基于位置信息和多普勒信息的雷达航迹起始方法与流程

本发明属于雷达技术领域，涉及一种雷达航迹起始方法，具体涉及一种基于位置信息和多普勒信息的雷达航迹起始方法，可用于目标跟踪。

背景技术：

航迹起始是目标跟踪的第一步，它是建立新的档案目标的决策方法，主要包括暂时航迹和航迹确定两个方面，其主要原理是利用观测数据与实际场景数据构造约束条件选取相应的量测向量建立航迹，是目标航迹处理的首要问题，其任务是根据雷达多次的观测数据确定扫描区域中潜在的目标，并给出目标的初始状态估计。航迹起始作为目标跟踪的前提和基础，直接影响着雷达系统的跟踪性能。

按照数据处理方式的不同，航迹起始方法分为两大类：顺序处理技术类和批处理技术类。顺序处理技术的代表方法有直观法和逻辑法。直观法的主要处理思路是，利用最大速度与最大加速度作为约束条件，关联满足该约束条件的量测向量作为有效量测向量，如果连续N次扫描中有效量测向量超过M个，则认为由M个有效量测向量构成的航迹，是目标航迹。逻辑法的主要处理思路是，首先利用最大速度约束等条件形成暂态航迹，然后通过航迹预测和关联波门来筛选目标量测向量，如果连续N次扫描中有效量测向量数目超过M个，则认为由M个有效量测向量构成的航迹是目标航迹，但是由于顺序处理技术利用最大速度约束选取有效量测向量，导致关联区域较大，容易形成虚假航迹，造成航迹起始效率低。逻辑法利用航迹预测与关联波门对目标量测向量进行筛选，剔除了虚假航迹，与用两个简单规则来减少可能起始航迹的直观法相比，提高了航迹起始的概率，有效地提升了航迹起始效率。批处理技术的代表有Hough变换法及其改进方法。Hough变换法的主要处理思路是，将多次扫描的回波数据视做一副图像，通过Hough变换检测图像中是否存在直线元素，以此判断是否存在目标航迹，但是批处理技术利用Hough变换将多次扫描的数据联合处理，尽管可以提供较好的航迹起始性能，但计算量较大，不利于工程应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于位置信息和多普勒信息的雷达航迹起始方法，用于解决现有顺序处理技术类的方法中存在的航迹起始效率低的技术问题。

本发明的技术思路是：首先利用航迹头构建距离约束条件，同时利用最大速度构建空间位置约束条件，关联雷达下次扫描中与航迹头处于同一多普勒通道且同时满足距离约束条件和空间位置约束条件的量测向量，然后更新距离约束条件，继续关联，直至所有的量测向量都完成关联操作，最后根据关联结果按照航迹起始准则建立稳定起始航迹。其具体步骤包括如下：

基于位置信息和多普勒信息的雷达航迹起始方法，包括如下步骤：

(1)计算雷达最大不模糊速度V_f；

(2)将第k-N次扫描中得到的未被已有稳定航迹关联的量测向量集合中第i个量测向量z_k-N,i作为航迹头，记该航迹头所在多普勒通道为L，根据航迹头中包含的多普勒测量值f_k-N,i，计算航迹头对应的径向速度集合v_k-N,i，其中，k是雷达扫描的时间索引，N是航迹起始的时间窗长；

(3)从航迹头对应的径向速度集合v_k-N,i中选取模糊次数为m的径向速度v_k-N,i,m；

(4)设当前径向速度为v＝v_k-N,i,m，令l＝k-N，n＝1；

(5)根据当前径向速度v，按照下式计算其对应的距离预测值和距离预测标准差

其中，表示第l次扫描的有效量测向量集合中第i_l个有效量测向量包含的距离测量值，表示有效量测向量对应的测距精度，表示有效量测向量对应的测速精度，T_s表示对当前波位的下次扫描所需的时间间隔；

当l＝k-N时，第l次扫描的有效量测向量集合中仅包含z_k-N,i；当l＞k-N时，第l次扫描的有效量测向量集合包含以下量测向量：第l次扫描中所有与航迹头关联且位于第L个多普勒通道的量测向量；

(6)根据步骤(5)中得到的距离预测值和距离预测标准差构建距离约束条件：

其中，g表示约束系数，ρ_l+n,j表示第l+n次扫描位于第L个多普勒通道的量测向量集合z_(l+n)∩L中第j个量测向量z_(l+n)∩L,j包含的距离测量值，σ_ρ,l+n,j表示量测向量z_(l+n)∩L,j对应的测距精度；

(7)设定目标的最大空间速度为V_max，构建空间位置约束条件：选取量测向量集合z_(l+n)∩L中的量测向量与有效量测向量的得到笛卡尔空间距离小于等于nV_maxT_s；

(8)判断量测向量集合z_(l+n)∩L中是否存在同时满足距离约束条件和空间位置约束条件的量测向量：

若是，当l+n≠k-1时，将有效量测向量与同时满足两个约束条件的量测向量分别进行关联，并更新当前径向速度v，令n＝1，l＝l+n，并执行步骤(5)；当l+n＝k-1时，将有效量测向量与同时满足两个约束条件的量测向量分别进行关联，并执行步骤(9)；

若否，当l+n≠k-1时，令n＝n+1，并执行步骤(5)；当l+n＝k-1，执行步骤(9)；

(9)按照航迹起始准则，建立稳定起始航迹；

(10)对径向速度集合v_k-N,i中的所有径向速度进行遍历，当径向速度集合v_k-N,i中的所有径向速度均被遍历，遍历第k-N次扫描中得到的所有未被已有稳定航迹关联的量测向量，得到一条或多条稳定起始航迹。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明由于在判断量测向量的过程中，采用多普勒测量信息构建距离约束条件，同时采用位置信息构建空间约束条件，并关联同时符合距离约束条件和空间约束条件的量测向量，有效地剔除了虚假量测向量，抑制虚假航迹，进而提高了航迹起始的概率，与现有航迹起始技术相比，有效地提升了航迹起始效率。

附图说明

图1是本发明的实现流程框图；

图2是本发明与逻辑法虚假航迹概率仿真对比图；

图3是本发明与逻辑法虚假航迹平均数量仿真对比图；

图4是本发明与逻辑法航迹起始概率仿真对比图。

具体实施方式

以下参照附图和实施例，对本发明作进一步详细说明：

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，计算雷达最大不模糊速度V_f。

计算雷达最大不模糊速度V_f：

其中，λ表示雷达发射信号波长，f_r表示脉冲重复频率。

步骤2，计算径向速度集合v_k-N,i。

根据航迹头z_k-N,i中的多普勒频率测量值f_k-N,i和最大不模糊速度V_f，计算量测向量z_k-N,i对应的径向速度集合v_k-N,i，以下所述量测向量均表示未被已有稳定航迹关联的量测向量，且量测向量包含距离测量值、方位角测量值和多普勒测量值：

(2.1)计算z_k-N,i中多普勒频率测量值f_k-N,i对应的径向速度v_⊥：

其中，量测向量z_k-N,i表示雷达第k-N次扫描中得到的未被已有稳定航迹关联的量测向量集合中第i个量测向量；

(2.2)模糊次数的不同，构建计算径向速度集合v_k-N,i：

v_k-N,i＝{v_⊥+2wV_f｜abs(v_⊥+2wV_f)≤V_max,w＝0,±1,±2,...}，

其中，|表示条件符号，符号左边是集合元素，右边是元素满足的条件，w表示模糊次数，abs(·)表示取绝对值。

步骤3，对当前径向速度初始化，并设置计数器对循环次数进行记录。

(3.1)从航迹头对应的径向速度集合v_k-N,i中选取模糊次数为m的径向速度v_k-N,i,m

(3.2)设当前径向速度为v＝v_k-N,i,m；

(3.3)设置计数器：令l＝k-N，n＝1。

步骤4，构建距离约束条件。

4.1)根据径向速度v，按照下式计算径向速度对应的距离预测值和距离预测标准差

其中，表示第l次扫描的有效量测向量集合中第i_l个有效量测向量包含的距离测量值，表示有效量测向量对应的测距精度，表示有效量测向量对应的测速精度，T_s表示对当前波位的下次扫描所需的时间间隔；

(4.2)根据步骤(4.1)中得到的距离预测值和距离预测标准差构建距离约束条件：

其中，g表示约束系数，ρ_l+n,j表示第l+n次扫描位于第L个多普勒通道的量测向量集合z_(l+n)∩L中第j个量测向量z_(l+n)∩L,j包含的距离测量值，σ_ρ,l+n,j表示量测向量z_(l+n)∩L,j对应的测距精度；

步骤5，构建空间位置约束条件。

设定目标的最大空间速度V_max，构建空间位置约束条件：选取量测向量集合z_(l+n)∩L中与有效量测向量的笛卡尔空间距离小于等于nV_maxT_s的量测向量；

步骤6，判断是否满足上述约束条件，并分析判断结果。

(6.1)根据步骤4和步骤5所述约束条件，判断量测向量集合z_(l+n)∩L中是否存在同时满足距离约束条件和空间位置约束条件的量测向量；

(6.2)分析判断结果：

若是，当l+n≠k-1时，将有效量测向量与同时满足两个约束条件的量测向量分别进行关联，并更新当前径向速度v，令n＝1，l＝l+n，并执行步骤4；当l+n＝k-1时，将有效量测向量与同时满足约束条件的量测向量分别进行关联，并执行步骤7；

若否，当l+n≠k-1时，令n＝n+1，并步骤4；当l+n＝k-1时，执行步骤7；

其中，更新径向速度v按如下步骤进行：

(6.2a)计算有效量测向量中多普勒频率测量值对应的径向速度v_N：

(6.2b)按下式计算有效量测向量中模糊次数为m的径向速度并更新当前径向速度v：

步骤7，建立稳定起始航迹。

根据步骤6的关联结果，按照航迹起始准则建立稳定起始航迹，航迹起始准则要求当关联结果中被关联的量测向量个数大于等于起始航迹所需的最小量测向量个数时，则将该关联结果转变为稳定起始航迹，否则，删除该关联结果。所述设定航迹起始准则，包括2/2逻辑起始法、2/3逻辑起始法、3/3逻辑起始法和3/4逻辑起始法。

步骤8，由于目标速度可能出现模糊，遍历径向速度集合。

遍历径向速度集合v_k-N,i中的所有径向速度，当径向速度集合v_k-N,i中的所有径向速度均被遍历，则执行步骤9；

步骤9，由于航迹起始是对多目标的检测，可能存在多条航迹，遍历量测向量集合z_k-N。

遍历第k-N次扫描中得到的所有未被已有稳定航迹关联的量测向量。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

1.仿真场景：实验采用2D雷达，认为雷达坐落于坐标原点，设载频f_c＝1GHz，光速c＝3×10⁸m/s，发射信号带宽B＝2MHz，波束宽度θ_Beam＝3dB，脉冲宽度τ＝30us，脉冲重复周期T_r＝1ms，雷达发射信号波长λ＝0.3m，脉冲重复频率f_r＝1MHz，当前波位的下次扫描所需的时间间隔T_s＝10s，约束系数g＝4，目标的最大空间速度V_max＝400m/s，雷达量测参数为距离测量值、方位角测量值和多普勒测量值。

2.仿真内容：

仿真1：采用以上实验场景，利用逻辑法和本发明的航迹起始方法，对航迹虚假概率进行仿真对比，结果如图2；

仿真2：采用以上实验场景，利用逻辑法和本发明的航迹起始方法，对虚假航迹平均数量进行仿真对比，结果如图3；

仿真3：采用以上实验场景，利用逻辑法和本发明的航迹起始方法，对航迹起始概率仿真对比，结果如图4；

3.实验结果分析：

参照图2，X轴表示虚警概率，Y轴表示虚假航迹概率。当虚警概率为10^-4时，逻辑法的虚假航迹概率为0.6559，本发明的虚假航迹概率为0.00158，可以看出，本发明的虚假航迹概率约为逻辑法的大大降低了虚假航迹的概率。

参照图3，X轴表示虚警概率，Y轴表示虚假航迹平均数量。当虚假航迹平均数量为0.4999时，逻辑法检测所需的虚警概率为10^-6，本发明检测所需的虚警概率为2.684×10^-5，可以看出，本发明的虚警概率为逻辑法的26.84倍。

参照图4，X轴表示信噪比，Y轴表示航迹起始概率当信噪比为15dB时，逻辑法航迹起始概率为0.4287，本发明航迹起始概率为0.514，可以看出，本发明的航迹起始概率为逻辑法的1.2倍。

综上所述，本发明有效的剔除虚假量测向量，抑制了虚假航迹的形成，进而提高了航迹起始的概率，提升了航迹起始效率。