雷达目标跟踪滤波算法的研究.pdf

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书资料大小：2.91M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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封面

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1雷达数据处理的尽的和意义

1.2雷达目标跟踪的意义

1.3雷达数据处理技术研究的历史与现状

1.4本文的主要工作和结构

第2章目标跟踪的线性滤波处理方法

2.1卡尔曼滤波

2.2卡尔曼滤波需要注意的问题

2.2.1卡尔曼滤波的收敛性

2.2.2卡尔曼滤波的收敛速度

2.3α-β与α-β-γ滤波方法

2.3.1 α-β与α-β-γ滤波

2.3.2自适应α-β滤波

2.4其他线性滤波方法

2.5 小结

第3章卡尔曼滤波改进算法及非线性滤波

3.1扩展卡尔曼滤波算法

3.1.1滤波模型

3.1.2线性化EKF滤波的误差补偿

3.1.3扩展卡尔曼滤波应用

3.2几种常用的改进扩展卡尔曼滤波

3.2.1修正增益的扩展卡尔曼滤波

3.2.2自适应扩展卡尔曼滤波

3.2.3基于加权测量噪声协方差矩阵的发散抑制方法

3.3不敏卡尔曼滤波

3.4粒子滤波

3.5 EKF、UKF和PF目标跟踪性能的比较

3.6小结

第4章量测数据预处理

4.1野值预处理

4.1.1野值剔除技术的意义

4.1.2野值的分析

4.1.3野值的判别

4.1.4野值的处理

4.2数据压缩预处理

4.2.1等权平均量测预处理

4.2.2变权平均量测预处理

4.3坐标变换预处理

4.3.1坐标变换与跟踪问题

4.3.2跟踪坐标系与滤波状态变量选择

4.4小结

第5章雷达机动目标跟踪自适应滤波处理

5.1雷达机动目标跟踪

5.1.1机动目标的基本原理

5.1.2雷达目标机动模型

5.1.3船舶运动目标的建模

5.2自适应跟踪滤波算法

5.2.1基于χ2分布的检测自适应滤波

5.2.2基于新息偏差的自适应滤波

第6章结论

6.1本文的总结

6.2未来研究的展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

研究生履历

大连海事大学硕士学位论文雷达目标跟踪滤波算法的研究姓名：蒋希帅申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：索继东20080201

中文摘要摘要在雷达数据处理中，舀标跟踪是一个非常重要的研究课题。嚣标跟踪的主要难点在于目标的不确定性，包括目标的机动性和多目标的问题。由于目标机动的不可预知性，为了防止跟踪发散，必须对普通的滤波算法进行调整，自适应滤波是一个很自然的思路。本文首先讨论了雷达数据处理中基本的线性滤波方法包括卡尔曼滤波(KalmanFilter，KF)，a一§与8一§一￥滤波方法，两点外推滤波以及线性自回归滤波方法等，并将做滤波方法的性能比较。因为后面主要分析滤波的自适应性，因此讨论了自适应C1～B滤波方法。这些线性滤波方法是完成雷达数据处理的基础。其次探讨卡尔曼滤波改进算法及其它非线性滤波方法，这些滤波改进算法根据其各自特点在实际工程领域有其特有的应用。再次讨论对予将要迸行滤波处理的数撰进行的预处理，包括野值剔除、坐标变换和数据压缩技术。量测数据预处理技术是对雷达数据进行正确处理的前提条件，有效的预处理可以降低数据处理的计算量和提高目标的跟踪精度。最盾对雷达机动目标的基本原理和机动模型进行讨论。结合卡尔曼改进算法，对其鲁逶应性进行深入研究。对基于z2分布的检测自适应滤波和基于新息偏差豹自适应滤波做了仿真说明和分析，通过仿真试验验证了算法的良好跟踪能力。关键词：目标跟踪：卡尔曼滤波；雷达数据处理；自适应滤波

英文擒要TheResearchonRadarTargetTrackingFiRerAlgorithmAbstract孙esubjectoftargettrackingisailimportantaspectinradarprocessing。Thedifficultpartoftargettrackingliesintheindeterminationoftarget,includingthemaneuverabilityoftargetsandthecharacterofmultipletargetstracking．Becausethemotionofthetargetisunpredictable，theacquisitionoftargetmaybelost+Toconquerthisdisadvantage，trackingfilteralgorithmhastoberectified，andthenadaptivefiltershouldbeintroduced。Firstly，thispaperanalysesthelinearfilterswhicharethebasisofradardataprocessing，suchasKalmanfilter，0【一pfilter，cc—p一^rfilter，Two-pointExtrapolatorfilterandLinearRegressionfilter。Andtheirperformancesshouldalsobeevaluatedandcompared。Thenadaptivefilterwillbediscussedinthefollowingpart，whichincludesadaptive攫-》filter。Theselinearfiltersarethegroundworkofradardataprocessing．Secondly，EKFandothernon-linearfiltersarediscussed，whichareappliedtomanyprojectfieldsaccordingtotheirspecificfeatures。Th拓dly，theradardatapreprocessingareanalyzed，includingoutliereliminating，coordinatetransformation，datacompressionTheprerequisiteofradarprocessingisthemeasurementpreprocessing．WitheffectNepreprocessing，thedatacalculatingtaskcouldbecompressedandthetrackingaccuracycouldbeimproved．Finally，thebasicprincipleofradarmaneuveringtargettrackingandtargetmaneuveringmodelarediscussed．RelmingwithKalmanfilter，theresearchdelvesintoadaptivecapacity。Atthesametime，theauthorindicatesandanalysesalladaptivefilteringalgorithmusingthe?c1distributionfeatureoffilteringremnanterrorandanadaptivefilteringalgorithmbasedontheinnovationbias。Throughthesimulationexperiment，theexcellenttrackingabilityofthealgorithmiswelldemonstrated．KeyWords：TargetTracking；KalmanFilter；RadarDataProcessing：AdaptiveFilter

大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士学位论文==重达旦拯避躔澶遂篡造的受塞：：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公歼发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：膏零’片式噼罗月节日学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法"，囝意大连海事大学保罄弗向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阕。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存翱汇编学位论文。保密口，在——年解密后适用本授权书。本学位论文属于：保密口不保密口(请在以上方框内打“√”)论文槠躲谤幂纡锄始刍疏f网期：易雇揖多月细同

雷达目标跟踪滤波算法的研究第1章绪论现代雷达系统一般都包括雷达信号处理器和雷达数据处理器这两大重要组成部分【1】，如图1．1所示。信号处理器是用来检测目标并利用一定的方法来抑制由地(海)面杂波、气象、射频干扰、噪声源和人为干扰所产生的不希望有的信号，处理后的视频输如信号再与某个门限比较。若信号超过检测门限，便判断为“发现"目标，然后把蟊标信号输送到数据录取器，以便检测嚣标的距离、角度(方位、德仰)、径向速度以及其他～些邂标特性。数据录取器输出的便是墨标观测值的估计，称为点迹(或量测数据)【2】，并在数据处理器中完成各种相关处理。{．{雷达数据处理的目的和意义雷达数据处理包括很广泛豹内容，这里指的是雷达在取德县标的位置、运动参数数据(如径向距离、径向速度、方位和俯仰危等)后进行的互联、跟踪、滤波、平滑、预测等运算。对雷达测量数据进行互联、跟踪、滤波、平滑、预测等处理，可以有效地抑制测量过程中引入的随机误差，精确估计目标位簧和相关的运动参数(如速度和加速度等)，预测霞标下一时刻的位置，并形成稳定的目标航迹ll】。因而，概括来讲雷达数据处理的蟊的就是缀大限度地提取酱标的坐标信息，戬便对控制区域内譬标的运动轨迹进行估计，并给出它们在下～时刻的位置位移，实现对题标的高精度实施跟踪。)取工器图1。1雷达系统篱纯框图Fig1．1BriefSystemStmctureofRadar从对雷达测量数据进行处理的层次来讲，如果把对雷达信号处理看成是第一次

第1章绪论处理，那么雷达数据处理就是第二次处理，而拦截判定、拦截指令计算、拦截方式选择和杀伤概率计算等则可看做第三次处理疆】。在VTS交通管制雷达中，船舶导航雷达的信息处理按照任务与内容的不同，也有三级处理的说法【3】。概括来讲，一级处理力：杂波的处理，謇标判定及录取，目标参数的录取及编号；二级处理为：运动目标航迹的建立，目标的跟踪，目标未来运动状况的预判：三级处理为：多站雷达系统中霸标参数的数据汇集，点迹豹管理，对雪标实麓统一的其恐处理等。近年来，随着硬件、算法和计算机性能等方面的巨大进步，信号处理能力上了一个又一个台阶，这就便量测数据可被用予同时鼹踪大量复杂露标，从瑟刺激了雷达数据处理技术的发展。随着科技鲶发展，现代VTS可能由单雷达站或多雷达站构成，综合雷达数攥处理子系统所包含的雷达数据处理器的数量取决于雷达站的数量和相互关系。图1．2为n个雷达站所构成酶VTS的综合雷达数据处理子系统的构成方案终l。该图中，基本雷达数据处理器由视频录取器、跟踪处理器、显示工作站和综合信息显示器构成。视频视频视频秉取器录取器录取糕多乡乡i蓑踩处器菱躁处器委踩处瘳雷达耋蓑舔处理理器理器理器器原统服静器童毒LAN毒毒$誊专显示显示显示王作培工作站工作始喜{{喜毒喜l警1《絮¨零ll零ll紧ll警i图1．2VTS雷达数据处理子系统框圈Fig1．2SystemStructureofVTSRadarSubsystem

雷达目标跟踪滤波算法的研究对多雷达站系统，除有与雷达相应数量的雷达数据处理器外，一般要增加一台进行多雷达站数据融合处理的多雷达目标跟踪处理器，或完成该功能的系统服务器。系统的构成一般采用局域网的形式。在目前的船舶导航雷达中，相应的雷达信息处理系统仅限于时域处理。它的主要任务是将来自接收机的载有目标信息的回波视频信号进行加工(或称处理)，在终端设备中显示或指示圉标的存在，目标的坐标数据，目标的运动数据，目标的运动情势，有无碰撞危险，安全航行方案等等。在船舶导航雷达雷达数据处理中，目标跟踪是一个很重要的组成部分；而滤波处理又是目标跟踪处理过程中的重点。这也是本文将要详细讨论的内容。1．2雷达目标跟踪的意义雷达隧标跟踪是整个雷达数据处理系统中一个非常关键的环节。跟踪的任务是通过相关和滤波处理建立目标的运动轨迹。雷达系统根据在建立目标轨迹过程中对磊标运动状态所作的估计和预测，评估船舶航行的安全态势和机动试操船的安全效果。因此，雷达跟踪环节工作性能的优劣直接影响到雷达系统的安全效能。在军用雷达领域中，自从二次世界大战跟踪雷达SCR28鹚现后，雷达蟊标跟踪就逐渐成为-1"3专门的学科。由于雷达目标定位是雷达目标跟踪中的一个重蔓环节，这个环节所涉及到的数据是滤波技术中直接影响到滤波准确性的一个根重要的因素，因此雷达中的网标定位对这个雷达跟踪系统的工作性能起着至关重要的作用。军事雷达中目标跟踪方面主要包括对原始侦察数据的预处理、对辐射源位置的估计及对运动辐射源的跟踪【61。对原始侦察数据的预处理是将测量到的原始数值做一些去偏差的处理，使得原始数据的误差对于跟踪系统最后整个的估计结果的影响降低到最小。对辐射源位置的估计是跟踪中对于目标进行估计的起始的判断，这是雷达定位的起始步骤。对运动辐射源的跟踪既是跟踪滤波的过程，这是雷达跟踪的核心内容，它的作用是对目标运动状态的估计和预测。这三个部分对于整个军用雷达系统的工作性能都有极其重要的影响。在海事安全方面，船舶避碰系统与船舶交通管理系统利用雷达作为水域交通环境的主要观测手段，其系统功能直接地取决于目标跟踪性能。雷达霞标跟踪能．3·

第1章绪论力对增进船舶航行安全、提高航运效率及保护水域环境具有重要的意义。尤其在港区或水道等霹标眈较密集的区域，量标机动可能性加大，精确可靠的蠢标跟踪更具有重要的意义。随着科学技术和航运经济的发展，人们的安全意识和环境意识墨益提高，人们对效益更加重视，由此人们也毖然会要求系统具备更加精确可靠的目标跟踪性能。鉴予冒标跟踪在增进雷达效能中的重要作焉，各国在军用和民用等领域中一直非常重视发展这一雷达技术。机动目标跟踪理论有了很大的发展，尤其是在跟踪算法的研究上，理论更是旨趋成熟。在跟踪算法孛，主要有线性鑫回归滤波，两点外推滤波，维纳滤波，加权最小二乘滤波，Q．13滤波和卡尔曼滤波，其中卡尔曼滤波算法在嚣标跟踪理论中占据了主导地位。雷达跟踪需要处理的信息种类多种多样。除了目标的位置信息外，一般还要对哥标运动速度进行估计，个别领域中的雷达还要对目标运动姿态进行鼹踪。雷达跟踪的收敛速度、滤波精度和跟踪稳定度等是评估雷达跟踪性能的重要参数。因此提高雷达跟踪的精度、收敛速度和稳定度也就一直是改善雷达跟踪能的蒸点。随着科技的发展，各类因标的运动性能和材质特征有了大幅度的改和改变，这就要求雷达跟踪能力要适应目标特性的这种变化。在不断提高雷达跟踪性能的前提下，降低雷达跟踪系统的成本也是现代雷达必须考虑的问题。特别是在民用领域中由于雷达造价不能过离，对目标跟踪进行快收敛性、高精度和高稳定性的改良在硬件上是受到一些制约的，因此雷达跟踪算法的研究就越来越引起学者们的关注。通过跟踪算法的改进来提高雷达的跟踪性能还有相当大的挖掘潜力。考虑到雷达设备的造价，民用雷达的跟踪系统首要的方法就是对于雷达的跟踪算法进行开发。{。3雷达数据处理技术研究的历史与现状最早的雷达处理方法是19世纪初Gauss(高斯)提出的最小二乘法。1795年，高斯首次运震最d'-乘法预测神谷星轨道，开剑了焉数学方法处理观测和试验数据的科学领域。这种方法经后人的不断修改和完善，今天已经具有适于实时运算的形式。现在滤波理论是建立在概率论和隧机过程理论的基础之上的。20世纪40

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