集中式雷達-紅外傳感器數據融合多目標跟蹤算法

張安清，張萬順，齊海明

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

0 引 言

在現代C4ISR作戰系統中，要想掌握信息化戰場主控權，占據戰場優勢，做到“看得明、反應快、打得準”，要求作戰方必須極其重視信息數據的獲取、采集和處理，占得信息優勢權。現代的戰場空間環境越來越復雜，已經擴展到陸、海、空、天、電磁五維作戰體系，僅僅利用單一傳感器不能滿足新的作戰需求，必須運用多傳感器獲取戰場信息，進行多傳感器信息融合[1](MSIF)，充分利用多傳感器或多源數據的互補性和冗余性提高數據質量，獲取精確的戰場信息和準確的戰場態勢。

艦載防空反導系統裝備了雷達系統和光電系統，與同質傳感器融合相比，異質傳感器融合系統能更加充分地發揮出傳感器間的性能優勢[2]，同時發揮好應用環境的互補作用。雷達作為主動傳感器，可以提供完整、高精度的目標位置信息；但由于工作時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，由于隱身技術的發展與低空盲區及高海雜波的影響，導致雷達探測距離受到限制，使其作戰效果下降[3-4]。而以紅外傳感器為代表的被動傳感器具有不向空中輻射能量，被動隱蔽性好、目標識別能力強、測角精度高以及較強的抗干擾能力等優勢；但探測距離較近，易受氣候影響，不能提供目標與傳感器的相對距離[5]。因此，有效地將雷達與紅外2種傳感器配合使用，彼此補充，發揮出雷達的高精度距離測量和紅外傳感器的高精度方位角測量[6]，能夠提供更準確的目標位置估計，改善目標識別能力，增強系統的抗干擾能力以及系統可靠性。

現有的雷達-紅外融合跟蹤方法中，文獻[7]將雷達的距離信息與紅外角度信息組合成為新量測，完全忽略了雷達的角度信息；文獻[8]基于集中式融合結構，提出了拉格朗日數乘法的最優加權融合算法；文獻[9]在雷達-紅外量測不同步的條件下進行了傳感器的切換，提高了采樣頻率，不過本質還是單傳感器的跟蹤方法。本文構建了雷達-紅外傳感器融合系統的可行結構，引入概率假設密度(PHD)濾波，實現多目標跟蹤的同時避免了復雜的數據關聯，導出紅外傳感器量測擴維方法，實現雷達-紅外傳感器量測優化加權融合。

1 集中式雷達-紅外量測融合

1.1 多傳感器觀測模型

多傳感器融合目標跟蹤算法可以獲得更高的狀態估計精度，但算法復雜，運行時間長，考慮實時性，對量測數據的處理采取集中式量測融合(CMF)[10]的方法。假定艦載雷達和紅外系統同地配置，已通過坐標轉換，時空配準與同步，其融合系統的線性離散系統方程表示為：

xk=Fkxk-1+vk-1

(1)

雷達-紅外傳感器的量測模型方程為：

(2)

(3)

(4)

紅外傳感器量測表示為：

(5)

(6)

1.2 雷達-紅外數據加權融合

構造雷達-紅外量測數據融合的結構如圖1所示，避免因雷達方位角量測不準而舍棄造成目標信息丟失的問題，又得到最優加權融合后的量測精度的顯著提高，獲得優于單一傳感器的量測精度。

圖1 集中式雷達-紅外傳感器融合結構

對k時刻所有量測數據進行加權融合處理，即：

(7)

相應對k時刻所有的量測噪聲數據進行加權融合處理，即：

(8)

(9)

特別指出，因紅外傳感器無法獲取目標距離量測數據，不能直接完成傳感器的數據融合，為避免紅外傳感器量測數據傳統補零擴維造成估計誤差協方差陣的非正定，本文將雷達的距離量測直接作為紅外傳感器的虛擬距離量測，實現紅外傳感器的量測擴維，擴維后的紅外混合量測為：

(10)

(11)

2 PHD濾波融合跟蹤過程

本文采用多模型PHD濾波算法[11-14]進行融合目標跟蹤，將單傳感器PHD濾波器的狀態濾波結果，按照集中式融合結構，根據順序依次更新多個單傳感器PHD濾波算法，濾波過程如下：

(12)

(13)

(14)

(15)

3 仿真分析

3.1 仿真參數設定

3.2 仿真結果分析

圖2所示是仿真建立的目標運動軌跡和雷達-紅外融合跟蹤濾波軌跡對比。圖3、圖4為目標1、目標2 在20次仿真的3個坐標方向雷達、紅外單獨跟蹤與融合跟蹤濾波誤差總和均方根值(RMSE)對比效果。從圖3、圖4中看出雷達-紅外融合跟蹤精度對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-紅外融合PHD濾波算法有效、適用，而雷達或紅外傳感器觀測跟蹤目標的精度與目標相對位置有關，采用多傳感器融合跟蹤恰恰能夠綜合各單傳感器優勢，實現信息互補，精確估計目標狀態。

圖2 雷達-紅外融合跟蹤濾波效果

4 結束語

針對被動紅外觀測系統隱蔽性好、不易受電子干擾、低空探測性能好、角度量測精度高等優點，以及雷達觀測系統的測距精度較高，但角度量測精度低等特點，研究二者配合使用實現信息互補，對目標進行精確狀態估計，提高系統可靠性和穩定性。本文開展基于雷達和紅外多傳感器融合跟蹤研究，構建了雷達-紅外傳感器融合系統的可行結構，為發揮雷達和紅外傳感器各自優勢，導出紅外傳感器量測擴維方法，實現雷達-紅外傳感器量測優化加權融合，并采用PHD濾波算法，實現對多目標同時跟蹤。計算機MATLAB仿真驗證表明，所構建的融合系統及多傳感器量測融合方法能夠實現高精度的多目標跟蹤，對將來的多目標跟蹤系統技術革新會有很好的工程應用價值，對于解決異類多傳感器目標跟蹤估計問題具有重要的現實意義。