一種單頻網雷達多目標跟蹤方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單頻網雷達多目標跟蹤方法。方法包括量測互聯(lián)和序列跟蹤兩個模塊。量測互聯(lián)中：首先選取一定數(shù)量的量測與收發(fā)對關聯(lián)構造低維度關聯(lián)假設，然后對所有關聯(lián)假設進行快速判決以盡可能排除錯誤的關聯(lián)假設，整理上一步中所接受的關聯(lián)假設，最后基于整理后的數(shù)據(jù)構造單頻網情況下的全局關聯(lián)0-1整數(shù)規(guī)劃模型，求解得量測互聯(lián)后的二次量測?；诙瘟繙y采用卡爾曼濾波實現(xiàn)序列跟蹤。該方法可應對單頻網雷達中量測、發(fā)射站、目標三者的關聯(lián)模糊問題，通過啟發(fā)式方法和最優(yōu)化模型相結合的方式大幅降低計算復雜度，且多目標跟蹤性能接近關聯(lián)關系已知的情況，具有推廣應用價值。
【專利說明】-種單頻網雷達多目標跟蹤方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達數(shù)據(jù)處理領域，設及多傳感器多目標跟蹤方法，具體設及一種單 頻網雷達的多目標跟蹤方法。

【背景技術】
[0002] 雷達體制曾經歷了從機械掃描式到相控陣的轉變，現(xiàn)在的一個方向是從單 基地向分布式（網絡化）發(fā)展，其中有代表性的是多輸入多輸出（multiple-input multiple-output,縮寫MIMO)雷達。在眾多的研究討論中，絕大部分假定MIMO雷達各發(fā)射 站的波形正交，該常通過頻率錯開或波形編碼來實現(xiàn)。
[0003] 值得注意的是，隨著同步和調制編碼技術的大幅發(fā)展，一種新的發(fā)射站組網覆蓋 技術已成功實現(xiàn)，即單頻網技術（Single化equency Network,縮寫SFN)，目前已廣泛應用 于數(shù)字廣播電視組網覆蓋，如中國CMMB/DTMB/CDR、歐洲DAB/DVB-T、日本ISDB-T等數(shù)字廣 播電視標準均采用了單頻網技術。不同于W往為避免站間互擾而采用的多頻覆蓋，單頻網 技術在預期覆蓋區(qū)域內布置多個小功率發(fā)射臺，同時W同一頻率播出相同的節(jié)目，結合先 進的信道傳輸（如OFDM)和信道糾錯編碼（如LDPC)等技術在解決多徑干擾的同時大大提 高了廣播系統(tǒng)的傳輸效率和可靠性，調和了頻率和功率資源之間的矛盾，從而實現(xiàn)了頻率 和功率的節(jié)約。
[0004] 研究發(fā)現(xiàn)，單頻網數(shù)字廣播電視臺在用于廣播通信的同時亦可用于目標探測， 武漢大學萬顯榮和易建新等于2013年提交申請了單頻網外福射源雷達系統(tǒng)和相應信號 處理方法的發(fā)明專利（一種基于單頻網的外福射源雷達系統(tǒng)及其信號處理方法，申請?zhí)?201310739890. 3,公布號CN103698759A)，該專利公開了一種單頻網外福射源雷達系統(tǒng)結 構，并提供了核屯、的信號處理步驟和方法。
[0005] 事實上，當MIMO雷達工作于單頻網模式時，整個MIMO雷達只占用一個頻率，可極 大節(jié)省頻率資源，同時亦可W降低系統(tǒng)成本。單頻網照射源除了可W采用第S方照射源，亦 可自行配置專用照射源、或者軍民兩用照射源。由于此時各站發(fā)射波形已非傳統(tǒng)MIMO雷達 中假定的正交，單頻網模式下的MIMO雷達在系統(tǒng)配置及信號處理上都不同于傳統(tǒng)MIMO雷 達，便于區(qū)分，稱之為單頻網雷達，前述專利（201310739890.3)中提出的單頻網外福射源 雷達是單頻網雷達的一個子類。
[0006] 單頻網雷達的一項關鍵技術設及單頻網模式下的目標跟蹤問題，由于單頻網中各 發(fā)射站同頻發(fā)射相同信號，各站照射到目標產生多路散射回波，相關檢測后形成多個量測， 且各量測與發(fā)射站的對應關系先驗未知，導致量測與發(fā)射站之間關聯(lián)模糊，其不同于常規(guī) MIMO雷達的關聯(lián)問題，特稱之為單頻網模糊問題。前述專利（201310739890. 3)提供了一種 啟發(fā)式的數(shù)據(jù)關聯(lián)方法，能夠應對單目標情況或稀疏目標情況等較為簡單場景下的單頻網 模糊問題，然而在多目標情況下數(shù)據(jù)關聯(lián)和目標跟蹤性能下降。本發(fā)明提出了一種適用于 多目標場景的單頻網雷達多目標跟蹤方法。


【發(fā)明內容】

[0007] 為了解決上述多目標場景下的單頻網目標跟蹤問題，本發(fā)明提供了一種高效的單 頻網雷達多目標跟蹤方法。
[000引本發(fā)明所提的單頻網雷達多目標跟蹤方法，其特征在于，包括W下步驟：
[0009] 步驟1 ;選取量測與收發(fā)對關聯(lián)構造低維度關聯(lián)假設；
[0010] 步驟2 ;對步驟1所得的所有關聯(lián)假設進行快速判決；
[0011] 步驟3 ;整理步驟2中被接受的關聯(lián)假設，構成候選目標組；
[0012] 步驟4 ;基于候選目標組構造單頻網全局關聯(lián)模型，求解得二次量測；
[0013] 步驟5 二次量測作為輸入進行序列跟蹤，輸出目標航跡。
[0014] 步驟1中所述的選取量測與收發(fā)對關聯(lián)構造低維度關聯(lián)假設；關聯(lián)假設所設及的 量測與收發(fā)對的數(shù)量具體滿足：設收發(fā)對個數(shù)為Nt_。，所考慮空間維數(shù)為D(二維情況D = 2, S維情況D = 3)，Nt_。個收發(fā)對中包含Q個接收站，則應滿足
[00 巧]Nt_k+Nd〇a>D (式 1)
[0016] 其中，Ndm表示關聯(lián)假設中的角度量測信息所包含的獨立約束數(shù)，當量測中無方位 角和仰角信息時，Ndm= 0 ;當量測中有方位角而無仰角信息時，Ndm= Q ;當量測中有方位角 和仰角信息時，Ndm= 2Q。
[0017] 步驟2中所述的對步驟1所得的所有關聯(lián)假設進行快速判決；具體實現(xiàn)過程為： 當雙基距離量測誤差小于500m時，首先利用關聯(lián)假設中所包含的雙基距離和到達角量測 估計關聯(lián)假設為真情況下對應的目標位置，記為，然后將6代入雙基距離和到達角量測 方程得雙基距離和到達角估計量，將雙基距離和到達角實際量測值減去相應估計量得殘差 A Z。，記雙基距離和到達角量測協(xié)方差矩陣為R。，得相應檢驗統(tǒng)計量
[0018] 7：=Az:JCAZc (式。
[0019] 其中上標"T"表示轉置。
[0020] 將乍為已知量代入關聯(lián)假設所包含的雙基速度量測方程，估計得速度，類似 地，將戈入雙基速度量測方程得雙基速度估計量，用雙基速度實際量測值減去相應估計 量得殘差A Zy，記雙基速度量測協(xié)方差矩陣為Ry，得相應檢驗統(tǒng)計量
[0021] 7；=AzX'A^v (式如
[0022] 綜合得關聯(lián)假設判決的檢驗統(tǒng)計量為
[0023] T = Tc+Tv (式 4)
[0024] 關聯(lián)假設正確時，T服從自由度為的卡方分布，即 Y :八+ Wt_k - 2巧，其中為也。的元素個數(shù)。
[0025] 關聯(lián)假設判決準則為
[0026] 了 ty (式 W 拒途
[0027] 其中判決口限丫由給定的關聯(lián)概率（即正確關聯(lián)假設被接受的概率）根據(jù)卡方 分布/炒^。+Wta- 2巧計算得到。
[0028] 當雙基距離量測誤差大于500m時，利用所有量測信息同時估計位置和速度，然后 代入量測方程求殘差，利用殘差按照上述過程構造卡方檢驗統(tǒng)計量和判決準則。
[0029] 步驟3中所述的整理步驟2中被接受的關聯(lián)假設，構成候選目標組，其具體實現(xiàn)包 括W下兩個子步驟：
[0030] 步驟3. 1 ;關聯(lián)假設融合；定義如下兩個布爾矩陣，即相容矩陣和距離矩陣 Ddkt，兩矩陣均為方陣，行、列數(shù)為步驟2中接受的關聯(lián)假設數(shù)，具體地，相容矩陣。胃第i行 第k列的元素定義為
[0031]

【權利要求】
1. 一種單頻網雷達多目標跟蹤方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1:選取量測與收發(fā)對關聯(lián)構造低維度關聯(lián)假設； 步驟2 :對步驟1所得的所有關聯(lián)假設進行快速判決； 步驟3 :整理步驟2中被接受的關聯(lián)假設，構成候選目標組； 步驟4 :基于候選目標組構造單頻網全局關聯(lián)模型，求解得二次量測； 步驟5 :以二次量測作為輸入進行序列跟蹤，輸出目標航跡。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種單頻網雷達多目標跟蹤方法，其特征在于：步驟1中所 述的選取量測與收發(fā)對關聯(lián)構造低維度關聯(lián)假設；關聯(lián)假設所涉及的量測與收發(fā)對的數(shù)量 具體滿足： 設收發(fā)對個數(shù)為NT_K，所考慮空間維數(shù)為D，二維情況D= 2,三維情況D= 3,NT_K個收 發(fā)對中包含Q個接收站，則應滿足 Nt-k+Ndoa>D(式 1) 其中，Ndm表示關聯(lián)假設中的角度量測信息所包含的獨立約束數(shù)，當量測中無方位角和 仰角信息時，Ndm=O;當量測中有方位角而無仰角信息時，Ndm=Q;當量測中有方位角和仰 角f曰息時，Ndqa= 2Q。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種單頻網雷達多目標跟蹤方法，其特征在于：步驟2中所 述的對步驟1所得的所有關聯(lián)假設進行快速判決；具體實現(xiàn)過程為： 當雙基距離量測誤差小于500m時，首先利用關聯(lián)假設中所包含的雙基距離和到達角 量測估計關聯(lián)假設為真情況下對應的目標位置，記為然后將匕代入雙基距離和到達角 量測方程得雙基距離和到達角估計量，將雙基距離和到達角實際量測值減去相應估計量得 殘差Az。，記雙基距離和到達角量測協(xié)方差矩陣為R。，得相應檢驗統(tǒng)計量 （式 2) 其中上標"T"表示轉置； 將&作為已知量代入關聯(lián)假設所包含的雙基速度量測方程，估計得速度^，類似地，將 圮代入雙基速度量測方程得雙基速度估計量，用雙基速度實際量測值減去相應估計量得殘 差AZv，記雙基速度量測協(xié)方差矩陣為Rv，得相應檢驗統(tǒng)計量 rv=A?Azv (式 3) 綜合得關聯(lián)假設判決的檢驗統(tǒng)計量為T= ?；+rv (式 4) 關聯(lián)假設正確時，Y服從自由度為+&_R-2D的卡方分布，即T:f(AQ+馬*-2D)， 其中&為Az。的元素個數(shù)； 關聯(lián)假設判決準則為
其中，判決門限y由給定的關聯(lián)概率一即正確關聯(lián)假設被接受的概率根據(jù)卡方分布Z2(A、+iVT_R-2Z>)計算得到； 當雙基距離量測誤差大于500m時，利用所有量測信息同時估計位置和速度，然后代入 量測方程求殘差，利用殘差按照上述過程構造卡方檢驗統(tǒng)計量和判決準則。
4. 根據(jù)權利要求1所述的一種單頻網雷達多目標跟蹤方法，其特征在于：步驟3中所 述的整理步驟2中被接受的關聯(lián)假設，構成候選目標組，其具體實現(xiàn)包括以下兩個子步驟： 步驟3. 1 :關聯(lián)假設融合；定義如下兩個布爾矩陣，即相容矩陣C_p和距離矩陣Ddist，兩 矩陣均為方陣，行、列數(shù)為步驟2中接受的關聯(lián)假設數(shù)，具體地，相容矩陣Cramp第i行第k列 的元素定義為
其中，兩關聯(lián)不相容是指包含以下兩種情況中的任意一種：情況一：兩關聯(lián)假設中包 含相同收發(fā)對卻關聯(lián)到不同的量測；情況二：兩關聯(lián)假設包含相同的量測卻關聯(lián)到不同的 收發(fā)對； 距離矩陣Ddist定義為
其中，\和Xk是關聯(lián)假設i和k的狀態(tài)向量，包括位置和速度，RJPRk是相應的估計 誤差協(xié)方差矩陣，n由一給定概率根據(jù)卡方分布X2 (2D)計算得到； 若兩個或多個關聯(lián)假設兩兩之間對應的相容矩陣元素和距離矩陣元素均為1，將其視 為同一個候選目標的關聯(lián)假設，重新估計候選目標狀態(tài)實現(xiàn)關聯(lián)假設融合，融合后的關聯(lián) 假設稱為候選目標； 步驟3. 2 :候選目標集群；將候選目標集群后得到分立的候選目標組，同一候選目標組 中各候選目標存在量測交集，量測交集是指兩候選目標包含相同量測或兩候選目標均與第 三方候選目標包含相同量測，第三方候選目標可以是一個候選目標，也可以是存在量測交 集的候選目標組；不同候選目標組之間不包含相同量測。
5. 根據(jù)權利要求1所述的一種單頻網雷達多目標跟蹤方法，其特征在于：步驟4中所 述的基于候選目標組構造單頻網全局關聯(lián)模型，求解得二次量測；具體實現(xiàn)方式為： 對任意候選目標組，設所涉及的候選目標個數(shù)為P、發(fā)射站個數(shù)為N' t、接收站個數(shù)為 N'j?，接收站Ivn11= 1，2,…，N' 1?中涉及的量測個數(shù)為，定義關聯(lián)變量為
?=0，1，'..，M":，nt= 1，…，N't，p= 0, 1，…，P，nr= 1，…，N'r (式 8) 其中，'=Q表示空量測，即為漏檢，P= 0表示空候選目標，即為虛警；定義 為關聯(lián)變量心》,.)對應的關聯(lián)代價，關聯(lián)代價用負的對數(shù)似然比表征，具 體計算分如下幾種情況： (i) 當'=0，p= 0 時，始終令a(0,nt，0,nr) = 0,c(0,nt，0,nr)賦值為正無窮； (ii) 當'=0，p= 1，…，P時，a(0,nt，p，nr) =I表示漏檢，取c(0,nt，p，nr) =-In(I-Pd)，其中？(5表不檢測概率； (iii) 當=1，…，M,;,，p=O時，a(，U，0A)=1 表示虛警，貝IJc(wV7V0A)=0; (iv) 當'=1，…，C，P= 1，…，P時，若關聯(lián)未出現(xiàn)在該候選目標組中，則 令咖"，?』，?)=0,同時+"，《1，/7，?)賦值為正無窮；否則，關聯(lián)代價按如下計算：
其中，Xp為相應候選目標狀態(tài)，<v)為量測，R為量測協(xié)方差矩陣，U)是對應于發(fā)射 站M5P接收站I的量測函數(shù)，d是量測的元素個數(shù)，Nfa(r〇是接收站~的檢測虛警數(shù)，F(xiàn)oVl是觀測域容積； 定義變量Sp表征候選目標p是否保留，Sp= 1表示保留，Sp= 1表示不保留；據(jù)此 構造的單頻網全局關聯(lián)模型為
對每個候選目標組構建上述全局關聯(lián)模型并求解，所保留的候選目標即為二次量測， 用作步驟5中序列跟蹤的輸入。
【文檔編號】G01S7/41GK104502900SQ201510015901
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2015年1月13日 優(yōu)先權日:2015年1月13日
【發(fā)明者】萬顯榮, 易建新, 呂敏, 程豐 申請人:武漢大學