与发射站的个数为I的大小关系，如果j〈l，则令，然后返回至子步骤b)，如果j = 1，则迭代终止，预测的k时刻的粒子集中第i’k个粒子的修正后权值为(?^)。
6.如权利要求3所述的一种结合目标角度的外辐射源雷达多目标跟踪方法，其特征在于，在子步骤(3.5)中，首先根据预测的k时刻的粒子集中第i’k个粒子的修正后权值ω(:')，计算k时刻的估计目标数]； 针对每个目标固定采样m个粒子，对预测的k时刻的粒子集进行重采样，得到k时刻的粒子集piKl =1，ik取I至Lk, I表示k时刻的粒子集中第ik个粒子 k ^ k的粒子状态，4!i)表示k时刻的粒子集中第ik个粒子权值。
7.如权利要求3所述的一种结合目标角度的外辐射源雷达多目标跟踪方法，其特征在于，在步骤3之后，针对每个目标O时刻至k时刻的状态，进行航迹关联，剔除虚假航迹，得出每个目标的航迹。
【文档编号】G06F19/00GK104077498SQ201410351145
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】王俊, 王海环 申请人:西安电子科技大学