基于網(wǎng)格連通的航跡自動(dòng)起始方法

張成寶, 杜 杭, 黃 磊

(南京船舶雷達(dá)研究所，南京 210003)

0 引言

航跡起始是多目標(biāo)航跡處理的首要問(wèn)題，只有良好的起始航跡即確認(rèn)目標(biāo)存在，才能解決目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤問(wèn)題。隨著戰(zhàn)術(shù)武器系統(tǒng)的迅速發(fā)展，對(duì)邊掃描邊跟蹤(TWS)體制的現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)也提出了更高的要求，其中包括截獲進(jìn)入雷達(dá)威力區(qū)的新目標(biāo)。目前，航跡起始的方法有很多種，主要有極大似然法[1]、序貫檢測(cè)法[2]、Hough變換法[3-5]等,但是這些方法在TWS體制雷達(dá)系統(tǒng)中的全程全方位航跡自動(dòng)起始中由于計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題很難在工程中直接應(yīng)用。

在TWS體制雷達(dá)系統(tǒng)中，如果每次掃描目標(biāo)的檢測(cè)概率很高，測(cè)量誤差很低，同時(shí)虛警和雜波點(diǎn)跡很少，那么全程全方位的多目標(biāo)航跡自動(dòng)起始就比較簡(jiǎn)單，但是在實(shí)際的工程應(yīng)用中，盡管運(yùn)用了動(dòng)目標(biāo)顯示(MTI)和恒虛警(CFAR)等信號(hào)處理技術(shù)，但由于熱噪聲、天電噪聲和氣象這些噪聲源產(chǎn)生的寬帶噪聲，以及海浪、地物、云、雨、箔等分散單元產(chǎn)生的雜亂回波條件下，仍然可能有許多雜波、干擾點(diǎn)跡和真目標(biāo)點(diǎn)跡一起進(jìn)入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。隨著干擾和雜波的增加，系統(tǒng)的性能會(huì)不斷下降，甚至?xí)霈F(xiàn)飽和過(guò)載的現(xiàn)象，這樣傳統(tǒng)的航跡起始方法很難實(shí)時(shí)進(jìn)行航跡自動(dòng)起始。對(duì)此，根據(jù)固定地物、云雨、干擾等雜波的空間分布特性，從減少參與航跡自動(dòng)起始處理點(diǎn)跡的角度出發(fā)，提出了一種基于網(wǎng)格連通的航跡自動(dòng)起始方法，對(duì)雷達(dá)觀測(cè)空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分并基于一定的準(zhǔn)則形成相應(yīng)的連通域，通過(guò)對(duì)連通域點(diǎn)跡密度的判斷實(shí)現(xiàn)對(duì)有效起始點(diǎn)跡的區(qū)分和過(guò)濾，進(jìn)而快速地進(jìn)行航跡自動(dòng)起始。

1 航跡自動(dòng)起始

航跡起始是目標(biāo)跟蹤的第一步，是建立新的目標(biāo)檔案的決策方法，主要包括暫時(shí)航跡形成和軌跡確定兩個(gè)方面[4]，目前主要分為手動(dòng)錄取起始航跡和自動(dòng)錄取起始航跡，一般采用邏輯法起始航跡[1]。本文主要討論在TWS體制雷達(dá)系統(tǒng)中的全程全方位航跡自動(dòng)起始方法。在雷達(dá)的掃描過(guò)程中，不斷地對(duì)扇區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在全程全方位航跡自動(dòng)起始時(shí)，由于不確定觀測(cè)點(diǎn)跡的來(lái)源是目標(biāo)還是雜波，所有的觀測(cè)點(diǎn)跡都用來(lái)進(jìn)行量測(cè)相關(guān)處理，形成暫時(shí)航跡，然后進(jìn)行航跡穩(wěn)定判斷。

(1)

Dij(k)

(2)

式中，Dij(k)為服從自由度為p的χ2分布的隨機(jī)變量。由給定的門(mén)限概率查自由度為p的χ2分布表可得門(mén)限γ，若Dij(k)≤γ，則可判定zi(k)和zj(k+1)量測(cè)關(guān)聯(lián)，可以進(jìn)行航跡起始。

航跡自動(dòng)起始步驟如下：

1) 利用第1次掃描得到的量測(cè)作為航跡頭，并根據(jù)具體的情況設(shè)定相應(yīng)的關(guān)聯(lián)門(mén)限，對(duì)落入初始相關(guān)波門(mén)內(nèi)的第2次掃描量測(cè)建立暫時(shí)航跡；

2) 對(duì)步驟1)中建立的每條暫時(shí)航跡進(jìn)行外推，以外推點(diǎn)為中心建立后續(xù)相關(guān)波門(mén)，波門(mén)的大小由航跡外推誤差協(xié)方差確定，對(duì)第3次掃描量測(cè)進(jìn)行關(guān)聯(lián)判斷；

3) 若后續(xù)相關(guān)波門(mén)內(nèi)沒(méi)有量測(cè)，則撤銷(xiāo)此暫時(shí)航跡，或用加速度限制的擴(kuò)大相關(guān)波門(mén)考察第3次掃描量測(cè)是否落在其中；

4) 繼續(xù)上述步驟，直到形成穩(wěn)定航跡；

5) 在歷次掃描中，未落入相關(guān)波門(mén)參與數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)判別的量測(cè)點(diǎn)跡(自由量測(cè))均作為新的航跡頭，轉(zhuǎn)步驟1)。

2 網(wǎng)格劃分與連通

基于網(wǎng)格連通的方法采用了網(wǎng)格的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它將空間量化為有限數(shù)目的單元，這些單元形成了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)[6]，通過(guò)對(duì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的分析來(lái)判斷網(wǎng)格內(nèi)的點(diǎn)跡能否參與自動(dòng)起始。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是處理速度快，其處理時(shí)間獨(dú)立于數(shù)據(jù)對(duì)象的數(shù)目，僅依賴(lài)于量化空間中每一維上的單元數(shù)目。

基于網(wǎng)格連通算法的基本過(guò)程是，首先將數(shù)據(jù)空間W劃分為網(wǎng)格單元，將數(shù)據(jù)對(duì)象集O映射到網(wǎng)格單元中，并計(jì)算每個(gè)單元的密度，根據(jù)用戶(hù)輸入的密度閾值Pmin判斷每個(gè)網(wǎng)格單元是否為高密度單元。網(wǎng)格方法本質(zhì)上只能看作一種壓縮手段，它必須與密度結(jié)合起來(lái)才能進(jìn)行分析判斷。另外，選取的網(wǎng)格大小要綜合考慮關(guān)聯(lián)波門(mén)、觀測(cè)誤差等因素[6]:如果網(wǎng)格選取太大，落入網(wǎng)格內(nèi)的點(diǎn)跡過(guò)多，不能有效地區(qū)分出目標(biāo)點(diǎn)跡；如果網(wǎng)格選取太小，會(huì)把相對(duì)密集的雜波區(qū)域分割，不能有效地區(qū)分出雜波點(diǎn)跡。

3 基于網(wǎng)格連通的全程全方位航跡自動(dòng)起始

在航跡自動(dòng)起始的過(guò)程中，需要對(duì)所有進(jìn)入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的點(diǎn)進(jìn)行暫時(shí)航跡形成和軌跡確定這兩個(gè)方面的處理，在雜波、干擾點(diǎn)跡較多的情況下，系統(tǒng)的計(jì)算量會(huì)大大增加，從而影響航跡自動(dòng)起始的效率，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)驗(yàn)轱柡瓦^(guò)載難以起始航跡。

雷達(dá)檢測(cè)到的觀測(cè)點(diǎn)跡，無(wú)論是云雨雜波點(diǎn)跡、近處的地物雜波點(diǎn)跡還是扇形的外部干擾點(diǎn)跡，雜波一般都是成片出現(xiàn)的，而目標(biāo)相對(duì)而言是孤立的。從這個(gè)角度出發(fā)，本文對(duì)雷達(dá)觀測(cè)空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)相鄰網(wǎng)格單元進(jìn)行連通判斷，通過(guò)對(duì)連通域的分析來(lái)區(qū)分雜波域內(nèi)點(diǎn)跡和目標(biāo)點(diǎn)跡，從而快速地進(jìn)行全程全方位航跡自動(dòng)起始。

將扇區(qū)按一定的方位網(wǎng)格劃分參數(shù)kazi和距離網(wǎng)格劃分參數(shù)kdis進(jìn)行劃分，即將整個(gè)扇區(qū)劃分為方位距離向上的網(wǎng)格集合，根據(jù)扇區(qū)內(nèi)點(diǎn)跡的具體信息判斷點(diǎn)跡處在哪個(gè)網(wǎng)格；然后對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行處理，將相鄰的網(wǎng)格進(jìn)行連通判斷，統(tǒng)計(jì)連通域內(nèi)的點(diǎn)跡密度，點(diǎn)跡密度超過(guò)密度閾值Pmin的連通域?yàn)殡s波點(diǎn)跡連通域，該連通域內(nèi)的點(diǎn)不進(jìn)行自動(dòng)起始。通過(guò)對(duì)點(diǎn)跡在自動(dòng)起始前進(jìn)行預(yù)判斷，起始非雜波點(diǎn)，大大減少計(jì)算量，提高全域自動(dòng)起始的實(shí)時(shí)性。基于網(wǎng)格連通的航跡起始流程如圖1所示。

具體過(guò)程如下：

1) 進(jìn)入全程全方位自動(dòng)起始；

2) 根據(jù)雷達(dá)的測(cè)量誤差，按一定的kazi,kdis將扇區(qū)劃分成相應(yīng)的網(wǎng)格集合，如圖2中扇區(qū)網(wǎng)格所示；

3) 遍歷所有的扇區(qū)點(diǎn)跡，判斷點(diǎn)跡所在的網(wǎng)格，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行二值判斷；

4) 遍歷網(wǎng)格，進(jìn)行距離向的網(wǎng)格連通判斷，相鄰的非空網(wǎng)格形成子連通域，如圖2中連通域a；

5) 遍歷網(wǎng)格子連通域，進(jìn)行方位向的連通判斷，將相鄰的子連通域進(jìn)行合并，得到新的孤立連通域，如圖2中方位7和方位8上的2個(gè)子連通域形成連通域b；

6) 遍歷所有的連通域進(jìn)行分析，其中,點(diǎn)跡密度超過(guò)密度閾值的連通域判為雜波連通域，否則為目標(biāo)連通域，如圖2中的連通域c，d，e均為雜波連通域，其他為目標(biāo)連通域；

7) 對(duì)目標(biāo)連通域內(nèi)的點(diǎn)跡進(jìn)行航跡自動(dòng)起始判斷。

圖1 基于網(wǎng)格連通的航跡自動(dòng)起始流程Fig.1 The process of automatic track initiation based on grid connection

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 仿真試驗(yàn)

4.1.1 仿真環(huán)境

假定10個(gè)目標(biāo)做勻速直線運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)的起始位置如表1所示。雷達(dá)的掃描周期T=2 s，雷達(dá)的測(cè)向誤差σx=σy=100 m，在N=20次掃描中比較不同方法的起始結(jié)果，Monte Carlo仿真試驗(yàn)次數(shù)M=70。

每個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生的雜波個(gè)數(shù)服從泊松分布[4]，首先產(chǎn)生(0,1)區(qū)間上均勻分布的隨機(jī)數(shù)r，然后由

(3)

確定J，即要產(chǎn)生的雜波個(gè)數(shù)。

表1 目標(biāo)初始狀態(tài)

4.1.2 仿真結(jié)果及分析

在上述仿真環(huán)境下，分別采用基于網(wǎng)格連通的修正Hough變換起始法(GCIH)、修正Hough變換起始法(IH)和多假設(shè)邏輯起始法(MHT)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)起始處理，并對(duì)航跡起始結(jié)果進(jìn)行比較，具體包括對(duì)算法的運(yùn)行時(shí)間、跟蹤成功率、虛假航跡起始概率和航跡起始周期比較。其中，目標(biāo)起始概率為

C

(4)

式中：K為目標(biāo)個(gè)數(shù)；M為Monte Carlo仿真試驗(yàn)次數(shù)；lij為第i次Monte Carlo仿真試驗(yàn)中，目標(biāo)是否被正確起始，即

(5)

虛假航跡起始概率為

F

(6)

式中：fi為第i次Monte Carlo仿真試驗(yàn)中起始的虛假航跡個(gè)數(shù)；ni為第i次Monte Carlo仿真試驗(yàn)中起始航跡的總數(shù)。仿真結(jié)果如表2所示，圖3所示為雜波數(shù)λ=200時(shí)3種起始方法的航跡起始結(jié)果比較。

表2 航跡起始結(jié)果比較

圖3 模擬目標(biāo)自動(dòng)起始航跡Fig.3 Automatic initial tracks of simulated targets

由表1和圖3可以看出： MHT法的航跡正確起始概率高，起始周期短，但是虛假航跡的起始概率高且算法的實(shí)時(shí)性較差；而IH法的起始航跡正確起始概率高，虛假航跡起始概率低，有較好的準(zhǔn)確性，但是由于在密集雜波環(huán)境下需要處理的點(diǎn)跡較多，所以算法的實(shí)時(shí)性較差； GCIH法通過(guò)利用網(wǎng)格連通的方法過(guò)濾掉大量雜波，然后利用修正的Hough變換起始法對(duì)剩余點(diǎn)跡進(jìn)行航跡起始，在起始速度、虛假航跡起始概率、航跡正確起始概率與修正的Hough變換起始法相當(dāng)?shù)那闆r下，算法的實(shí)時(shí)性得到了明顯的改善，可以應(yīng)用于密集雜波的實(shí)際環(huán)境。

4.2 實(shí)際應(yīng)用測(cè)試

在當(dāng)前視域范圍(方位0°～360°，距離0～80 km)內(nèi)存在9個(gè)目標(biāo)，在圖4中出現(xiàn)的點(diǎn)跡是30個(gè)掃描周期的累計(jì)點(diǎn)跡，利用采集的真實(shí)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行全程全方位航跡自動(dòng)起始測(cè)試，得到MHT,IH和GCIH的不同起始方法的起始結(jié)果如圖5和表3所示，圖6是經(jīng)過(guò)網(wǎng)格連通處理后的點(diǎn)跡結(jié)果。

圖4 原始點(diǎn)跡Fig.4 Original trace points

圖5 真實(shí)目標(biāo)自動(dòng)起始航跡Fig.5 Automatic initial tracks of real targets

正確航跡虛假航跡處理時(shí)間/sMHT9116101．7IH9033．6GCIH903．7

從表3和圖4的航跡起始結(jié)果比較中可以看出，由于當(dāng)前雷達(dá)視域中雜波點(diǎn)跡較多，利用MHT法起始的虛假航跡過(guò)多，同時(shí)因?yàn)樘摷俸桔E太多導(dǎo)致系統(tǒng)的跟蹤濾波負(fù)載大，實(shí)時(shí)性差；而GCIH法和IH法均能正確地起始航跡，但是從表3中可以看出，在密集雜波環(huán)境下IH法在航跡自動(dòng)起始的過(guò)程中由于參與航跡起始判斷的點(diǎn)跡較多，存在計(jì)算量較大、實(shí)時(shí)性較差的問(wèn)題，而GCIH法既能滿足航跡起始準(zhǔn)確性的要求，又具有良好的實(shí)時(shí)性。

由圖6可直觀地看出，因?yàn)榻?jīng)過(guò)網(wǎng)格連通處理后參與后續(xù)航跡自動(dòng)起始判斷的點(diǎn)跡數(shù)量大大減少，從而有效地降低了航跡自動(dòng)起始的計(jì)算量，使得基于網(wǎng)

格連通的航跡自動(dòng)起始方法滿足了全程全方位航跡自動(dòng)起始的實(shí)時(shí)性要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)網(wǎng)格連通預(yù)處理的方法可以區(qū)分扇區(qū)內(nèi)的目標(biāo)點(diǎn)跡與雜波點(diǎn)跡，只針對(duì)目標(biāo)點(diǎn)跡進(jìn)行航跡自動(dòng)起始的判斷，在保證起始準(zhǔn)確性的前提下，大大提升了航跡自動(dòng)起始的實(shí)時(shí)性。本文利用實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明基于網(wǎng)格連通的全航跡自動(dòng)起始方法滿足工程應(yīng)用的要求，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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