靶場中多飛行目標的航跡保持*

李興紅，張聆玲，楊 琴

(1.成都理工大學工程技術學院，四川 成都614007；2.核工業西南物理研究院，四川 成都610000)

隨著電視監視環境的復雜性不斷增強，測量系統面臨的困難也逐漸增多。 尤其是靶場中多飛行目標會面對各種多傳感器的干擾及多飛行目標本身在飛行過程中的交叉等干擾，使得傳感器獲取的圖像數據失去準確度，無法判斷目標擊中的正確性。 傳統的雷達、電視、紅外、可見光等測量方法無法適用當前的多飛行目標測量系統。 因此，系統通過多傳感器輸出的信息，克服各種干擾因素的影響，再通過編程設定行為準則來確定飛行目標的起點位置，在目標整個飛行跟蹤測量系統中保持航跡穩定。

1 提取目標特征

在靶場飛行目標跟蹤測控過程中，時常出現飛行目標的信噪比很低的情況，這樣目標會被噪聲淹沒而無法提取，因此系統首先利用雙正交小波的線性相位，緊支撐性，分解重構時無相位失真等優點提取飛行目標的圖像特征，作為后續的目標編排序號的基礎。

在靶場實驗中以某10 位灰度級的空中圖像為研究對象，原始圖像圖1(a)中有兩個無法識別的弱小目標，由圖中可知，圖像中的信噪比較低。 系統分別采用三種方法對目標進行特征提取，效果如圖1 所示。

圖1 利用不同檢測方法對目標的特征提取效果

2 多目標跟蹤的數據關聯算法

靶場中有多種類型的目標，其中，如果監測目標只有一個，則目標的相關波門內只有一個點跡，這樣只需要考慮跟蹤問題即可，但如果監測目標是多個，那么就會有多個點跡落入單個目標相關波門內的情況，這樣就要考慮數據關聯的問題。 也就是說當測量目標出現后，系統在對目標進行自動識別建立序號的同時，也要在整個測量過程中保持該目標的序號一直不變。 系統利用多參數的數據關聯方法對多個目標狀態更新，以達到抑制多個目標相互干擾的目的。

因此對于多目標的跟蹤測量系統，首先要對新的飛行目標進行編排序號并且保持序號維持過程，系統對目標序號的建立及保持采用如圖2 所示的判別準則。

圖2 目標序號的建立及保持的判別準則

傳統的數據關聯算法很多，如概率數據關聯算法(PDA)、最近鄰域算法(NNDA)、聯合概率數據關聯算法(JPDA)等。 在傳統的算法當中，最簡單的當屬NNDA 算法，但只適用于在稀疏回波環境中跟蹤非動態目標，PDA 算法是一種次優濾波方法，對于雜波環境中單個目標的跟蹤處理比較適合，JPDA算法類似于PDA 算法，兩者略有不同，JPDA 算法認為所有的有效回波都可能源于每個特定目標，但源于不同目標的加權不同，因此，當目標和量測數目較多時，JPDA 算法的計算量會呈現組合爆炸現象，造成計算復雜。 為了避免上述算法的不足，系統將空間位置關聯度，亮度近似度等多參數數據關聯，根據不同目標與確認波門內各觀測值的后驗概率密度賦予不同觀測值的更新量不同加權值，從而不斷更新目標狀態，計算量及準確性有極大的提高。 其算法的實現過程概括如下:

(1)構造確認矩陣Ω＝[ωjt]

式中:t＝0，1，2，3 為目標編號，j ＝1，2，3，4 為觀測值編號。

圖3 目標確認波門與觀測值的分布情況

(4)計算處于波門相交區域內的觀測值j 分屬于每個目標t 的修正概率

如果觀測值j 同時落在多個目標波門內，可以通過修正系數Kjt(式(4))降低該觀測值分屬于各個目標的后驗概率密度。 同時計算擁有公共觀測值的目標各自關聯門內的其他觀測值對Kjt的影響。影響因子gjt如式(5)定義:

式中:t ＝1，2，…，N，由于gjt的影響，因此需要對Kjt再次修正:

(5)當一個目標波門內出現多個觀測值時，計算其各個觀測值與該目標的空間位置關聯度，亮度近似度

將上述多參數數據關聯算法的步驟引入實驗，系統通過實驗，比較以上三種算法的飛行目標跟蹤的準確率。 通過對比，從而表明文中提出的多參數數據關聯算法的實用性。

3 實驗結果

當圖像的背景均方差MSE＜4.0 和在4.0 ～5.0之間兩種不同情況下的比較數據，如表1 和表2，其中兩種情況的實驗次數各為200 次。

表1 背景MSE＜4.0，飛行目標跟蹤的準確率

表2 背景MSE 為4.0～5.0，飛行目標跟蹤的準確率

通過表1 和表2 可以發現:對4 個飛行目標進行測量時，在背景MSE 較低時(＜4.0)，采用多參量數據關聯算法的目標編號保持的準確率相對于傳統的PDA 和JPDA 算法的目標編號保持要高，準確率為98.6%，完全滿足要求；在背景MSE 升高時(4.0 ～4.5)，圖像的分辨率降低，同樣4 個目標測量，多參量數據關聯算法的準確率為97.1%，也高于傳統的PDA 和JPDA 算法；而當目標數量增加時，無論何種情況何種算法，其準確率均有所下降，但多參量數據關聯算仍是算法中準確率最高的。

將上述過程通過程序寫入到以TMS320C6657為核心的DSP 控制系統中，并且對靶場中多目標進行測量，通過圖4 可以得到目標序號建立后能夠保持直到序號離開視場。

圖4 多目標序號在視場中的建立及保持

4 結論

系統對靶場中多飛行目標進行跟蹤測量，首先利用雙正交小波提取飛行目標的圖像特征，再通過多參數的數據關聯方法對目標進行編寫序號及保持，通過實驗可以看出，在目標數量高達12 個時，即使背景的MSE 增加，圖像的分辨率降低，目標保持的準確率還可以達到91.8%，最后利用程序將上述過程下載到以TMS320C6657 為核心的DSP 控制系統中。 通過實驗可以看出，上述過程完全可以達到多飛行目標的跟蹤及序號保持，并且其準確率較高，比傳統的PDA 算法提高23.29%。