[发明专利]同时解距离模糊的IPPHDF机动多目标跟踪方法

摘要

本发明公开了一种同时解距离模糊的IPPHDF机动多目标跟踪方法，适用于距离测量模糊情况下雷达对机动多目标的跟踪。针对基于PPHDF的多目标跟踪方法存在目标检测概率较低时容易造成目标丢失，以及无法直接利用模糊的量测数据对目标进行跟踪的问题，本发明提出的同时解距离模糊的IPPHDF机动多目标跟踪方法。本发明具有结构简单，计算快速，对强非线性非高斯系统具有良好的适应性等优点，实施例的实验仿真结果表明本发明有效的克服PPHDF方法应用的局限性，因此本发明公开的同时解距离模糊的IPPHDF机动多目标跟踪方法具有较强的工程应用价值和推广前景。

主权项

同时解距离模糊的IPPHDF机动多目标跟踪方法，其特征包括以下步骤：步骤1：变量初始化(1)T是雷达扫描周期，T₁,T₂,...,T_M是脉冲重复周期，R₁,R₂,...,R_M是各PRF对应的最大不模糊距离；(2)L₀为代表1个目标的粒子数，J_k为搜索新目标的粒子数，S_k表示搜索1个消失目标的粒子数，L_k为k时刻滤波器采用的粒子总数；(3)D₀为目标出现的初始分布，γ_k为平均目标出现概率，P_D为目标检测概率；(4)λ_k为平均每帧的杂波个数，为k时刻估计的目标个数；(5)G_k为过程噪声分布矩阵，Q_k为过程噪声协方差，R_k为量测噪声协方差；步骤2：初始化粒子集，令k＝0和对任意p∈{1,2,…,L₀}(1)从初始分布D₀中采样粒子其中表示粒子代表的目标状态，包含了目标的位置速度以及转弯率等信息；(2)赋予粒子权重步骤3：令k＝k+1，获得k时刻的雷达模糊量测(1)设置雷达的工作状态，使雷达依次交替采用某个PRF工作，令c＝mod(k,M)+1表示雷达在k时刻采用的PRF的索引号，mod(x,y)表示x/y的余数；(2)将雷达接收到的信号进行A/D变换，得到k时刻的雷达模糊量测集$Z_{amb,k}=\left\{z_{amb,k}^m\right|m=1,2,...,M_k\},$送雷达数据处理计算机，其中$z_{amb,k}^q={\[r_{amb,k}^q,d_k^q,{\mathrm{\θ}}_k^q\]}^T$表示k时刻雷达得到的第q个量测，包含了目标的模糊距离量测多普勒速度量测以及方位量测等信息，而M_k则表示k时刻雷达得到的量测个数；步骤4：已存在粒子集预测，若直接转步骤5，否则对任意p∈{1,2,…,L_k‑1}(1)根据目标角速度计算目标状态状态转移矩阵$F_k\left({\mathrm{\ω}}_{k-1}^p\right)=\left[\begin{array}{ccccc}1& \frac{\sin \left({\mathrm{\ω}}_{k-1}^{p}T\right)}{{\mathrm{\ω}}_{k-1}^p}& 0& -\frac{1-\cos \left({\mathrm{\ω}}_{k-1}^{p}T\right)}{{\mathrm{\ω}}_{k-1}^p}& 0\\ 0& \cos \left({\mathrm{\ω}}_{k-1}^{p}T\right)& 0& -\sin \left({\mathrm{\ω}}_{k-1}^{p}T\right)& 0\\ 0& \frac{1-\cos \left({\mathrm{\ω}}_{k-1}^{p}T\right)}{{\mathrm{\ω}}_{k-1}^p}& 1& \frac{\sin \left({\mathrm{\ω}}_{k-1}^{p}T\right)}{{\mathrm{\ω}}_{k-1}^p}& 0\\ 0& \sin \left({\mathrm{\ω}}_{k-1}^{p}T\right)& 0& \cos \left({\mathrm{\ω}}_{k-1}^{p}T\right)& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$(2)利用粒子的状态进行一步预测$x_{k,k-1}^p=F_k\left({\mathrm{\ω}}_{k-1}^p\right)x_{k-1}^p+G_k{v}_k$得到粒子其中$G_k=\left[\begin{array}{ccc}{T}^2/2& 0& 0\\ T& 0& 0\\ 0& T^2/2& 0\\ 0& T& 0\\ 0& 0& T^2/2\end{array}\right]$为过程噪声分布矩阵，v_k为过程噪声，其噪声协方差为Q_k；(3)赋予粒子权重步骤5：生成搜索新目标的粒子集，对任意p∈{L_k‑1+I_k+1,…,L_k‑1+I_k+J_k}(1)根据初始分布D₀采样“新生”粒子(2)赋予粒子权重$w_{k|k-1}^p={\mathrm{\γ}}_k/(J_k+I_k);$步骤6：生成消失目标预测粒子集(1)若k≤2，令I_k＝0，直接转步骤7，否则定义集合$X_{dis,k-2}\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\left\{x_{dis,k-2}^n\right|n=1,2,...,N_{dis,k-1}\}$其中表示k‑2时刻存在而k‑1时刻消失的第n个目标，N_dis,k‑1表示消失的目标数；(2)若令I_k＝0，直接转步骤7，否则令I_k＝N_dis,k‑1S_k，对任意根据估计的目标转弯率和相应的状态转移方程进行一步预测$x_{pre,k-1}^n=F_{k-1}\left({\widehat{\mathrm{\ω}}}_{k-2,n}\right)x_{dis,k-2}^n$(3)对任意n∈{1,2,…,N_dis,k‑1}和任意p∈{L_k‑1+(n‑1)S_k+1,…,L_k‑1+nS_k}，令利用进行一步预测$x_{k|k-1}^p=F_k\left({\widehat{\mathrm{\ω}}}_{k-2,n}\right)x_{pre,k-1}^n+G_k{v}_k$得到粒子并赋予该粒子权重步骤7：粒子权重更新(1)对任意p∈{1,2,…,L_k‑1+I_k+J_k}，根据量测方程$z_{k|k-1}^p=\left[\begin{array}{c}{r}_{k|k-1}^p\\ d_{k|k-1}^p\\ {\mathrm{\θ}}_{k|k-1}^p\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\sqrt{{(x_{k|k-1}^p-x_s)}^2+{(y_{k|k-1}^p-y_s)}^2}\\ \frac{(x_{k|k-1}^p-x_s){\stackrel{\·}{x}}_{k|k-1}^p+(y_{k|k-1}^p-y_s){\stackrel{\·}{y}}_{k|k-1}^p}{\sqrt{{(x_{k|k-1}^p-x_s)}^2+{(y_{k|k-1}^p-y_s)}^2}}\\ \arctan \left(\frac{y_{k|k-1}^p-y_s}{x_{k|k-1}^p-x_s}\right)\end{array}\right]$得到预测量测其中(x_s,y_s)为雷达的位置，然后预测量测距离模糊化$r_{amb,k|k-1}^p=\mathrm{mod}(r_{k|k-1}^p,R_c)$得到模糊预测量测其中R_c表示k时刻雷达所采用PRF对应的最大不模糊距离；(2)对任意p∈{1,2,…,L_k‑1+I_k+J_k}和任意m∈{1,2,…,M_k}，计算新息$v_{k,m}^p=z_{amb,k}^m-z_{amb,k|k-1}^p$并计算${\mathrm{\ψ}}_{k,m}\left(z_{amb,k|k-1}^p\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}\left|R_k\right|}}{P}_D\exp \{-{\left(v_{k,m}^p\right)}^T{R}_k^{-1}{v}_{k,m}^p\}$其中R_k为量测噪声协方差；(3)对任意m∈{1,2,…,M_k}，计算$C_k\left(z_{amb,k}^m\right)=\underset{p=1}{\overset{L_{k-1}+I_k+J_k}{\Σ}}{\mathrm{\ψ}}_{k,m}\left(z_{amb,k|k-1}^p\right)w_{k|k-1}^p$(4)对任意p∈{1,2,…,L_k‑1+I_k+J_k}，计算粒子权重$w_{k|k}^p=\[1-P_D+\underset{z_{amb,k}^m\∈Z_{amb,k}}{\Σ}\frac{{\mathrm{\ψ}}_{k,m}\left(z_{amb,k|k-1}^p\right)}{{\mathrm{\λ}}_k+C_k\left(z_{amb,k}^m\right)}\]w_{k|k-1}^p$步骤8：重采样(1)计算所有粒子的权重和${\hat{N}}_{k|k}={\mathrm{\Σ}}_{p=1}^{L_{k-1}+I_k+J_k}{w}_{k|k}^p$(2)对粒子集进行重采样，得到新的粒子集其中Round(x)表示取与x最接近的整数；步骤9：目标状态估计(1)若直接转步骤10；(2)若根据粒子包含的目标位置信息，采用聚类分析的方法将粒子集划分为个类，第n个类的中心即为第n个目标的状态估计包含了目标的位置估计速度估计和转弯率(3)估计目标的PIN$P\hat{I}{N}_{k,n}=Floor\left(\frac{\sqrt{{({\hat{x}}_{k,n}-x_s)}^2+{({\hat{y}}_{k,n}-y_s)}^2}}{R_c}\right)$其中Floor(x)表示取小于或等于x最大整数；步骤10：重复步骤3～步骤9，直至雷达关机。