專(zhuān)利名稱(chēng)：用于微弱目標(biāo)檢測(cè)的改進(jìn)型粒子濾波檢測(cè)前跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，它特別涉及了低信噪比下微弱目標(biāo)雷達(dá)檢測(cè) 技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展與進(jìn)步，雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，例如隱身目 標(biāo)由于其雷達(dá)反射截面積大大減小，極大地縮短了雷達(dá)的對(duì)該類(lèi)目標(biāo)的探測(cè)距離。因此提 高雷達(dá)對(duì)微弱目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤能力成為一項(xiàng)極其重要而嚴(yán)峻的使命。檢測(cè)前跟蹤技術(shù)利用目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性，通過(guò)對(duì)多幀不設(shè)門(mén)限(或低門(mén)限)回波數(shù) 據(jù)的聯(lián)合處理，獲得多幀目標(biāo)回波能量的非相參積累，提高信噪比，實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱目標(biāo)的檢測(cè) 和跟蹤，是低信噪比環(huán)境下對(duì)微弱目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和跟蹤的一種有效方法。應(yīng)用于雷達(dá)目標(biāo) 檢測(cè)領(lǐng)域的檢測(cè)前跟蹤技術(shù)主要有基于Hough變換的檢測(cè)前跟蹤方法、基于粒子濾波的檢 測(cè)前跟蹤方法以及基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的檢測(cè)前跟蹤方法等。其中粒子濾波(PF)是基于貝葉斯 濾波理論，采用隨機(jī)樣本和其對(duì)應(yīng)的權(quán)值近似目標(biāo)狀態(tài)的后驗(yàn)概率密度函數(shù)，從而估計(jì)目 標(biāo)真實(shí)狀態(tài)的一種濾波技術(shù)。它對(duì)非線性非高斯系統(tǒng)具有強(qiáng)的適應(yīng)性，已被廣泛應(yīng)用于雷 達(dá)跟蹤、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。為了利用粒子濾波實(shí)現(xiàn)同時(shí)檢測(cè)和跟蹤雷達(dá)目標(biāo)， Salmond等人基于SIR(采樣重要性重采樣)粒子濾波方法，在狀態(tài)估計(jì)變量中加入一個(gè)“目 標(biāo)存在變量”，提出了一種粒子濾波檢測(cè)前跟蹤方法，見(jiàn)文獻(xiàn)“Salmond，D.J.，and Birch, H. ,A particle filter for track-before-detect,Proc. American Control Conf. ,2001, vol. 5，pp. 3755-3760”。該方法的核心思想是估計(jì)目標(biāo)狀態(tài)和目標(biāo)存在變量的聯(lián)合后驗(yàn)概 率密度函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤。但由于SIR粒子濾波方法存在樣本枯竭問(wèn)題， 這樣的樣本集不足以表征所需的聯(lián)合后驗(yàn)概率密度函數(shù)，使得檢測(cè)結(jié)果不穩(wěn)定，跟蹤精度 不高，并且該方法沒(méi)有充分利用估計(jì)目標(biāo)狀態(tài)和存在變量提供的信息。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有的粒子濾波檢測(cè)前跟蹤方法存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種用于微弱目 標(biāo)檢測(cè)的改進(jìn)型粒子濾波檢測(cè)前跟蹤方法。它是根據(jù)目標(biāo)存在變量對(duì)粒子分類(lèi)，采取不同 操作，減小了運(yùn)算量，并對(duì)攜帶目標(biāo)狀態(tài)的繼續(xù)存活粒子采用高斯分布重新產(chǎn)生，增加了粒 子的多樣性，有效地克服了采樣枯竭現(xiàn)象；具有計(jì)算時(shí)間短、魯棒性強(qiáng)，檢測(cè)性能穩(wěn)定可靠 和跟蹤精度高的特點(diǎn)。為了方便描述本發(fā)明的內(nèi)容，首先作以下術(shù)語(yǔ)定義定義1、雷達(dá)系統(tǒng)中檢測(cè)前跟蹤檢測(cè)前跟蹤是低信噪比下對(duì)微弱目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤的一種現(xiàn)有技術(shù)，它首先在紅外 圖像序列檢測(cè)中被引入。雷達(dá)系統(tǒng)中的檢測(cè)前跟蹤是指雷達(dá)對(duì)每一次掃描數(shù)據(jù)不設(shè)檢測(cè)門(mén) 限，不宣布檢測(cè)結(jié)果，而是將每一個(gè)掃描時(shí)刻獲得的信息數(shù)字化并存儲(chǔ)起來(lái)，然后在各掃描 時(shí)刻之間對(duì)假設(shè)路徑包含的點(diǎn)作幾乎沒(méi)有信息損失的相關(guān)處理，經(jīng)過(guò)數(shù)次掃描對(duì)目標(biāo)能量的積累，在目標(biāo)的軌跡被估計(jì)的同時(shí)，宣布檢測(cè)結(jié)果。定義2、一幀數(shù)據(jù)在本發(fā)明中，一幀數(shù)據(jù)為雷達(dá)天線掃描一個(gè)周期后對(duì)該周期內(nèi)所有發(fā)射脈沖的回 波采樣后的數(shù)據(jù)。定義3、雷達(dá)天線掃描周期雷達(dá)天線掃描周期是指雷達(dá)對(duì)整個(gè)監(jiān)視區(qū)域完成一次完整的掃描所用的時(shí)間。定義4、回波數(shù)據(jù)回波數(shù)據(jù)是指雷達(dá)信號(hào)處理器對(duì)接收的回波信號(hào)進(jìn)行離散采樣和快速傅里葉變 換等預(yù)處理，得到的X-Y平面和所在幀數(shù)k的三維數(shù)據(jù)矩陣。例如，第k幀的數(shù)據(jù)矩陣為
權(quán)利要求
1. 一種用于微弱目標(biāo)檢測(cè)的改進(jìn)型粒子濾波檢測(cè)前跟蹤方法，其特征是它包括以下步驟步驟1、初始化系統(tǒng)參數(shù)初始化系統(tǒng)參數(shù)包括雷達(dá)天線掃描周期 ；，目標(biāo)狀態(tài)的先驗(yàn)分布P(Xtl)，初始目標(biāo)存 在的先驗(yàn)概率1^( = 1)，總粒子數(shù)Ns，目標(biāo)的出生概率Pb和死亡概率Pd，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型的 狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣F，過(guò)程噪聲的協(xié)方差矩陣Q，量測(cè)噪聲方差σ2，信噪比SNR，目標(biāo)回波幅度A ； 量測(cè)zn,m (k)值在雷達(dá)接收機(jī)中，η和m分別為目標(biāo)的X軸和Y軸坐標(biāo)，k為幀數(shù)，l^k^K, n，m和k均為正整數(shù)；步驟2、k = 0幀，對(duì)每個(gè)粒子的初始狀態(tài)賦值從所有的隊(duì)個(gè)粒子中，隨機(jī)選擇I3HEtl = 1)*隊(duì)個(gè)粒子，用集合Φ。表示，令集合 Φο中粒子的存在變量勾=l，i表示粒子的序號(hào)，Pr(E0 = I)為初始目標(biāo)存在的先驗(yàn)概 率；從目標(biāo)狀態(tài)的先驗(yàn)分布POO中采樣得到k = O幀集合中每個(gè)粒子的初始狀態(tài) ‘二^，碟義，成，^^^，其中[χ;, 乂]為第i個(gè)粒子在X-Y平面的位置，[雄,戽]為第i 個(gè)粒子在X-Y平面的速度，i表示粒子的序號(hào)；對(duì)其余WNs-PHh = 1)*隊(duì)個(gè)粒子，用集合Φ。表示，令Φ。集合中粒子的存在變量 E10=O,表示粒子的序號(hào)，對(duì)Φ。集合中粒子的狀態(tài)不做定義；步驟3、如果k = 0，執(zhí)行步驟9，k為幀數(shù)；如果k Φ 0，根據(jù)第k-Ι幀的每個(gè)粒子的目標(biāo)存在變量及目標(biāo)的出生概率&和死亡概率Pd，計(jì)算第k幀每個(gè)粒子的存在變量j二，Ns為粒子總數(shù)如果第k-Ι幀的第i個(gè)粒子的目標(biāo)存在變量母―,=1，根據(jù)目標(biāo)的死亡概率Pd 令第k幀的第i個(gè)粒子的目標(biāo)存在變量勾=0;如果第k-Ι幀的第i個(gè)粒子的目標(biāo)存在變量母―,=0，根據(jù)目標(biāo)的出生概率Pb 令第k幀的第i個(gè)粒子的目標(biāo)存在變量￡1 = 1;步驟4、根據(jù)步驟3得到的第k-Ι幀的每個(gè)粒子的目標(biāo)存在變量I^Lfii和第k幀每個(gè)粒子的存在變量丨盡；}二，將粒子分為3類(lèi)第一類(lèi)滿足^L=O且￡1=0或^L1=I且￡1=0的粒子，命名為死亡的粒子，這類(lèi) 粒子采用集合Od表示；對(duì)死亡的粒子，不定義它的狀態(tài)；第二類(lèi)滿足母—,=0且￡1=1的粒子，命名為新出生的粒子，新出生的粒子采用集合 Ob表示；對(duì)新出生的粒子，根據(jù)目標(biāo)狀態(tài)的先驗(yàn)分布P(Xtl)，采樣得到它的第k幀狀態(tài)忒； 第三類(lèi)滿足母—,=1且^=I的粒子，命名為繼續(xù)存活的粒子，繼續(xù)存活的粒子采用 集合表示；對(duì)繼續(xù)存活的粒子，首先重新產(chǎn)生它在k-Ι幀的狀態(tài)4—,，產(chǎn)生的方法為從 分布N Ο^,Γ)中采樣，其中N(a, b)表示以a為中心，b為方差的高斯分布；毛—表示k_l 幀得到的目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)值；Γ為預(yù)設(shè)的協(xié)方差矩陣；然后將新產(chǎn)生的在k-1幀的狀態(tài)At1 代入目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型中，得到第k幀粒子的狀態(tài)X1k; 步驟5、從雷達(dá)接收機(jī)中讀取第k幀量測(cè) Z(k) = {zn, m(k)}其中，1≤η≤N，1≤m≤Μ，η和m分別為X軸和Y軸坐標(biāo)，n, m均為正整數(shù)，k為幀 數(shù)；N是X軸量化的單元個(gè)數(shù)，M是Y軸量化的單元個(gè)數(shù)；zn,m(k)表示第k幀回波數(shù)據(jù)的量 測(cè)單元(n，m)中的量測(cè)值，為回波數(shù)據(jù)的功率值；步驟6、根據(jù)步驟4得到的3類(lèi)粒子集和步驟5得到的第k幀量測(cè)，計(jì)算每個(gè)粒子的權(quán)值對(duì)第一類(lèi)粒子Od，令其權(quán)值# = 1;對(duì)第二類(lèi)粒子Ob和第三類(lèi)粒子Φ3，根據(jù)第i個(gè)粒子攜帶的狀態(tài)忒得到粒子在X-Y 平面的坐標(biāo)[X丨,X]，根據(jù)坐標(biāo)[X丨,X]找到第k巾貞量測(cè)中坐標(biāo)為
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于微弱目標(biāo)檢測(cè)的改進(jìn)型粒子濾波檢測(cè)前跟蹤方法。它是根據(jù)目標(biāo)存在變量的狀態(tài)，將粒子分為死亡、新出生和繼續(xù)存活3類(lèi)集合，對(duì)不同集合中的粒子狀態(tài)區(qū)別操作對(duì)死亡集合中的粒子不定義、不參與運(yùn)算；對(duì)新出生集合中的粒子，根據(jù)先驗(yàn)分布采樣得到新的狀態(tài)；對(duì)繼續(xù)存活集合中的粒子，首先根據(jù)高斯分布重新生成，再依據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型得到新的狀態(tài)。該方法減小了運(yùn)算量，增加了粒子的多樣性，有效地克服了采樣枯竭現(xiàn)象；具有計(jì)算時(shí)間短、魯棒性強(qiáng)，檢測(cè)性能穩(wěn)定可靠和跟蹤精度高的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01S7/36GK102043150SQ201010574049
公開(kāi)日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2010年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月6日
發(fā)明者張曉玲, 樊玲 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)