集中式雷達(dá)-紅外傳感器數(shù)據(jù)融合多目標(biāo)跟蹤算法

張安清，張萬(wàn)順，齊海明

(1.海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018；2.解放軍91202部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125004)

0 引 言

在現(xiàn)代C4ISR作戰(zhàn)系統(tǒng)中，要想掌握信息化戰(zhàn)場(chǎng)主控權(quán)，占據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，做到“看得明、反應(yīng)快、打得準(zhǔn)”，要求作戰(zhàn)方必須極其重視信息數(shù)據(jù)的獲取、采集和處理，占得信息優(yōu)勢(shì)權(quán)。現(xiàn)代的戰(zhàn)場(chǎng)空間環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，已經(jīng)擴(kuò)展到陸、海、空、天、電磁五維作戰(zhàn)體系，僅僅利用單一傳感器不能滿足新的作戰(zhàn)需求，必須運(yùn)用多傳感器獲取戰(zhàn)場(chǎng)信息，進(jìn)行多傳感器信息融合[1](MSIF)，充分利用多傳感器或多源數(shù)據(jù)的互補(bǔ)性和冗余性提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，獲取精確的戰(zhàn)場(chǎng)信息和準(zhǔn)確的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)。

艦載防空反導(dǎo)系統(tǒng)裝備了雷達(dá)系統(tǒng)和光電系統(tǒng)，與同質(zhì)傳感器融合相比，異質(zhì)傳感器融合系統(tǒng)能更加充分地發(fā)揮出傳感器間的性能優(yōu)勢(shì)[2]，同時(shí)發(fā)揮好應(yīng)用環(huán)境的互補(bǔ)作用。雷達(dá)作為主動(dòng)傳感器，可以提供完整、高精度的目標(biāo)位置信息；但由于工作時(shí)需輻射大功率的電磁波，容易受到電子干擾以及反艦彈道的攻擊；同時(shí)，由于隱身技術(shù)的發(fā)展與低空盲區(qū)及高海雜波的影響，導(dǎo)致雷達(dá)探測(cè)距離受到限制，使其作戰(zhàn)效果下降[3-4]。而以紅外傳感器為代表的被動(dòng)傳感器具有不向空中輻射能量，被動(dòng)隱蔽性好、目標(biāo)識(shí)別能力強(qiáng)、測(cè)角精度高以及較強(qiáng)的抗干擾能力等優(yōu)勢(shì)；但探測(cè)距離較近，易受氣候影響，不能提供目標(biāo)與傳感器的相對(duì)距離[5]。因此，有效地將雷達(dá)與紅外2種傳感器配合使用，彼此補(bǔ)充，發(fā)揮出雷達(dá)的高精度距離測(cè)量和紅外傳感器的高精度方位角測(cè)量[6]，能夠提供更準(zhǔn)確的目標(biāo)位置估計(jì)，改善目標(biāo)識(shí)別能力，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力以及系統(tǒng)可靠性。

現(xiàn)有的雷達(dá)-紅外融合跟蹤方法中，文獻(xiàn)[7]將雷達(dá)的距離信息與紅外角度信息組合成為新量測(cè)，完全忽略了雷達(dá)的角度信息；文獻(xiàn)[8]基于集中式融合結(jié)構(gòu)，提出了拉格朗日數(shù)乘法的最優(yōu)加權(quán)融合算法；文獻(xiàn)[9]在雷達(dá)-紅外量測(cè)不同步的條件下進(jìn)行了傳感器的切換，提高了采樣頻率，不過(guò)本質(zhì)還是單傳感器的跟蹤方法。本文構(gòu)建了雷達(dá)-紅外傳感器融合系統(tǒng)的可行結(jié)構(gòu)，引入概率假設(shè)密度(PHD)濾波，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)跟蹤的同時(shí)避免了復(fù)雜的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，導(dǎo)出紅外傳感器量測(cè)擴(kuò)維方法，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)-紅外傳感器量測(cè)優(yōu)化加權(quán)融合。

1 集中式雷達(dá)-紅外量測(cè)融合

1.1 多傳感器觀測(cè)模型

多傳感器融合目標(biāo)跟蹤算法可以獲得更高的狀態(tài)估計(jì)精度，但算法復(fù)雜，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，考慮實(shí)時(shí)性，對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)的處理采取集中式量測(cè)融合(CMF)[10]的方法。假定艦載雷達(dá)和紅外系統(tǒng)同地配置，已通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，時(shí)空配準(zhǔn)與同步，其融合系統(tǒng)的線性離散系統(tǒng)方程表示為：

xk=Fkxk-1+vk-1

(1)

雷達(dá)-紅外傳感器的量測(cè)模型方程為：

(2)

(3)

(4)

紅外傳感器量測(cè)表示為：

(5)

(6)

1.2 雷達(dá)-紅外數(shù)據(jù)加權(quán)融合

構(gòu)造雷達(dá)-紅外量測(cè)數(shù)據(jù)融合的結(jié)構(gòu)如圖1所示，避免因雷達(dá)方位角量測(cè)不準(zhǔn)而舍棄造成目標(biāo)信息丟失的問(wèn)題，又得到最優(yōu)加權(quán)融合后的量測(cè)精度的顯著提高，獲得優(yōu)于單一傳感器的量測(cè)精度。

圖1 集中式雷達(dá)-紅外傳感器融合結(jié)構(gòu)

對(duì)k時(shí)刻所有量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)融合處理，即：

(7)

相應(yīng)對(duì)k時(shí)刻所有的量測(cè)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)融合處理，即：

(8)

(9)

特別指出，因紅外傳感器無(wú)法獲取目標(biāo)距離量測(cè)數(shù)據(jù)，不能直接完成傳感器的數(shù)據(jù)融合，為避免紅外傳感器量測(cè)數(shù)據(jù)傳統(tǒng)補(bǔ)零擴(kuò)維造成估計(jì)誤差協(xié)方差陣的非正定，本文將雷達(dá)的距離量測(cè)直接作為紅外傳感器的虛擬距離量測(cè)，實(shí)現(xiàn)紅外傳感器的量測(cè)擴(kuò)維，擴(kuò)維后的紅外混合量測(cè)為：

(10)

(11)

2 PHD濾波融合跟蹤過(guò)程

本文采用多模型PHD濾波算法[11-14]進(jìn)行融合目標(biāo)跟蹤，將單傳感器PHD濾波器的狀態(tài)濾波結(jié)果，按照集中式融合結(jié)構(gòu)，根據(jù)順序依次更新多個(gè)單傳感器PHD濾波算法，濾波過(guò)程如下：

(12)

(13)

(14)

(15)

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)定

3.2 仿真結(jié)果分析

圖2所示是仿真建立的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡和雷達(dá)-紅外融合跟蹤濾波軌跡對(duì)比。圖3、圖4為目標(biāo)1、目標(biāo)2 在20次仿真的3個(gè)坐標(biāo)方向雷達(dá)、紅外單獨(dú)跟蹤與融合跟蹤濾波誤差總和均方根值(RMSE)對(duì)比效果。從圖3、圖4中看出雷達(dá)-紅外融合跟蹤精度對(duì)比單傳感器觀察跟蹤明顯高出很多，表明本文研究的集中式雷達(dá)-紅外融合PHD濾波算法有效、適用，而雷達(dá)或紅外傳感器觀測(cè)跟蹤目標(biāo)的精度與目標(biāo)相對(duì)位置有關(guān)，采用多傳感器融合跟蹤恰恰能夠綜合各單傳感器優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)信息互補(bǔ)，精確估計(jì)目標(biāo)狀態(tài)。

圖2 雷達(dá)-紅外融合跟蹤濾波效果

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)被動(dòng)紅外觀測(cè)系統(tǒng)隱蔽性好、不易受電子干擾、低空探測(cè)性能好、角度量測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，以及雷達(dá)觀測(cè)系統(tǒng)的測(cè)距精度較高，但角度量測(cè)精度低等特點(diǎn)，研究二者配合使用實(shí)現(xiàn)信息互補(bǔ)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確狀態(tài)估計(jì)，提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。本文開展基于雷達(dá)和紅外多傳感器融合跟蹤研究，構(gòu)建了雷達(dá)-紅外傳感器融合系統(tǒng)的可行結(jié)構(gòu)，為發(fā)揮雷達(dá)和紅外傳感器各自優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)出紅外傳感器量測(cè)擴(kuò)維方法，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)-紅外傳感器量測(cè)優(yōu)化加權(quán)融合，并采用PHD濾波算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)多目標(biāo)同時(shí)跟蹤。計(jì)算機(jī)MATLAB仿真驗(yàn)證表明，所構(gòu)建的融合系統(tǒng)及多傳感器量測(cè)融合方法能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的多目標(biāo)跟蹤，對(duì)將來(lái)的多目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)技術(shù)革新會(huì)有很好的工程應(yīng)用價(jià)值，對(duì)于解決異類多傳感器目標(biāo)跟蹤估計(jì)問(wèn)題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。