一种单频网雷达多目标跟踪方法
【专利摘要】本发明公开了一种单频网雷达多目标跟踪方法。方法包括量测互联和序列跟踪两个模块。量测互联中：首先选取一定数量的量测与收发对关联构造低维度关联假设，然后对所有关联假设进行快速判决以尽可能排除错误的关联假设，整理上一步中所接受的关联假设，最后基于整理后的数据构造单频网情况下的全局关联0-1整数规划模型，求解得量测互联后的二次量测。基于二次量测采用卡尔曼滤波实现序列跟踪。该方法可应对单频网雷达中量测、发射站、目标三者的关联模糊问题，通过启发式方法和最优化模型相结合的方式大幅降低计算复杂度，且多目标跟踪性能接近关联关系已知的情况，具有推广应用价值。
【专利说明】-种单频网雷达多目标跟踪方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于雷达数据处理领域，设及多传感器多目标跟踪方法，具体设及一种单 频网雷达的多目标跟踪方法。
【背景技术】
[0002] 雷达体制曾经历了从机械扫描式到相控阵的转变，现在的一个方向是从单 基地向分布式（网络化）发展，其中有代表性的是多输入多输出（multiple-input multiple-output,缩写MIMO)雷达。在众多的研究讨论中，绝大部分假定MIMO雷达各发射 站的波形正交，该常通过频率错开或波形编码来实现。
[0003] 值得注意的是，随着同步和调制编码技术的大幅发展，一种新的发射站组网覆盖 技术已成功实现，即单频网技术（Single化equency Network,缩写SFN)，目前已广泛应用 于数字广播电视组网覆盖，如中国CMMB/DTMB/CDR、欧洲DAB/DVB-T、日本ISDB-T等数字广 播电视标准均采用了单频网技术。不同于W往为避免站间互扰而采用的多频覆盖，单频网 技术在预期覆盖区域内布置多个小功率发射台，同时W同一频率播出相同的节目，结合先 进的信道传输（如OFDM)和信道纠错编码（如LDPC)等技术在解决多径干扰的同时大大提 高了广播系统的传输效率和可靠性，调和了频率和功率资源之间的矛盾，从而实现了频率 和功率的节约。
[0004] 研究发现，单频网数字广播电视台在用于广播通信的同时亦可用于目标探测， 武汉大学万显荣和易建新等于2013年提交申请了单频网外福射源雷达系统和相应信号 处理方法的发明专利（一种基于单频网的外福射源雷达系统及其信号处理方法，申请号 201310739890. 3,公布号CN103698759A)，该专利公开了一种单频网外福射源雷达系统结 构，并提供了核屯、的信号处理步骤和方法。
[0005] 事实上，当MIMO雷达工作于单频网模式时，整个MIMO雷达只占用一个频率，可极 大节省频率资源，同时亦可W降低系统成本。单频网照射源除了可W采用第S方照射源，亦 可自行配置专用照射源、或者军民两用照射源。由于此时各站发射波形已非传统MIMO雷达 中假定的正交，单频网模式下的MIMO雷达在系统配置及信号处理上都不同于传统MIMO雷 达，便于区分，称之为单频网雷达，前述专利（201310739890.3)中提出的单频网外福射源 雷达是单频网雷达的一个子类。
[0006] 单频网雷达的一项关键技术设及单频网模式下的目标跟踪问题，由于单频网中各 发射站同频发射相同信号，各站照射到目标产生多路散射回波，相关检测后形成多个量测， 且各量测与发射站的对应关系先验未知，导致量测与发射站之间关联模糊，其不同于常规 MIMO雷达的关联问题，特称之为单频网模糊问题。前述专利（201310739890. 3)提供了一种 启发式的数据关联方法，能够应对单目标情况或稀疏目标情况等较为简单场景下的单频网 模糊问题，然而在多目标情况下数据关联和目标跟踪性能下降。本发明提出了一种适用于 多目标场景的单频网雷达多目标跟踪方法。
【发明内容】
[0007] 为了解决上述多目标场景下的单频网目标跟踪问题，本发明提供了一种高效的单 频网雷达多目标跟踪方法。
[000引本发明所提的单频网雷达多目标跟踪方法，其特征在于，包括W下步骤：
[0009] 步骤1 ;选取量测与收发对关联构造低维度关联假设；
[0010] 步骤2 ;对步骤1所得的所有关联假设进行快速判决；
[0011] 步骤3 ;整理步骤2中被接受的关联假设，构成候选目标组；
[0012] 步骤4 ;基于候选目标组构造单频网全局关联模型，求解得二次量测；
[0013] 步骤5 二次量测作为输入进行序列跟踪，输出目标航迹。
[0014] 步骤1中所述的选取量测与收发对关联构造低维度关联假设；关联假设所设及的 量测与收发对的数量具体满足：设收发对个数为Nt_。，所考虑空间维数为D(二维情况D = 2, S维情况D = 3)，Nt_。个收发对中包含Q个接收站，则应满足
[00 巧]Nt_k+Nd〇a>D (式 1)
[0016] 其中，Ndm表示关联假设中的角度量测信息所包含的独立约束数，当量测中无方位 角和仰角信息时，Ndm= 0 ;当量测中有方位角而无仰角信息时，Ndm= Q ;当量测中有方位角 和仰角信息时，Ndm= 2Q。
[0017] 步骤2中所述的对步骤1所得的所有关联假设进行快速判决；具体实现过程为： 当双基距离量测误差小于500m时，首先利用关联假设中所包含的双基距离和到达角量测 估计关联假设为真情况下对应的目标位置，记为，然后将6代入双基距离和到达角量测 方程得双基距离和到达角估计量，将双基距离和到达角实际量测值减去相应估计量得残差 A Z。，记双基距离和到达角量测协方差矩阵为R。，得相应检验统计量
[0018] 7：=Az:JCAZc (式。
[0019] 其中上标"T"表示转置。
[0020] 将乍为已知量代入关联假设所包含的双基速度量测方程，估计得速度，类似 地，将戈入双基速度量测方程得双基速度估计量，用双基速度实际量测值减去相应估计 量得残差A Zy，记双基速度量测协方差矩阵为Ry，得相应检验统计量
[0021] 7；=AzX'A^v (式如
[0022] 综合得关联假设判决的检验统计量为
[0023] T = Tc+Tv (式 4)
[0024] 关联假设正确时，T服从自由度为的卡方分布，即 Y :八+ Wt_k - 2巧，其中为也。的元素个数。
[0025] 关联假设判决准则为
[0026] 了 ty (式 W 拒途
[0027] 其中判决口限丫由给定的关联概率（即正确关联假设被接受的概率）根据卡方 分布/炒^。+Wta- 2巧计算得到。
[0028] 当双基距离量测误差大于500m时，利用所有量测信息同时估计位置和速度，然后 代入量测方程求残差，利用残差按照上述过程构造卡方检验统计量和判决准则。
[0029] 步骤3中所述的整理步骤2中被接受的关联假设，构成候选目标组，其具体实现包 括W下两个子步骤：
[0030] 步骤3. 1 ;关联假设融合；定义如下两个布尔矩阵，即相容矩阵和距离矩阵 Ddkt，两矩阵均为方阵，行、列数为步骤2中接受的关联假设数，具体地，相容矩阵。胃第i行 第k列的元素定义为
[0031]
【权利要求】
1. 一种单频网雷达多目标跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1:选取量测与收发对关联构造低维度关联假设； 步骤2 :对步骤1所得的所有关联假设进行快速判决； 步骤3 :整理步骤2中被接受的关联假设，构成候选目标组； 步骤4 :基于候选目标组构造单频网全局关联模型，求解得二次量测； 步骤5 :以二次量测作为输入进行序列跟踪，输出目标航迹。
2. 根据权利要求1所述的一种单频网雷达多目标跟踪方法，其特征在于：步骤1中所 述的选取量测与收发对关联构造低维度关联假设；关联假设所涉及的量测与收发对的数量 具体满足： 设收发对个数为NT_K，所考虑空间维数为D，二维情况D= 2,三维情况D= 3,NT_K个收 发对中包含Q个接收站，则应满足 Nt-k+Ndoa>D(式 1) 其中，Ndm表示关联假设中的角度量测信息所包含的独立约束数，当量测中无方位角和 仰角信息时，Ndm=O;当量测中有方位角而无仰角信息时，Ndm=Q;当量测中有方位角和仰 角f曰息时，Ndqa= 2Q。
3. 根据权利要求1所述的一种单频网雷达多目标跟踪方法，其特征在于：步骤2中所 述的对步骤1所得的所有关联假设进行快速判决；具体实现过程为： 当双基距离量测误差小于500m时，首先利用关联假设中所包含的双基距离和到达角 量测估计关联假设为真情况下对应的目标位置，记为然后将匕代入双基距离和到达角 量测方程得双基距离和到达角估计量，将双基距离和到达角实际量测值减去相应估计量得 残差Az。，记双基距离和到达角量测协方差矩阵为R。，得相应检验统计量 （式 2) 其中上标"T"表示转置； 将&作为已知量代入关联假设所包含的双基速度量测方程，估计得速度^，类似地，将 圮代入双基速度量测方程得双基速度估计量，用双基速度实际量测值减去相应估计量得残 差AZv，记双基速度量测协方差矩阵为Rv，得相应检验统计量 rv=A?Azv (式 3) 综合得关联假设判决的检验统计量为T= ?；+rv (式 4) 关联假设正确时，Y服从自由度为+&_R-2D的卡方分布，即T:f(AQ+馬*-2D)， 其中&为Az。的元素个数； 关联假设判决准则为
其中，判决门限y由给定的关联概率一即正确关联假设被接受的概率根据卡方分布Z2(A、+iVT_R-2Z>)计算得到； 当双基距离量测误差大于500m时，利用所有量测信息同时估计位置和速度，然后代入 量测方程求残差，利用残差按照上述过程构造卡方检验统计量和判决准则。
4. 根据权利要求1所述的一种单频网雷达多目标跟踪方法，其特征在于：步骤3中所 述的整理步骤2中被接受的关联假设，构成候选目标组，其具体实现包括以下两个子步骤： 步骤3. 1 :关联假设融合；定义如下两个布尔矩阵，即相容矩阵C_p和距离矩阵Ddist，两 矩阵均为方阵，行、列数为步骤2中接受的关联假设数，具体地，相容矩阵Cramp第i行第k列 的元素定义为
其中，两关联不相容是指包含以下两种情况中的任意一种：情况一：两关联假设中包 含相同收发对却关联到不同的量测；情况二：两关联假设包含相同的量测却关联到不同的 收发对； 距离矩阵Ddist定义为
其中，\和Xk是关联假设i和k的状态向量，包括位置和速度，RJPRk是相应的估计 误差协方差矩阵，n由一给定概率根据卡方分布X2 (2D)计算得到； 若两个或多个关联假设两两之间对应的相容矩阵元素和距离矩阵元素均为1，将其视 为同一个候选目标的关联假设，重新估计候选目标状态实现关联假设融合，融合后的关联 假设称为候选目标； 步骤3. 2 :候选目标集群；将候选目标集群后得到分立的候选目标组，同一候选目标组 中各候选目标存在量测交集，量测交集是指两候选目标包含相同量测或两候选目标均与第 三方候选目标包含相同量测，第三方候选目标可以是一个候选目标，也可以是存在量测交 集的候选目标组；不同候选目标组之间不包含相同量测。
5. 根据权利要求1所述的一种单频网雷达多目标跟踪方法，其特征在于：步骤4中所 述的基于候选目标组构造单频网全局关联模型，求解得二次量测；具体实现方式为： 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'j?，接收站Ivn11= 1，2,…，N' 1?中涉及的量测个数为，定义关联变量为
?=0，1，'..，M":，nt= 1，…，N't，p= 0, 1，…，P，nr= 1，…，N'r (式 8) 其中，'=Q表示空量测，即为漏检，P= 0表示空候选目标，即为虚警；定义 为关联变量心》,.)对应的关联代价，关联代价用负的对数似然比表征，具 体计算分如下几种情况： (i) 当'=0，p= 0 时，始终令a(0,nt，0,nr) = 0,c(0,nt，0,nr)赋值为正无穷； (ii) 当'=0，p= 1，…，P时，a(0,nt，p，nr) =I表示漏检，取c(0,nt，p，nr) =-In(I-Pd)，其中？(5表不检测概率； (iii) 当=1，…，M,;,，p=O时，a(，U，0A)=1 表示虚警，贝IJc(wV7V0A)=0; (iv) 当'=1，…，C，P= 1，…，P时，若关联未出现在该候选目标组中，则 令咖"，?』，?)=0,同时+"，《1，/7，?)赋值为正无穷；否则，关联代价按如下计算：
其中，Xp为相应候选目标状态，<v)为量测，R为量测协方差矩阵，U)是对应于发射 站M5P接收站I的量测函数，d是量测的元素个数，Nfa(r〇是接收站~的检测虚警数，FoVl是观测域容积； 定义变量Sp表征候选目标p是否保留，Sp= 1表示保留，Sp= 1表示不保留；据此 构造的单频网全局关联模型为
对每个候选目标组构建上述全局关联模型并求解，所保留的候选目标即为二次量测， 用作步骤5中序列跟踪的输入。
【文档编号】G01S7/41GK104502900SQ201510015901
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2015年1月13日 优先权日:2015年1月13日
【发明者】万显荣, 易建新, 吕敏, 程丰 申请人:武汉大学