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雷达目标跟踪算法探究

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摘要:雷达作为高速运动平台重要载荷之一,其应用背景具有一定的特殊性。针对高速运动平台下的雷达机动目标跟踪问题,本文在建立目标跟踪信号模型的基础上,推导了适用于高速运动平台载荷雷达的自适应目标跟踪算法,并在算法实现原理框图的基础上提出了算法有效性检验的MonteCarlo仿真流程。仿真结果表明,与传统的自适应目标跟踪算法相比,本文算法具有更高的机动目标跟踪性能。

关键词:雷达目标;目标跟踪;测量精度;MonteCarlo仿真

1.引言

与一般的地基或海基雷达相比,卫星或导弹等高速运动平台载荷雷达受安装空间、重量或孔径所限,同时考虑到目标电磁特性日趋复杂、高速运动平台本身由于气流或外界干扰引入的姿态变化、多目标搜索与跟踪、多模复合制导及抗干扰需求不断增加等因素,载荷雷达对高机动目标稳定跟踪的性能要求与雷达数据处理资源之间的瓶颈问题长期存在。因此,高速运动平台载荷雷达对机动目标实施实时跟踪时,采用的目标跟踪算法应折中考虑算法精度与工程易实现性,以避免因算法运算时间过长造成跟踪滞后而直接影响到目标跟踪精度,甚至丢失目标。在对雷达目标航迹数据进行处理时,目标跟踪算法运算时间约为Kalman滤波及复杂度近似的各类自适应Kalman滤波算法的1/4,且其跟踪精度具有工程实用性[1]。当利用相控阵雷达跟踪空中直线飞行或变航向直线飞行目标时,目标跟踪算法与最小二乘估计算法、卡尔曼滤波算法相比具有更好的跟踪效果[2]。在机动目标跟踪方面,基于常速度与常加速度模型,采用常系数变采样率目标跟踪算法能够减小雷达与目标间径向距离跟踪均方根误差[3]。文献[4]表明,依据雷达测量误差方差与预测误差方差实现算法参数迭代更新的自适应目标跟踪算法精度优于常系数目标跟踪算法。在高速运动平台下,载荷雷达可采用自适应目标跟踪算法对雷达与机动目标间径向距离进行实时估计[5][6]。然而,考虑到高速运动平台与雷达机动目标相对运动状态中通常包含的加速度项[7],自适应目标跟踪模型将加速度项视为噪声项进行处理无疑会降低跟踪参数估计精度,同时现有文献也缺乏在高速运动平台应用背景下对径向距离、俯仰角及方位角等雷达目标参数同时进行跟踪滤波时的算法综合分析。针对上述高速运动平台下的雷达机动目标跟踪问题,本文首先建立了高速运动平台载荷雷达与机动目标间径向距离、俯仰角及方位角等目标跟踪参数信号模型,进而基于测量噪声与过程噪声的统计特性推导了具有自适应性的目标跟踪算法,并在算法实现原理框图的基础上提出了适用于雷达目标跟踪算法有效性检验的MonteCarlo仿真流程,最终采用MonteCarlo仿真方法对本文算法与自适应目标跟踪算法进行了性能比较。

2.信号模型

高速运动平台下雷达目标跟踪空间模型,XYZ表示高速运动平台本地坐标系,坐标原点O位于高速运动平台质心,目标T在本地坐标系中所处位置可表示为(zyx),,,高速运动平台瞬时运动方向取为X轴正向。

3.自适应目标跟踪算法

为了实现雷达机动目标自适应跟踪,滤波增益系数更新应与信号模型过程噪声及目标跟踪参数测量噪声有关[9]。此外,目标跟踪参数向量状态初值会影响目标跟踪算法的收敛速度,本文采用目标跟踪参数向量测量值对其进行初始化。在以上基础上,为了便于算法实际应用时的板级实现,进一步推导了雷达目标自适应跟踪算法的矢量矩阵形式,进而给出了算法实现原理框图。

4.MonteCarlo仿真流程

由于目标散射特性、空间电磁环境及接收机热噪声等因素的影响,高速运动平台载荷雷达测量的径向距离、俯仰角及方位角等目标跟踪参数具备统计特征。考虑到目标跟踪算法性能评估参量具有的统计意义,因而算法性能验证应采用统计量的方式进行。由于算法实际仿真时随机噪声实现序列长度有限,本文采用MonteCarlo仿真方法对目标跟踪算法进行性能评估。在仿真过程中,基于单次仿真时间序列得到的估计量视为随机变量,由各次仿真时间序列得到的同一估计量相互间独立同分布。为了保证算法性能评估统计量对其真值估计的精确性,仿真次数M应增加至估计值收敛为止[11]。

5.仿真分析

考虑到上述高速运动平台雷达与机动目标相对运动轨迹的特点,在本文提出的目标跟踪算法有效性仿真验证中,采用地理坐标系(ONED)且以高速运动平台质心为坐标原点。由于实际应用中通常会对高速运动平台运动速度进行补偿,即高速运动平台载荷雷达可视为静止状态,速度补偿误差计入目标跟踪参数测量噪声,那么在算法性能仿真中不妨将机动目标与高速运动平台载荷雷达之间相对运动与轨迹修正假设为目标以抛物线运动轨迹接近坐标原点即高速运动平台质心,并将目标与高速运动平台载荷雷达之间相对运动轨迹简称为目标运动轨迹。

6.结论

本文给出了一种适用于高速运动平台载荷雷达的自适应目标跟踪算法,并基于统计分析方法提出了目标跟踪算法有效性检验的MonteCarlo仿真流程。仿真结果表明,本文算法与自适应目标跟踪算法相比具有更高的机动目标跟踪性能。由于算法运算复杂度不高,可为当前的高速运动平台载荷雷达实时计算能力所接受,因而该算法具有工程实现意义。

参考文献

[1]吕昆.雷达目标跟踪算法的应用研究[D].西安:西安电子科技大学硕士学位论文.2012.

[2]朱薇,夏传浩.一种改进的目标跟踪滤波算法[J].计算机应用,2007,27(8):2053-2055.

[3]潘显俊,吴彦鸿,贾鑫.滤波器在相控阵雷达机动目标跟踪中的应用[J].装备指挥技术学院学报,2005,16(2):96-100.

[4]王红亮,李枫,赵亦工.一种机动目标跟踪的自适应滤波算法[J].雷达科学与技术,2007,5(4):278-282.

[5]张宏伟,俞静一,徐阳等.基于滤波的频率步进导引头运动补偿算法研究[J].现代雷达,2013,35(7):28-30.

[6]靳凌,胡晓形.滤波器在雷达导引头距离估计中的应用[J].弹箭与制导学报,2013,33(3):38-40.

[7]何嘉懿,廖桂生,杨志伟.星载雷达对弹道目标跟踪模式的选择[J].系统工程与电子技术,2013,35(2):275-281

作者:康阿龙1;张燕2,3;王志诚1;余渝生1 单位:1上海无线电设备研究所,2南阳理工学院,3上海交通大学

雷达科学与技术杂志责任编辑:张雨    阅读:人次