外輻射源雷達(dá)中一種基于隨機(jī)有限集的多目標(biāo)跟蹤方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于外輻射源雷達(dá)多目標(biāo)跟蹤【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及外輻射源雷達(dá)中一種基于隨機(jī)有限集的多目標(biāo)跟蹤方法。該外輻射源雷達(dá)中一種基于隨機(jī)有限集的多目標(biāo)跟蹤方法包括以下步驟：利用外輻射源雷達(dá)接收數(shù)字電視信號(hào)，對(duì)外輻射源雷達(dá)接收的數(shù)字電視信號(hào)依次進(jìn)行解調(diào)、重編碼，重構(gòu)出各個(gè)發(fā)射站的直達(dá)波信號(hào)；利用每個(gè)發(fā)射站的直達(dá)波信號(hào)對(duì)外輻射源雷達(dá)接收的數(shù)字電視信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)雜波相消處理，得到雜波相消后信號(hào)；根據(jù)所述雜波相消后信號(hào)、以及重構(gòu)出的各個(gè)發(fā)射站的直達(dá)波信號(hào)，得到各個(gè)目標(biāo)的觀測(cè)量；采用概率假設(shè)密度粒子濾波方法對(duì)外輻射源雷達(dá)矩形觀測(cè)區(qū)域內(nèi)的每個(gè)目標(biāo)實(shí)施定位跟蹤，每個(gè)目標(biāo)的定位跟蹤方法為到達(dá)時(shí)間定位方法。
【專利說明】外輻射源雷達(dá)中一種基于隨機(jī)有限集的多目標(biāo)跟蹤方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于外輻射源雷達(dá)多目標(biāo)跟蹤【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及外輻射源雷達(dá)中一種基 于隨機(jī)有限集的多目標(biāo)跟蹤方法。本發(fā)明可在雜波背景下，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)目標(biāo)的精確跟蹤，且 運(yùn)算耗時(shí)較短。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的有源雷達(dá)在電子干擾、反輻射導(dǎo)彈、超低空突防 及隱身技術(shù)等威脅中面臨嚴(yán)重的生存危機(jī)。為了應(yīng)對(duì)現(xiàn)代電子戰(zhàn)爭(zhēng)中的四大威脅，外輻射 源雷達(dá)成為雷達(dá)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。外輻射源雷達(dá)本身不發(fā)射電磁波，而是利用已存在的民 用信號(hào)（如FM調(diào)頻信號(hào)、GMS(Global System for Mobile communication，全球移動(dòng)通訊系 統(tǒng)）、電視信號(hào)等）作為第三方照射源，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和定位，具有生存能力強(qiáng)、反隱身、 抗低空突防及成本低等優(yōu)勢(shì)。但是由于民用信號(hào)的發(fā)射功率較低，目標(biāo)回波通常被直達(dá)波 和多徑覆蓋，因此實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)和跟蹤前需要先對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理。
[0003] 同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤是雷達(dá)的重要職能之一，利用外輻射源雷達(dá)實(shí)現(xiàn)多目標(biāo) 跟蹤又稱為被動(dòng)多傳感器多目標(biāo)跟蹤，相較于常規(guī)多目標(biāo)跟蹤，其面臨的問題更為復(fù)雜。一 方面要在包含雜波的觀測(cè)中配對(duì)目標(biāo)與觀測(cè)量；另一方面，還要區(qū)分不同發(fā)射站（傳感器） 所對(duì)應(yīng)的觀測(cè)量；同時(shí)目標(biāo)的數(shù)目和觀測(cè)量的數(shù)目是不確定而且時(shí)變的。傳統(tǒng)的處理方法 是利用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤，主要算法有聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法（JPDA)和多 假設(shè)跟蹤方法（MHT)等。但聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法只能處理目標(biāo)個(gè)數(shù)固定且已知的情況， 多假設(shè)跟蹤方法中的假設(shè)會(huì)隨時(shí)間呈現(xiàn)指數(shù)型增長(zhǎng)，出現(xiàn)組合爆炸。
[0004] 20世紀(jì)九十年代，基于隨機(jī)有限集（RFS)理論，Mahler提出了不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān) 聯(lián)的概率假設(shè)密度（PHD)濾波，而概率假設(shè)密度濾波方法通過粒子濾波（PF)實(shí)現(xiàn)，將概率 假設(shè)密度濾波方法由理論層面帶入工程實(shí)踐中。在外輻射源雷達(dá)中，利用（PF-PHD)概率 假設(shè)密度粒子濾波算法實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)跟蹤，雖然可以避免數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，但需要大量粒子以保證 跟蹤性能，計(jì)算量太大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提出外輻射源雷達(dá)中一種基于隨機(jī)有限集的多目標(biāo)跟蹤方法。 本發(fā)明以數(shù)字電視信號(hào)作為外輻射源雷達(dá)的第三方照射源，利用數(shù)字電視信號(hào)的特性，獲 取純凈直達(dá)波，從而提高雜波相消性能；在概率假設(shè)密度粒子濾波方法中，通過改進(jìn)存活粒 子狀態(tài)的預(yù)測(cè)，優(yōu)化新生粒子的分布，實(shí)現(xiàn)用少量粒子對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行高精度跟蹤。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0007] 外輻射源雷達(dá)中一種基于隨機(jī)有限集的多目標(biāo)跟蹤方法包括以下步驟：
[0008] 步驟1，利用外輻射源雷達(dá)接收數(shù)字電視信號(hào)，對(duì)外輻射源雷達(dá)接收的數(shù)字電視信 號(hào)依次進(jìn)行解調(diào)、重編碼，重構(gòu)出各個(gè)發(fā)射站的直達(dá)波信號(hào)；
[0009] 步驟2,利用每個(gè)發(fā)射站的直達(dá)波信號(hào)對(duì)外輻射源雷達(dá)接收的數(shù)字電視信號(hào)進(jìn)行 自適應(yīng)雜波相消處理，得到雜波相消后信號(hào)；根據(jù)所述雜波相消后信號(hào)、以及重構(gòu)出的各個(gè) 發(fā)射站的直達(dá)波信號(hào)，得到各個(gè)目標(biāo)的觀測(cè)量；
[0010] 步驟3,采用概率假設(shè)密度粒子濾波方法對(duì)外輻射源雷達(dá)矩形觀測(cè)區(qū)域內(nèi)的每個(gè) 目標(biāo)實(shí)施定位跟蹤，每個(gè)目標(biāo)的定位跟蹤方法為到達(dá)時(shí)間定位方法。
[0011] 本發(fā)明的特點(diǎn)和進(jìn)一步改進(jìn)在于：
[0012] 所述步驟2的具體子步驟為：
[0013] (2. 1)利用每個(gè)發(fā)射站的直達(dá)波信號(hào)對(duì)外輻射源雷達(dá)接收的數(shù)字電視信號(hào)進(jìn)行自 適應(yīng)雜波相消處理，得到雜波相消后信號(hào)；
[0014] (2.2)對(duì)所述雜波相消后信號(hào)、以及重構(gòu)出的各個(gè)發(fā)射站的直達(dá)波信號(hào)進(jìn)行距 離一多普勒二維相關(guān)運(yùn)算，得到各個(gè)目標(biāo)的觀測(cè)量；每個(gè)目標(biāo)的觀測(cè)量包括：對(duì)應(yīng)目標(biāo)的 雙基地距離和以及對(duì)應(yīng)目標(biāo)的速度。
[0015] 所述步驟3具體包括以下子步驟：
[0016] (3. 1)設(shè)置參數(shù)k，k = 0, 1，2...;當(dāng)k = 0時(shí)，在k時(shí)刻用L個(gè)粒子表示目標(biāo)狀 態(tài)的先驗(yàn)分布，所述U個(gè)粒子表示戈

【權(quán)利要求】
1. 外輻射源雷達(dá)中一種基于隨機(jī)有限集的多目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于，包括以下步 驟： 步驟1，利用外輻射源雷達(dá)接收數(shù)字電視信號(hào)，對(duì)外輻射源雷達(dá)接收的數(shù)字電視信號(hào)依 次進(jìn)行解調(diào)、重編碼，重構(gòu)出各個(gè)發(fā)射站的直達(dá)波信號(hào)； 步驟2,利用每個(gè)發(fā)射站的直達(dá)波信號(hào)對(duì)外輻射源雷達(dá)接收的數(shù)字電視信號(hào)進(jìn)行自適 應(yīng)雜波相消處理，得到雜波相消后信號(hào)；根據(jù)所述雜波相消后信號(hào)、以及重構(gòu)出的各個(gè)發(fā)射 站的直達(dá)波信號(hào)，得到各個(gè)目標(biāo)的觀測(cè)量； 步驟3,采用概率假設(shè)密度粒子濾波方法對(duì)外輻射源雷達(dá)矩形觀測(cè)區(qū)域內(nèi)的每個(gè)目標(biāo) 實(shí)施定位跟蹤，每個(gè)目標(biāo)的定位跟蹤方法為到達(dá)時(shí)間定位方法。
2. 如權(quán)利要求1所述的外輻射源雷達(dá)中一種基于隨機(jī)有限集的多目標(biāo)跟蹤方法，其特 征在于，所述步驟2的具體子步驟為： (2. 1)利用每個(gè)發(fā)射站的直達(dá)波信號(hào)對(duì)外輻射源雷達(dá)接收的數(shù)字電視信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng) 雜波相消處理，得到雜波相消后信號(hào)； (2. 2)對(duì)所述雜波相消后信號(hào)、以及重構(gòu)出的各個(gè)發(fā)射站的直達(dá)波信號(hào)進(jìn)行距離一多 普勒二維相關(guān)運(yùn)算，得到各個(gè)目標(biāo)的觀測(cè)量；每個(gè)目標(biāo)的觀測(cè)量包括：對(duì)應(yīng)目標(biāo)的雙基地 距離和以及對(duì)應(yīng)目標(biāo)的速度。
3. 如權(quán)利要求1所述的外輻射源雷達(dá)中一種基于隨機(jī)有限集的多目標(biāo)跟蹤方法，其特 征在于，所述步驟3具體包括以下子步驟： (3. 1)設(shè)置參數(shù)k，k = 0, 1，2...;當(dāng)k = 0時(shí)，在k時(shí)刻用L個(gè)粒子表示目標(biāo)狀態(tài)的 先驗(yàn)分布，所述U個(gè)粒子表示）
復(fù)示0時(shí)刻所述U 個(gè)粒子中第L個(gè)粒子的權(quán)值，表示所述U個(gè)粒子中第L個(gè)粒子在0時(shí)刻的粒子狀態(tài)； (3. 2)當(dāng)k彡1時(shí)，將k-Ι時(shí)刻的粒子集）
為k-Ι時(shí)刻的粒子 數(shù)，iH取1至Lg，為k-Ι時(shí)刻第L個(gè)粒子的權(quán)值，MM為k-Ι時(shí)刻第L個(gè)粒子 的粒子狀態(tài)；在k-Ι時(shí)刻每個(gè)粒子處產(chǎn)生一組西格瑪點(diǎn)，k-Ι時(shí)刻每個(gè)粒子處產(chǎn)生的一組西 格瑪點(diǎn)包括至必廣丨、以及至，11為粒子狀態(tài)的維數(shù)； 將k-Ι時(shí)刻每個(gè)粒子處產(chǎn)生的一組西格瑪點(diǎn)帶入目標(biāo)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程中，得到k時(shí)刻 也/⑴的一步預(yù)測(cè)狀態(tài)值j取〇至2n ;對(duì)xl-f至xilf4進(jìn)行加權(quán)求和，得到k 時(shí)刻粒子狀態(tài)的初步一步預(yù)測(cè)值?/Τ?，計(jì)算出k時(shí)刻的初步一步預(yù)測(cè)狀態(tài)協(xié)方差矩 陣 將χ| f代入目標(biāo)觀測(cè)方程中，得到k時(shí)刻χ?>·-η的一步預(yù)測(cè)觀測(cè)值所述目 標(biāo)觀測(cè)方程為Zk = h(xk，Vk)，其中，vk為觀測(cè)噪聲，h(xk，V k)表示目標(biāo)的觀測(cè)函數(shù)；對(duì) g/yf至進(jìn)行加權(quán)求和，得到k時(shí)刻觀測(cè)量的初步一步預(yù)測(cè)值 在k時(shí)刻目標(biāo)的觀測(cè)集Zk中，選取出與具有最近歐式距離的對(duì)應(yīng)目標(biāo)觀測(cè)量zk， k時(shí)刻目標(biāo)的觀測(cè)集Zk為：由k時(shí)刻每個(gè)目標(biāo)的觀測(cè)量組成的集合；用zk對(duì)粒子狀態(tài)的初 步一步預(yù)測(cè)值的初步一步預(yù)測(cè)狀態(tài)協(xié)方差矩陣iff/做進(jìn)一步修正，得到初 步一步預(yù)測(cè)均值ifi及iifi1的初步一步預(yù)測(cè)狀態(tài)協(xié)方差矩陣pf*11;在均值為itl,協(xié) 方差為pf的高斯分布上采樣，得到k時(shí)刻第ik_i個(gè)粒子的粒子狀態(tài)的一步預(yù)測(cè)值；; 根據(jù)Jt￡+++?的概率密度q k，并按照下式計(jì)算出所對(duì)應(yīng)的權(quán)值:
其中，Psik為k-i時(shí)刻的目標(biāo)在k時(shí)刻仍然存在的概率，為目標(biāo)狀 態(tài)轉(zhuǎn)移概率密度函數(shù)； (3. 3)當(dāng)k > 1時(shí)，得出k時(shí)刻每個(gè)發(fā)射站對(duì)應(yīng)的每個(gè)目標(biāo)的雙基地雙基地橢圓，在k 時(shí)刻每個(gè)發(fā)射站對(duì)應(yīng)的每個(gè)目標(biāo)的雙基地橢圓曲線上，每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的雙基地距離和為一固 定值，每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的雙基地距離和指：每個(gè)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)發(fā)射站的距離、以及對(duì)應(yīng)點(diǎn)與外輻射源 雷達(dá)的距離之和；根據(jù)k時(shí)刻每個(gè)發(fā)射站對(duì)應(yīng)的每個(gè)目標(biāo)的雙基地橢圓曲線與外輻射源雷 達(dá)的矩形觀測(cè)區(qū)域邊緣的交點(diǎn)，分布k時(shí)刻新生粒子，并計(jì)算k時(shí)刻每個(gè)新生粒子的權(quán)值， k時(shí)刻新生粒子的個(gè)數(shù)表示為Jk，k時(shí)刻第inOT個(gè)新生粒子的粒子狀態(tài)表示為，k時(shí) 刻第個(gè)新生粒子的權(quán)值表示為取Lyl至UJk; (3.4)當(dāng)1時(shí)，根據(jù)子步驟（3.2)和子步驟（3. 3)，得到預(yù)測(cè)的k時(shí)刻的粒子集 ,其中，#)表示預(yù)測(cè)的k時(shí)刻的粒子集中第i' k個(gè)粒子的粒子狀態(tài)， I n\=\ Akk i 表示預(yù)測(cè)的k時(shí)刻的粒子集中第i' k個(gè)粒子的權(quán)值，i' k取1至Lg+Jk;利用k時(shí)刻目 標(biāo)的觀測(cè)集Zk，對(duì)預(yù)測(cè)的k時(shí)刻的粒子集中第i'k個(gè)粒子的權(quán)值進(jìn)行修正，得出預(yù)測(cè)的 k時(shí)刻的粒子集中第i' k個(gè)粒子的修正后權(quán)值; (3. 5)按照預(yù)測(cè)的k時(shí)刻的粒子集中第i'k個(gè)粒子的修正后權(quán)值,對(duì)預(yù)測(cè)的k時(shí) 刻的粒子集進(jìn)行重采樣，得出k時(shí)刻的粒子集；對(duì)k時(shí)刻的粒子集進(jìn)行聚類分析，得到每個(gè) 目標(biāo)k時(shí)刻的狀態(tài)。
4.如權(quán)利要求3所述的外輻射源雷達(dá)中一種基于隨機(jī)有限集的多目標(biāo)跟蹤方法，其特 征在于，在子步驟（3.3)中，計(jì)算k時(shí)刻每個(gè)發(fā)射站對(duì)應(yīng)的每個(gè)目標(biāo)的雙基地橢圓曲線與 外輻射源雷達(dá)的矩形觀測(cè)區(qū)域邊緣的交點(diǎn)的位置；根據(jù)k時(shí)刻每個(gè)發(fā)射站對(duì)應(yīng)的每個(gè)目標(biāo) 的雙基地橢圓曲線與外輻射源雷達(dá)的矩形觀測(cè)區(qū)域邊緣的交點(diǎn)的位置，在外輻射源雷達(dá)的 矩形觀測(cè)區(qū)域邊緣中的上邊緣、下邊緣、左邊緣或右邊緣中，找出任一個(gè)滿足以下條件的邊 緣：與k時(shí)刻每個(gè)發(fā)射站對(duì)應(yīng)的每個(gè)目標(biāo)的雙基地橢圓曲線存在交點(diǎn)；將找出的滿足以上 條件的邊緣記為：k時(shí)刻目標(biāo)的新生粒子分布邊緣； 在k時(shí)刻目標(biāo)的新生粒子分布邊緣、以及k時(shí)刻每個(gè)發(fā)射站對(duì)應(yīng)的每個(gè)目標(biāo)的雙基地 橢圓曲線的所有交點(diǎn)中，找出相距最近的1個(gè)交點(diǎn)，這1個(gè)交點(diǎn)與1個(gè)發(fā)射站一一對(duì)應(yīng)；得 出所述相距最近的1個(gè)交點(diǎn)的位置的均值，將所述相距最近的1個(gè)交點(diǎn)的位置的均值記為： k時(shí)刻共同交點(diǎn)；根據(jù)目標(biāo)觀測(cè)方程，計(jì)算k時(shí)刻共同交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)速度； 在k時(shí)刻共同交點(diǎn)處采樣Jk個(gè)點(diǎn)，得出k時(shí)刻Jk個(gè)新生粒子、k時(shí)刻Jk個(gè)新生粒子的 粒子狀態(tài)；按下式計(jì)算k時(shí)刻第inM個(gè)新生粒子的權(quán)C

其中，in"取至UJk，f 11 為k時(shí)刻第inOT個(gè)新生粒子的位置在X方 向上的概率密度函數(shù)，為k時(shí)刻第inew個(gè)新生粒子的位置在y方向上的概 率密度函數(shù)，為k時(shí)刻第inOT個(gè)新生粒子的速度在X方向上的概率密度函 數(shù)，I 為k時(shí)刻第iMW個(gè)新生粒子的速度在y方向上的概率密度函數(shù)；當(dāng)k時(shí) 刻目標(biāo)的新生粒子分布邊緣為外輻射源雷達(dá)的矩形觀測(cè)區(qū)域邊緣中的上邊緣或下邊緣時(shí)，
當(dāng)k時(shí)刻目標(biāo)的新生粒子分布邊緣為外輻射源雷達(dá)的矩 形觀測(cè)區(qū)域邊緣中的左邊緣或右邊緣時(shí)，
5.如權(quán)利要求3所述的外輻射源雷達(dá)中一種基于隨機(jī)有限集的多目標(biāo)跟蹤方法，其特 征在于，在子步驟（3.4)中，首先由下式計(jì)算；處的檢測(cè)概率

其中，SNR(xiH)表示處的信噪比，pFA為設(shè)定的虛警概率，Q[ ·]表示marcum Q 函數(shù)
〇表示零階貝塞爾函數(shù)； 然后，按照下式計(jì)算k時(shí)刻雜波平均數(shù)λ k和雜波概率密度Ck :
其中，U為外輻射源雷達(dá)接收信號(hào)的距離范圍，L2為外輻射源雷達(dá)接收信號(hào)的多普勒 頻率范圍，^外輻射源雷達(dá)接收信號(hào)的距離分辨率，12為外輻射源雷達(dá)接收信號(hào)的多普勒 分辨率； 利用zk計(jì)算似然函I

其中，Rv是觀測(cè)噪聲Vk的協(xié)方差矩陣，上標(biāo)-1表示矩陣的逆，上標(biāo)τ表示矩陣或向 量的轉(zhuǎn)置； 按照下式計(jì)算出預(yù)測(cè)的k時(shí)刻的粒子集中第i' k個(gè)粒子的修正后權(quán)值:
其中，i'k取1至L^+Jk。
6. 如權(quán)利要求3所述的外輻射源雷達(dá)中一種基于隨機(jī)有限集的多目標(biāo)跟蹤方法，其特 征在于，在子步驟（3.5)中，首先根據(jù)預(yù)測(cè)的k時(shí)刻的粒子集中第i' k個(gè)粒子的修正后權(quán)值 ，計(jì)算k時(shí)刻的估計(jì)目標(biāo)數(shù)]; 針對(duì)每個(gè)目標(biāo)固定采樣m個(gè)粒子，對(duì)預(yù)測(cè)的k時(shí)刻的粒子集進(jìn)行重采樣，得到k時(shí)刻的 粒子集pi氣t，ik取1至Lk，& = M 表示k時(shí)刻的粒子集中第ik個(gè)粒 子的粒子狀態(tài)，表示k時(shí)刻的粒子集中第ik個(gè)粒子權(quán)值。
7. 如權(quán)利要求3所述的外輻射源雷達(dá)中一種基于隨機(jī)有限集的多目標(biāo)跟蹤方法，其特 征在于，在步驟3之后，針對(duì)每個(gè)目標(biāo)0時(shí)刻至k時(shí)刻的狀態(tài)，進(jìn)行航跡關(guān)聯(lián)，剔除虛假航 跡，得出每個(gè)目標(biāo)的航跡。
【文檔編號(hào)】G01S13/66GK104101876SQ201410349979
【公開日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】王俊, 王海環(huán) 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)