基于雷達(dá)跟蹤技術(shù)的機(jī)動(dòng)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(dòng)目標(biāo)模擬及跟蹤方法,班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：,,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(dòng)目標(biāo)是主要的研究對(duì)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(dòng)了雷達(dá)跟蹤技術(shù)的發(fā)展。用系統(tǒng)模擬技術(shù)來(lái)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(hào)，可以在不具備雷達(dá)前端的條件下進(jìn)行各項(xiàng)分析調(diào)試和性能指標(biāo)檢驗(yàn)，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(dòng)目標(biāo)模擬就是利用雷達(dá)

2、系統(tǒng)模擬技術(shù)，對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的工作環(huán)境、運(yùn)動(dòng)過(guò)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(lái)，世界各國(guó)紛紛投入了大量的人力、物力、財(cái)力從事雷達(dá)模擬研究，一些技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家都普遍的使用了雷達(dá)信號(hào)模擬器。凡是以雷達(dá)作為探測(cè)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(guó)己有兩百多家公司在研制模擬器，每年投資十多個(gè)億美元。 我國(guó)利用計(jì)算機(jī)和數(shù)字信號(hào)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(jì)、聯(lián)試、檢測(cè)和維護(hù)的目標(biāo)回波信號(hào)模擬器，在各種類(lèi)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(zhuān)用數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)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(hào)，達(dá)到對(duì)雷達(dá)目標(biāo)及其環(huán)境實(shí)時(shí)模擬的目的。,國(guó)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(yǔ),本文主要研究了機(jī)動(dòng)目標(biāo)的模擬

4、與跟蹤方法，仿真了雷達(dá)從目標(biāo)檢測(cè)到目標(biāo)跟蹤的全過(guò)程。本文優(yōu)點(diǎn)： 首先對(duì)目標(biāo)場(chǎng)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(gè)部分。最后研究了機(jī)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤濾波方法。通過(guò)仿真驗(yàn)證，對(duì)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(méi)有精確的雷達(dá)前端參數(shù)，模型的建立相對(duì)粗糙。 2、在仿真中偶有偏差較大的情況，這可能是因?yàn)橄到y(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(lái)源多種多樣，根據(jù)其電磁反射特性可以對(duì)雜波大致進(jìn)行分類(lèi)。雷達(dá)雜波主要有以下幾類(lèi)：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(dòng)類(lèi)型可以分為三類(lèi)：勻速直線運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、勻加速直線運(yùn)動(dòng)目標(biāo)以及機(jī)動(dòng)目標(biāo)。,圖2-1 勻速運(yùn)動(dòng)目標(biāo) 圖

6、2-2 雜波中的勻速運(yùn)動(dòng)目標(biāo),目標(biāo)建模與仿真,圖2-3 勻加速直線運(yùn)動(dòng)目標(biāo) 圖2-4 雜波中的勻加速直線運(yùn)動(dòng)目標(biāo),圖2-5 勻加速曲線運(yùn)動(dòng)目標(biāo) 圖2-6 雜波中的勻加速曲線運(yùn)動(dòng)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?rùn)C(jī)動(dòng)目標(biāo) 圖2-8 雜波中的轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)動(dòng)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(dòng)，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(lèi)：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(duì)無(wú)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(dòng)：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(duì)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(duì)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(duì)目標(biāo)過(guò)去和現(xiàn)在的狀態(tài)進(jìn)行平滑，同時(shí)預(yù)測(cè)目標(biāo)的的位置、速度和加速度等參量，通過(guò)將互聯(lián)數(shù)據(jù)傳入濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的更新，并進(jìn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)。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(shí)變系統(tǒng)的一種線性無(wú)偏最小均方誤差估計(jì)，適合于非平穩(wěn)過(guò)程，當(dāng)目標(biāo)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，卡爾曼濾波與 等效，但是在暫態(tài)過(guò)程中，或目標(biāo)做隨機(jī)機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，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(jì)的同時(shí)給出估計(jì)的誤差方差，而 濾波器、

11、 濾波器并不具備對(duì)誤差方差進(jìn)行更新。C. 濾波器、 濾波器計(jì)算量相對(duì)較小，而卡爾曼濾波增益的計(jì)算量比較大，但是相對(duì)來(lái)說(shuō)，卡爾曼濾波系統(tǒng)在理論上是比較完善的，不過(guò)也存在一些問(wèn)題有待于改善和解決，主要有濾波的數(shù)學(xué)模型、實(shí)時(shí)處理能力和數(shù)據(jù)發(fā)散問(wèn)題，且濾波模型的確定也相對(duì)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(shí)性，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)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(duì)目標(biāo)的有效跟蹤，但卡爾曼濾波的性能與過(guò)程噪聲和量測(cè)噪聲的統(tǒng)計(jì)特性、初始條件等因素相關(guān)，并且在濾波過(guò)程中對(duì)未知量進(jìn)行了假設(shè)，所以有可能會(huì)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(dòng)各個(gè)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(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)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(dòng)時(shí)常數(shù)即機(jī)動(dòng)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(yàn)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(duì)于這種粗糙模型來(lái)說(shuō)是可以接受的，從圖上可以看出對(duì)于勻速直線運(yùn)動(dòng)， 濾波性能最好，