基于雷達(dá)跟蹤技術(shù)的機(jī)動目標(biāo)模擬及跟蹤方法

1、指導(dǎo)教師：,基于雷達(dá)跟蹤技術(shù)的機(jī)動目標(biāo)模擬及跟蹤方法,班級：姓名：學(xué)號：,,研究的背景及意義,目標(biāo)跟蹤是現(xiàn)代雷達(dá)的主要研究領(lǐng)域，機(jī)動目標(biāo)是主要的研究對象，雷達(dá)仿真是主要的研究手段。系統(tǒng)模擬技術(shù)的出現(xiàn)推動了雷達(dá)跟蹤技術(shù)的發(fā)展。用系統(tǒng)模擬技術(shù)來仿真雷達(dá)目標(biāo)和環(huán)境，產(chǎn)生包含目標(biāo)環(huán)境信息和自身信息的回波信號，可以在不具備雷達(dá)前端的條件下進(jìn)行各項分析調(diào)試和性能指標(biāo)檢驗，大大降低了科研人員的工作強(qiáng)度，具有很大的靈活性。機(jī)動目標(biāo)模擬就是利用雷達(dá)

2、系統(tǒng)模擬技術(shù)，對機(jī)動目標(biāo)的工作環(huán)境、運(yùn)動過程進(jìn)行仿真，并將獲得的數(shù)據(jù)用于互聯(lián)和濾波。,近年來，世界各國紛紛投入了大量的人力、物力、財力從事雷達(dá)模擬研究，一些技術(shù)發(fā)達(dá)國家都普遍的使用了雷達(dá)信號模擬器。凡是以雷達(dá)作為探測手段的武器系統(tǒng)，一般都配有先進(jìn)的雷達(dá)模擬器，以逼真的模擬威脅情景。 目前美國己有兩百多家公司在研制模擬器，每年投資十多個億美元。 我國利用計算機(jī)和數(shù)字信號處理器(DSP)相結(jié)合產(chǎn)生的用于機(jī)

3、載雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計、聯(lián)試、檢測和維護(hù)的目標(biāo)回波信號模擬器，在各種類型的機(jī)載PD雷達(dá)聯(lián)試中普遍采用，首先在電腦上產(chǎn)生模擬回波數(shù)據(jù)文件，然后由高速專用數(shù)字信號處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理后，經(jīng)高速D/A變換器產(chǎn)生所需雷達(dá)回波信號，達(dá)到對雷達(dá)目標(biāo)及其環(huán)境實(shí)時模擬的目的。,國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,論文的結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)容,第一部分：雜波建模與仿真第二部分：目標(biāo)建模與仿真 第三部分：航跡起始與關(guān)聯(lián) 第四部分：航跡濾波與外推,結(jié)束語,本文主要研究了機(jī)動目標(biāo)的模擬

4、與跟蹤方法，仿真了雷達(dá)從目標(biāo)檢測到目標(biāo)跟蹤的全過程。本文優(yōu)點(diǎn)： 首先對目標(biāo)場景進(jìn)行了模擬，重點(diǎn)研究了數(shù)據(jù)互聯(lián)、跟蹤濾波這兩個部分。最后研究了機(jī)動目標(biāo)的跟蹤濾波方法。通過仿真驗證，對跟蹤結(jié)果方差的比較，發(fā)現(xiàn)改善的濾波方法方差較小。本文也存在以下不足之處： 1、由于沒有精確的雷達(dá)前端參數(shù)，模型的建立相對粗糙。 2、在仿真中偶有偏差較大的情況，這可能是因為系統(tǒng)了較大的偽隨機(jī)數(shù)。,致謝,感謝我

5、的導(dǎo)師XXX、XXX，以及在座的各位老師。,返回,雜波建模與仿真,圖1-1 雜波示意圖,圖1-2 雜波仿真示意圖,雜波的來源多種多樣，根據(jù)其電磁反射特性可以對雜波大致進(jìn)行分類。雷達(dá)雜波主要有以下幾類：1.地面雜波2.海雜波3.體雜波。,返回,目標(biāo)建模與仿真,雷達(dá)跟蹤的目標(biāo)按運(yùn)動類型可以分為三類：勻速直線運(yùn)動目標(biāo)、勻加速直線運(yùn)動目標(biāo)以及機(jī)動目標(biāo)。,圖2-1 勻速運(yùn)動目標(biāo) 圖

6、2-2 雜波中的勻速運(yùn)動目標(biāo),目標(biāo)建模與仿真,圖2-3 勻加速直線運(yùn)動目標(biāo) 圖2-4 雜波中的勻加速直線運(yùn)動目標(biāo),圖2-5 勻加速曲線運(yùn)動目標(biāo) 圖2-6 雜波中的勻加速曲線運(yùn)動目標(biāo),目標(biāo)建模與仿真,目標(biāo)建模與仿真,圖2-7 轉(zhuǎn)彎機(jī)動目標(biāo) 圖2-8 雜波中的轉(zhuǎn)彎機(jī)動目標(biāo),返回,航跡起始

7、與關(guān)聯(lián),一套完整的多目標(biāo)跟蹤算法可以分為三大部分：首先是跟蹤啟動，然后是數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)及跟蹤維持，最后為跟蹤終結(jié)。,航跡起始算法分為兩大類：順序處理技術(shù)和批處理技術(shù)。順序處理技術(shù)主要包括啟發(fā)式規(guī)則方法和基于邏輯的方法，適用于相對無雜波的航跡起始；批處理技術(shù)主要包括Hough變換法等，適用于強(qiáng)雜波環(huán)境。,圖3-1 最近鄰算法 圖3-2 跟蹤標(biāo)準(zhǔn)差,仿

8、真以及性能分析 ： 目標(biāo)做勻加速運(yùn)動：初始狀態(tài)如下：x0=5000；y0=25000；vx0=100；vy0=0；ax0=0.5；ay0=0.5，用不同方法進(jìn)行互聯(lián)結(jié)果如下；,航跡起始與關(guān)聯(lián),航跡起始與關(guān)聯(lián),圖3-3 概率數(shù)據(jù)互聯(lián)跟蹤曲線 圖3-4 跟蹤標(biāo)準(zhǔn)差,航跡起始與關(guān)聯(lián),圖3-5 改進(jìn)方法跟蹤曲線

9、 圖3-6 跟蹤標(biāo)準(zhǔn)差,航跡起始與關(guān)聯(lián),結(jié)論： 經(jīng)多次仿真發(fā)現(xiàn)，最近鄰數(shù)據(jù)互聯(lián)方法對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差都比較大，概率數(shù)據(jù)互聯(lián)方法的性能較好，改進(jìn)的互聯(lián)方法對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差最小。,返回,航跡濾波與外推,完成數(shù)據(jù)互聯(lián)以后，就要進(jìn)行目標(biāo)的濾波。濾波的目的是為了對目標(biāo)過去和現(xiàn)在的狀態(tài)進(jìn)行平滑，同時預(yù)測目標(biāo)的的位置、速度和加速度等參量，通過將互聯(lián)數(shù)據(jù)傳入濾波器來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的更新，并進(jìn)行狀態(tài)預(yù)測。目前有常用的濾波器三種：卡爾曼濾波器

10、和濾波器和 濾波器。,,卡爾曼濾波器的工作原理如下面流程圖所示：,航跡濾波與外推,,圖4-1 濾波流程圖,A.卡爾曼濾波為線性時變系統(tǒng)的一種線性無偏最小均方誤差估計，適合于非平穩(wěn)過程，當(dāng)目標(biāo)勻速運(yùn)動時，卡爾曼濾波與 等效，但是在暫態(tài)過程中，或目標(biāo)做隨機(jī)機(jī)動飛行時，卡爾曼濾波性能優(yōu)于 濾波器。B.卡爾曼濾波器在做出估計的同時給出估計的誤差方差，而 濾波器、

11、 濾波器并不具備對誤差方差進(jìn)行更新。C. 濾波器、 濾波器計算量相對較小，而卡爾曼濾波增益的計算量比較大，但是相對來說，卡爾曼濾波系統(tǒng)在理論上是比較完善的，不過也存在一些問題有待于改善和解決，主要有濾波的數(shù)學(xué)模型、實(shí)時處理能力和數(shù)據(jù)發(fā)散問題，且濾波模型的確定也相對困難，但這是一種非常有應(yīng)用前景的濾波方法。,卡爾曼濾波器與 濾波器、 濾波器的比較如下：,

12、航跡濾波與外推,航跡濾波與外推,從前面的介紹可以看出，目前常用濾波方法有卡爾曼濾波、 和 濾波，卡爾曼濾波最大的優(yōu)點(diǎn)在于跟蹤的實(shí)時性，目標(biāo)運(yùn)動狀態(tài)變化能有效回饋給系統(tǒng)，從而調(diào)整濾波增益，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的有效跟蹤，但卡爾曼濾波的性能與過程噪聲和量測噪聲的統(tǒng)計特性、初始條件等因素相關(guān)，并且在濾波過程中對未知量進(jìn)行了假設(shè)，所以有可能會出現(xiàn)濾波發(fā)散。,航跡濾波與外推,圖5-1 目標(biāo)數(shù)據(jù)產(chǎn)生及局部放大圖,勻速直線

13、運(yùn)動各個參量設(shè)置如下：x0=[30000 20000 10000 20000 30000]；y0=[20000 30000 40000 50000 60000]；vx0=[100 100 100 100 100]；vy0=[0 0 0 0 0]；ax0=[0 0 0 0 0]；ay0=[0 0 0 0 0]；目標(biāo)的量測數(shù)據(jù)通過采樣加噪聲獲得，假設(shè)雷達(dá)掃描圈數(shù)為200圈，掃描周期為2秒，機(jī)動時常數(shù)即機(jī)動頻率為0.1秒。用不同的方法得到濾波

14、結(jié)果如下：,航跡濾波與外推,圖5-2 濾波曲線及局部放大圖,航跡濾波與外推,圖5-3 不同濾波方法所得標(biāo)準(zhǔn)差,航跡濾波與外推,結(jié)論： 圖中o為 濾波，點(diǎn)為 濾波，+為卡爾曼濾波，經(jīng)多次實(shí)驗表明，三種方法的標(biāo)準(zhǔn)差絕大部分落在500米以內(nèi)，還有一部分落在1000米范圍內(nèi)，對于這種粗糙模型來說是可以接受的，從圖上可以看出對于勻速直線運(yùn)動， 濾波性能最好，