[发明专利]一种自适应粒子滤波地波雷达目标一体化探测方法

摘要

一种自适应粒子滤波地波雷达目标一体化探测方法，包括利用高频地波雷达获得的多个通道数据来构建距离‑多普勒‑时间三维数据，对三维数据进行杂波抑制、低门限CFAR预处理、疑似目标点初选，初始化目标粒子，计算状态转移后的粒子权重，根据终止采样条件进行粒子自适应选取，然后进行目标状态估计，最终得到目标的航迹集合。相对于固定粒子数粒子滤波方法，本发明针对地波雷达在复杂环境下不同信噪比的目标进行粒子个数的自适应选取。对于高信噪比目标，可以有效减少跟踪所需的粒子个数，提高算法效率；对于复杂情况下的目标，通过自适应增加粒子个数来提高目标跟踪性能。

主权项

1.一种自适应粒子滤波地波雷达目标一体化探测方法，包括以下步骤：步骤0：利用高频地波雷达获得的多个通道数据来构建距离‑多普勒‑时间(Range‑Doppler‑Time，R‑D‑T)三维数据；步骤1：对每一帧R‑D谱数据依次进行杂波抑制、低门限CFAR预处理，得到预处理后的数据点；其特征是还包括以下步骤：步骤2：疑似目标点初选，具体如下：(a)记录每一帧的预处理后的数据点在R‑D谱上的位置并按幅值大小进行降序排序；(b)对第一帧幅值最大的点，找出第一帧中与该幅值最大点的距离和多普勒均小于门限Δ的点，并删除；对于其他帧，以此类推；未被删除的点全部作为疑似目标点；所述门限Δ的距离维取值范围不超过3，多普勒维取值范围是不超过3；步骤3：利用步骤2得到第一帧疑似目标的距离和多普勒位置，对第一个疑似目标进行随机粒子采样，作为目标的初始化粒子；以疑似目标距离减1个单元格作为下限，加1个单元格作为上限，记为[R_min，R_max]；以疑似目标多普勒减2个单元格作为下限，加2个单元格作为上限，记为[D_min，D_max]；在采样范围[R_min，R_max]、[D_min，D_max]内按照均匀分布函数采样N个粒子，N为自然数，且100≤N≤5000，表示第一帧中第1个疑似目标的状态，包括距离、速度、加速度信息；表示第一帧中第1个疑似目标的均匀分布函数；表示采样后的粒子，1≤j≤N；步骤4：从第二帧起，挑选出第一帧第1个疑似目标的权重最大的粒子x_1，max，根据此粒子位置信息进行新粒子的随机采样；即按照均匀分布函数进行新粒子随机采样，采样范围同上，采样数为1；其中，x_1，max表示第一帧第一个目标的权重最大的粒子，U(x_1，max)表示粒子x_1，max的均匀分布函数，表示采样后的粒子；将采样得到的新粒子按照如下公式进行状态转移，作为在第二帧的新粒子计算公式如下；其中，F为目标运动状态转移矩阵，为已知量；G为噪声协方差矩阵，为已知量；v_k‑1为第k‑1帧噪声向量，包含目标加速度变化引起的噪声和目标幅值波动引起的噪声，为可设置变量；该步骤中k＝2；步骤5：完成状态转移后，结合现有的高频地波雷达目标观测模型计算第二帧的新粒子的权重w_k，具体计算公式如下：其中，z_k(r，d)为第k帧疑似目标在(r，d)位置的量测值，A_k(r，d)为疑似目标在(r，d)位置的回波幅度值，I₀(·)表示零阶修正的贝塞尔函数；δ是背景噪声的标准差，为已知量；C_r(x_k)＝{r‑q，...r‑1，r，r+1，...，r+q}，C_d(x_k)＝{d‑p，...d‑1，d，d+1，...，d+p}；r和d为已知量，分别表示x_k在测量数据中对应的距离单元和多普勒单元的坐标；p和q为小于等于3的自然数，分别表示受疑似目标点影响的距离单元和多普勒单元数目，该步骤中k＝2；步骤6：对于第二帧，重复步骤4和5的通过均匀分布函数进行的粒子采样操作，将每一次操作所得的新粒子个数进行累加，将累加得粒子个数记为n；同时将每一次操作所得的新粒子的权重进行累加，将累加得到的粒子的权重之和记为S；n＝n+1S＝S+w_k当粒子个数n小于设置的最小粒子数N_min(为不小于100的自然数)或者当粒子个数n大于N_min且小于设置的最大粒子数N_max(大于100且不小于2000的自然数)，但粒子权重和S小于设定的阈值η(10⁶～10⁸)，均需要跳到步骤(4)继续采样粒子，其他情况下，停止采样；步骤7：当步骤6停止采样后，将累加得到的粒子权重和S与设定的阈值η进行比较，判断目标是否存在，若粒子权重和S大于阈值η则说明目标存在，否则目标不存在；步骤8：采样得到的所有粒子进行归一化处理，然后以现有的系统重采样方法进行粒子的重采样；步骤9：根据步骤7判断目标存在后，根据停止采样后所得的粒子状态和权重对该存在的目标之状态进行估计，计算公式如下；其中，x_k表示第k帧目标的状态，表示第k帧第i个粒子的的权重，表示第k帧第i个粒子的状态，该步骤中k＝2；步骤10：对第三帧之后的所有帧，均开始执行步骤4‑7的操作；若经过步骤4‑7的操作之后，连续三帧目标不存在，则终止步骤4‑7的操作；否则，对第三帧之后的所有帧，均执行步骤4‑7的操作；步骤11：跳到步骤(3)，对其他疑似目标完成步骤3‑10的检测与跟踪操作；步骤12：当所有疑似目标均完成检测与跟踪操作后，将得到的目标无向航迹集合作为最终输出。