基于峰值自寻的多目标检测前跟踪算法.pdf
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1、第 卷第 期 年 月系统工程与电子技术 文章编号:()网址:收稿日期:;修回日期:;网络优先出版日期:。网络优先出版地址:基金项目:国家自然科学基金(,);山东省自然科学基金()资助课题通讯作者引用格式:薄钧天,于洪波,张翔宇,等基于峰值自寻的多目标检测前跟踪算法系统工程与电子技术,():犚犲 犳 犲 狉 犲 狀 犮 犲犳 狅 狉犿犪 狋:,():基于峰值自寻的多目标检测前跟踪算法薄钧天,于洪波,张翔宇,涂国勇,禄晓飞(海军航空大学航空作战勤务学院,山东 烟台 ;海军航空大学青岛校区航空电子工程与指挥系,山东 青岛 ;中北大学信息与通信工程学院,山西 太原 ;中国酒泉卫星发射中心,甘肃 兰州
2、)摘要:针对雷达多目标检测问题中,并存目标回波能量差异较大导致强目标掩盖弱目标的现象,提出一种基于平行线坐标变换的峰值自寻检测前跟踪算法。通过对比积累后每个量测点所在参数单元内各时刻量测点能量最大值之和,找到能量积累值可达最大的单元,据此形成新的二值积累结果,设置门限进行峰值提取、航迹回溯和航迹修正。仿真结果显示,改进算法对多个目标具有较高的全局检测概率,能够同时检测出不同回波能量的多个目标。关键词:多目标;检测前跟踪;平行线坐标变换;峰值自寻;航迹起始中图分类号:文献标志码:犇犗犐:犕狌 犾 狋 犻 狋 犪 狉 犵 犲 狋狋 狉 犪 犮 犽犫 犲 犳 狅 狉 犲犱 犲 狋 犲 犮 狋犪 犾
3、犵 狅 狉 犻 狋 犺犿犫 犪 狊 犲 犱狅 狀狆 犲 犪 犽狊 犲 犾 犳 狊 犲 犲 犽 犻 狀 犵 ,(犃狏 犻 犪 狋 犻 狅 狀犆狅犿犫 犪 狋犛 犲 狉 狏 犻 犮 犲犆狅 犾 犾 犲 犵 犲,犖犪 狏 犪 犾犃狏 犻 犪 狋 犻 狅 狀犝狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔,犢犪 狀 狋 犪 犻 ,犆犺 犻 狀 犪;犇犲 狆犪 狉 狋犿犲犿狋狅 犳犃狏 犻 狅 狀 犻 犮 狊犈狀犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀犵犪 狀犱犆狅犿犿犪犱犻 狀犙 犻 狀犵犱犪 狅犆犪犿狆狌 狊,犖犪 狏 犪 犾犃狏 犻 犪 狋 犻 狅 狀犝狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔,犙 犻 狀犵犱犪 狅 ,犆犺
4、犻 狀 犪;犆狅 犾 犾 犲 犵 犲狅 犳犐 狀犳 狅 狉犿犪 狋 犻 狅 狀犪 狀犱犆狅犿犿狌 狀 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀犈狀犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀犵,犖狅 狉 狋 犺犝狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔狅 犳犆犺 犻 狀 犪,犜犪 犻 狔狌 犪 狀 ,犆犺 犻 狀 犪;犑 犻 狌 狇 狌 犪 狀犛犪 狋 犲 犾 犾 犻 狋 犲犔犪 狌 狀 犮 犺 犻 狀犵犆 犲 狀 狋 犲 狉,犔犪 狀 狕 犺 狅 狌 ,犆犺 犻 狀 犪)犃犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋:,(),犓犲 狔狑狅 狉 犱 狊:;();引言隐身化是军事武器尤其是空中军事平台发展的重要方向,战斗机、轰炸机等通过设计特殊外
5、形,采用特质材料等方式降低其自身的雷达散射截面积(,)和回波能量,成为相对雷达等传感器的微弱目标,给现有防御体系带来严重挑战。同时,受作战环境和平台的实时姿态影响,在多微弱目标并存情况下,目标间也极可能 系统工程与电子技术第 卷出现较大的回波能量差异,使得弱目标被强目标淹没。因此,有效地检测并存目标是亟待解决的重要问题。传统的检测方式通过对单帧回波量测设置门限,然后提取峰值,但这种方式难以有效检测微弱目标。检测前跟踪(,)技术是一种广泛应用于检测微弱目标的方法,通过处理多帧回波数据,提高真实目标航迹的整体峰值,以此克服低信杂比条件下无法有效检测微弱目标的问题。现有的检测前跟踪方法主要包括基于
6、变换(,)的()方法,动态规划(,)方法和基于粒子滤波的(,)方法等。其中,等 将用于图像直线检测的应用到方法中形成 方法,能够有效完成非相参积累,实现目标检测。现有的衍生 算法均是在 等 的基础上进行优化得到的。文献 通过进行在参数空间中的积累,设置门限提取峰值,回溯目标航迹,根据目标飞行先验信息进行航迹修正,得到最终输出航迹。文献 采用量测点多种信息,优化积累峰值,更加精确地检测出真实航迹。但是,这些 方法存在几个伴随其自身的问题:首先,该类方法在参数空间采用能量积累和二值积累,当存在多个目标且回波能量相差较大时,对能量积累结果设置门限提取峰值将会把低能量目标航迹滤除。二值积累是解决不同回
7、波能量目标航迹的好方法,但在密集杂波情况下,将检测出大量虚假航迹。因此,现有的 方法对多微弱目标的航迹起始问题效果不佳。文献 提出了一种针对高超声速目标的强弱目标同时检测方法,对回波能量不同的高超声速多目标检测问题具有较好的效果,但该方法是以高超声速目标目前还无法实现编队飞行为前提条件。当面对一般编队目标时,将发生目标间串扰,需要进行改进,使算法在面对编队目标时也能够完成有效的检测。平行线坐标变换(,)是一种新的投影变换,目前已有文献将其作为 变换的替代者应用到图像直线检测 和雷达目标检测中,并发现其在检测概率和运算时间上具有明显优势。因此,将平行线坐标变换应用到雷达目标检测中是一个有益的尝试
8、。针对上述讨论,本文提出一种峰值自寻的(,)算法。通过对量测点采用平行线坐标变换完成点到线的变换,随后使每个量测点寻找到不同时刻量测点能量和最大的单元,再从改进后的二值积累结果中找出多个目标且删除大量航迹。仿真结果显示,算法能够对平面中多区域多态势目标进行准确检测,有效实现并存目标同时检测的问题。问题描述以雷达位置作为二维平面的原点,雷达扫描周期为犜。量测为点目标量测,则犽时刻量测点犻的状态向量 为犡犻犽犚犻犽,犻犽,犈犻犽()式中:犚犻犽表示量测点犻到雷达的径向距离;犻犽表示量测点犻的方位角信息;犈犻犽表示量测点犻的回波能量。其中,犈犻犽犛犻犽,量测点犻为目标犆犻犽,量测点犻烅烄烆为杂波()
9、犛犻犽由雷达方程 计算可得犛犻犽犘狋犌犻犽()(犚犻犽)()式中:犘狋为发射机发射功率;犌为雷达天线的方向性增益;犻犽表示量测点犻的雷达散射截面积;表示发射信号波长。方法主要研究对航迹整体的非相参积累效果,因此可设当量测点犻为杂波时,犆犻犽为高斯分布的杂波能量。犆犻犽由空间整体信杂比(,)计算得到,空间整体为,则犆犻犽犛犽 犽()式中:犛犽表示所有来自目标量测点的平均能量值;犽服从均值为的高斯分布。则量测方程 可表示如下:犻犽犎犡犻犽犠犽()式中:犎表示量测矩阵,为单位矩阵;犠犽狑犚,狑,狑犈表示量测噪声矩阵,且狑犚、狑和狑犈均服从均值为的高斯分布。算法原理 算法简介 算法主要解决现有基于投影
10、变换的算法存在的两个问题:无法同时检测不同回波能量的目标;在密集杂波情况下产生大量虚假航迹。具体流程为先采用基于平行线坐标变换的传统方式进行能量积累和二值积累,后通过峰值自寻方式改进积累结果。非相参积累多个目标相互之间回波能量相差较大导致各自航迹能量的差异明显,传统方法中的不对积累结果处理而直接设置门限提取峰值的方式极有可能将回波能量低的目标漏检。设总积累帧数为犕,首先采用径向距离 时间维度对量测点迹进行描述,且需要对维度进行规格化处理。因为如果不进行规格化处理,时间量测值数量级远小于径向距离数量级,将导致时间量测信息无法充分体现。犚 犖()(犚,犽)(犚,犽)()式中:为对括号内数进行向上求
11、整运算;犚 表示量测点到雷达的最远径向距离。这样做是因为后续将进行平行线坐标变换,方式如下:犽狉犱狉犽狉犱烅烄烆狉()第 期薄钧天等:基于峰值自寻的多目标检测前跟踪算法 式中:犱 (狉),(犽)(狉)()而在仿真过程中,需要对离散化,在不同值下求得的值。经过平行线坐标变换之后,将参数空间离散为犖犖个参数单元,犖和犖代表对维度和维度的分割段数。建立二值积累和能量积累累加器犃犘、犃犈和参数单元存点元胞数组犃。()犻犻烅烄烆()犃犘(,)犃犘(,)犃犈(,)犃犈(,)犈犻烅烄烆犽()参数单元(,)满足式()时,按式()进行带值累加。犃,犃,犣犻犽()式中:犖犖烅烄烆()式()表示元胞数组新存入量测点
12、信息。峰值自寻实际上,真实目标量测点只应属于一条航迹,即只在一个参数单元内起作用。对于每个量测点,首先记录其所通过的所有参数单元,初始情况下每个量测点都会经过犖个参数单元。依次观察量测点标签矩阵中的参数单元,两两对比参数单元内相同时刻最大能量量测点的能量和,将量测点保存在能量和高的参数单元内。遍历结束之后,该量测点便只保存在和其他时刻能量最大量测点构成最大能量和的单元内。整个过程为一个二重循环,具体步骤如下。步骤设置量测点索引指针狆用于后续步骤遍历平面量测点,令狆。步骤遍历量测点狆经平行线坐标变换为直线后穿过的参数单元,设置参数单元索引指针犼,令犼。步骤指向参数单元(狆犾 犼,狆犾 犼)。提取
13、该参数单元内除当前量测点狆所在时刻所有量测点存在的所有时刻,并建立时刻矩阵进行存储,设参数单元(狆犾 犼,狆犾 犼)内包含犿个量测点:犃狆犾 犼,狆犾 犼犣犻犽,犣犻犽,犣犻犽,犣犻犿犽犿()则时刻矩阵为犾 犼 (犽犽犽,犽,犽,犽犿且犽犽狆)()式中:()函数表示删除矩阵中重复元素。步骤找出时刻矩阵犾 犼内所有时刻在该单元内能量值最大的点,并将这些点的能量值进行求和:狑狆犼犽犾 犼(犈犽)()式中:犽表示该单元内犽时刻量测点组成的能量矩阵。步骤当犼犖时,返回执行步骤,否则执行步骤。步骤执行到这一步时,就求出了量测点狆遍历的所有参数空间单元内可组成航迹量测点的最高能量和,设立能量和矩阵犠狆如下
14、:犠狆狑狆,狑狆,狑狆犖()步骤遍历量测点存在的所有参数单元,找出能量最大的参数单元并保留该量测点,在其他单元删除该量测点,并对相应的参数单元二值积累和能量积累进行相应带值相减:犃狆犾 犼,狆犾 犼犃狆犾 犼,狆犾 犼,狑狆犼(犠狆)犃狆犾 犼,狆犾 犼犃狆犾 犼,狆犾 犼犣狆犽,狑狆犼(犠狆烅烄烆)()与文献 方法不同,这里允许同单元保留同一时刻不同能量值的量测点。这样虽然会带来一定的计算量,但能够保证编队目标不串扰。步骤为避免密集杂波对积累结果的影响以及防止低回波能量目标被淹没,仅建立新二值积累矩阵犅狆(,),不建立新能量积累矩阵,同时建立新存点元胞数组犅,每个参数单元的二值积累为该单元内
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