雷達(dá)目標(biāo)跟蹤算法探究范文

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摘要：雷達(dá)作為高速運(yùn)動平臺重要載荷之一，其應(yīng)用背景具有一定的特殊性。針對高速運(yùn)動平臺下的雷達(dá)機(jī)動目標(biāo)跟蹤問題，本文在建立目標(biāo)跟蹤信號模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了適用于高速運(yùn)動平臺載荷雷達(dá)的自適應(yīng)目標(biāo)跟蹤算法，并在算法實(shí)現(xiàn)原理框圖的基礎(chǔ)上提出了算法有效性檢驗(yàn)的MonteCarlo仿真流程。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的自適應(yīng)目標(biāo)跟蹤算法相比，本文算法具有更高的機(jī)動目標(biāo)跟蹤性能。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)目標(biāo)；目標(biāo)跟蹤；測量精度；MonteCarlo仿真

1.引言

與一般的地基或海基雷達(dá)相比，衛(wèi)星或?qū)椀雀咚龠\(yùn)動平臺載荷雷達(dá)受安裝空間、重量或孔徑所限，同時(shí)考慮到目標(biāo)電磁特性日趨復(fù)雜、高速運(yùn)動平臺本身由于氣流或外界干擾引入的姿態(tài)變化、多目標(biāo)搜索與跟蹤、多模復(fù)合制導(dǎo)及抗干擾需求不斷增加等因素，載荷雷達(dá)對高機(jī)動目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤的性能要求與雷達(dá)數(shù)據(jù)處理資源之間的瓶頸問題長期存在。因此，高速運(yùn)動平臺載荷雷達(dá)對機(jī)動目標(biāo)實(shí)施實(shí)時(shí)跟蹤時(shí)，采用的目標(biāo)跟蹤算法應(yīng)折中考慮算法精度與工程易實(shí)現(xiàn)性，以避免因算法運(yùn)算時(shí)間過長造成跟蹤滯后而直接影響到目標(biāo)跟蹤精度，甚至丟失目標(biāo)。在對雷達(dá)目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，目標(biāo)跟蹤算法運(yùn)算時(shí)間約為Kalman濾波及復(fù)雜度近似的各類自適應(yīng)Kalman濾波算法的1/4，且其跟蹤精度具有工程實(shí)用性[1]。當(dāng)利用相控陣?yán)走_(dá)跟蹤空中直線飛行或變航向直線飛行目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)跟蹤算法與最小二乘估計(jì)算法、卡爾曼濾波算法相比具有更好的跟蹤效果[2]。在機(jī)動目標(biāo)跟蹤方面，基于常速度與常加速度模型，采用常系數(shù)變采樣率目標(biāo)跟蹤算法能夠減小雷達(dá)與目標(biāo)間徑向距離跟蹤均方根誤差[3]。文獻(xiàn)[4]表明，依據(jù)雷達(dá)測量誤差方差與預(yù)測誤差方差實(shí)現(xiàn)算法參數(shù)迭代更新的自適應(yīng)目標(biāo)跟蹤算法精度優(yōu)于常系數(shù)目標(biāo)跟蹤算法。在高速運(yùn)動平臺下，載荷雷達(dá)可采用自適應(yīng)目標(biāo)跟蹤算法對雷達(dá)與機(jī)動目標(biāo)間徑向距離進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)[5][6]。然而，考慮到高速運(yùn)動平臺與雷達(dá)機(jī)動目標(biāo)相對運(yùn)動狀態(tài)中通常包含的加速度項(xiàng)[7]，自適應(yīng)目標(biāo)跟蹤模型將加速度項(xiàng)視為噪聲項(xiàng)進(jìn)行處理無疑會降低跟蹤參數(shù)估計(jì)精度，同時(shí)現(xiàn)有文獻(xiàn)也缺乏在高速運(yùn)動平臺應(yīng)用背景下對徑向距離、俯仰角及方位角等雷達(dá)目標(biāo)參數(shù)同時(shí)進(jìn)行跟蹤濾波時(shí)的算法綜合分析。針對上述高速運(yùn)動平臺下的雷達(dá)機(jī)動目標(biāo)跟蹤問題，本文首先建立了高速運(yùn)動平臺載荷雷達(dá)與機(jī)動目標(biāo)間徑向距離、俯仰角及方位角等目標(biāo)跟蹤參數(shù)信號模型，進(jìn)而基于測量噪聲與過程噪聲的統(tǒng)計(jì)特性推導(dǎo)了具有自適應(yīng)性的目標(biāo)跟蹤算法，并在算法實(shí)現(xiàn)原理框圖的基礎(chǔ)上提出了適用于雷達(dá)目標(biāo)跟蹤算法有效性檢驗(yàn)的MonteCarlo仿真流程，最終采用MonteCarlo仿真方法對本文算法與自適應(yīng)目標(biāo)跟蹤算法進(jìn)行了性能比較。

2.信號模型

高速運(yùn)動平臺下雷達(dá)目標(biāo)跟蹤空間模型，XYZ表示高速運(yùn)動平臺本地坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)O位于高速運(yùn)動平臺質(zhì)心，目標(biāo)T在本地坐標(biāo)系中所處位置可表示為（zyx),,，高速運(yùn)動平臺瞬時(shí)運(yùn)動方向取為X軸正向。

3.自適應(yīng)目標(biāo)跟蹤算法

為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)機(jī)動目標(biāo)自適應(yīng)跟蹤，濾波增益系數(shù)更新應(yīng)與信號模型過程噪聲及目標(biāo)跟蹤參數(shù)測量噪聲有關(guān)[9]。此外，目標(biāo)跟蹤參數(shù)向量狀態(tài)初值會影響目標(biāo)跟蹤算法的收斂速度，本文采用目標(biāo)跟蹤參數(shù)向量測量值對其進(jìn)行初始化。在以上基礎(chǔ)上，為了便于算法實(shí)際應(yīng)用時(shí)的板級實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步推導(dǎo)了雷達(dá)目標(biāo)自適應(yīng)跟蹤算法的矢量矩陣形式，進(jìn)而給出了算法實(shí)現(xiàn)原理框圖。

4.MonteCarlo仿真流程

由于目標(biāo)散射特性、空間電磁環(huán)境及接收機(jī)熱噪聲等因素的影響，高速運(yùn)動平臺載荷雷達(dá)測量的徑向距離、俯仰角及方位角等目標(biāo)跟蹤參數(shù)具備統(tǒng)計(jì)特征。考慮到目標(biāo)跟蹤算法性能評估參量具有的統(tǒng)計(jì)意義，因而算法性能驗(yàn)證應(yīng)采用統(tǒng)計(jì)量的方式進(jìn)行。由于算法實(shí)際仿真時(shí)隨機(jī)噪聲實(shí)現(xiàn)序列長度有限，本文采用MonteCarlo仿真方法對目標(biāo)跟蹤算法進(jìn)行性能評估。在仿真過程中，基于單次仿真時(shí)間序列得到的估計(jì)量視為隨機(jī)變量，由各次仿真時(shí)間序列得到的同一估計(jì)量相互間獨(dú)立同分布。為了保證算法性能評估統(tǒng)計(jì)量對其真值估計(jì)的精確性，仿真次數(shù)M應(yīng)增加至估計(jì)值收斂為止[11]。

5.仿真分析

考慮到上述高速運(yùn)動平臺雷達(dá)與機(jī)動目標(biāo)相對運(yùn)動軌跡的特點(diǎn)，在本文提出的目標(biāo)跟蹤算法有效性仿真驗(yàn)證中，采用地理坐標(biāo)系（ONED）且以高速運(yùn)動平臺質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)。由于實(shí)際應(yīng)用中通常會對高速運(yùn)動平臺運(yùn)動速度進(jìn)行補(bǔ)償，即高速運(yùn)動平臺載荷雷達(dá)可視為靜止?fàn)顟B(tài)，速度補(bǔ)償誤差計(jì)入目標(biāo)跟蹤參數(shù)測量噪聲，那么在算法性能仿真中不妨將機(jī)動目標(biāo)與高速運(yùn)動平臺載荷雷達(dá)之間相對運(yùn)動與軌跡修正假設(shè)為目標(biāo)以拋物線運(yùn)動軌跡接近坐標(biāo)原點(diǎn)即高速運(yùn)動平臺質(zhì)心，并將目標(biāo)與高速運(yùn)動平臺載荷雷達(dá)之間相對運(yùn)動軌跡簡稱為目標(biāo)運(yùn)動軌跡。

6.結(jié)論

本文給出了一種適用于高速運(yùn)動平臺載荷雷達(dá)的自適應(yīng)目標(biāo)跟蹤算法，并基于統(tǒng)計(jì)分析方法提出了目標(biāo)跟蹤算法有效性檢驗(yàn)的MonteCarlo仿真流程。仿真結(jié)果表明，本文算法與自適應(yīng)目標(biāo)跟蹤算法相比具有更高的機(jī)動目標(biāo)跟蹤性能。由于算法運(yùn)算復(fù)雜度不高，可為當(dāng)前的高速運(yùn)動平臺載荷雷達(dá)實(shí)時(shí)計(jì)算能力所接受，因而該算法具有工程實(shí)現(xiàn)意義。

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作者：康阿龍1；張燕2，3；王志誠1；余渝生1 單位：1上海無線電設(shè)備研究所，2南陽理工學(xué)院，3上海交通大學(xué)