第2讲雷达数据处理仿真实现与实验优秀课件.ppt

第2讲雷达数据处理仿真实现与实验第1页，本讲稿共39页多目标跟踪原理第2页，本讲稿共39页多目标跟踪原理第3页，本讲稿共39页多目标跟踪基本概念n n点迹点迹单次（某一时刻）目标的观测（距离、速度、角度、幅度单次（某一时刻）目标的观测（距离、速度、角度、幅度等）等）n n航迹航迹对应于某一目标的观测集合所估计的目标轨迹和状态对应于某一目标的观测集合所估计的目标轨迹和状态第4页，本讲稿共39页目标跟踪的困难n n目标观测起源的不确定性n n目标观测信息的不精确性n n目标运动方式的不确定性第5页，本讲稿共39页跟踪滤波n n跟踪滤波估计跟踪滤波估计Alpha-BetaAlpha-BetaKalman Kalman 第6页，本讲稿共39页目标模型n nCVn nCAn nCTn nIMM第7页，本讲稿共39页跟踪坐标系n n直角坐标系n n极坐标系n n球坐标系n n其它第8页，本讲稿共39页数据关联n n最近邻n nJPDAn nMHT第9页，本讲稿共39页起始与终结n n逻辑法n n记分法n n特征法第10页，本讲稿共39页航迹管理n n新建航迹n n删除航迹n n航迹索引n n动态管理n n静态管理第11页，本讲稿共39页航迹管理方法n n用第一扫描中得到的测量作为航迹用第一扫描中得到的测量作为航迹头建立门限，用速度法建立初始相头建立门限，用速度法建立初始相关波门，对第二次扫描有测量落入关波门，对第二次扫描有测量落入初始相关波门的航迹头均建立暂时初始相关波门的航迹头均建立暂时航迹；航迹；n n对每个暂时航迹（由两次测量组成）直线外对每个暂时航迹（由两次测量组成）直线外推，以外推点为中心，后续相关波门的大小推，以外推点为中心，后续相关波门的大小由航迹外推误差协方差确定；第三次扫描测由航迹外推误差协方差确定；第三次扫描测量落入后续相关波门离外推点最近者给予互量落入后续相关波门离外推点最近者给予互联；联；n n若后续相关波门没有测量，则撤销此可能若后续相关波门没有测量，则撤销此可能航迹，或用加速度限制的扩大相关波门考航迹，或用加速度限制的扩大相关波门考察第三次扫描测量是否落入其中；察第三次扫描测量是否落入其中；n n继续上述步骤，直到形成稳定的航继续上述步骤，直到形成稳定的航迹，航迹起始才算完成；迹，航迹起始才算完成；n n在历次扫描中，未与任何航迹互联的那些在历次扫描中，未与任何航迹互联的那些测量（称自由测量或孤立点迹）作为新的测量（称自由测量或孤立点迹）作为新的航迹头，转步骤航迹头，转步骤1 1操作。操作。第12页，本讲稿共39页递推实现流程第13页，本讲稿共39页第14页，本讲稿共39页第15页，本讲稿共39页地波超视距跟踪特殊性n n数据率低：数据率低：数据率低：数据率低：为了获得足够的信噪比以及多普勒分辨能力，高频地波超视距雷达积为了获得足够的信噪比以及多普勒分辨能力，高频地波超视距雷达积累周期往往长达几十秒甚至几百秒。如此之低的数据率，常规雷达跟踪系统难以累周期往往长达几十秒甚至几百秒。如此之低的数据率，常规雷达跟踪系统难以接受，其间目标的位置和运动参数会有很大的变化，这给跟踪预测带来很大的不接受，其间目标的位置和运动参数会有很大的变化，这给跟踪预测带来很大的不确定性。确定性。n n检测概率低：检测概率低：检测概率低：检测概率低：由于远距离传播衰减，目标回波信号幅度较小；强杂波（海杂波、由于远距离传播衰减，目标回波信号幅度较小；强杂波（海杂波、电离层杂波等）和干扰（电台干扰、冲击干扰等）的存在，目标回波信号经常被电离层杂波等）和干扰（电台干扰、冲击干扰等）的存在，目标回波信号经常被掩盖；再加上高频段目标散射面积随姿态的变化敏感；使得高频地波雷达检测概掩盖；再加上高频段目标散射面积随姿态的变化敏感；使得高频地波雷达检测概率很低，有时甚至连续多个周期不能检测到目标信号。率很低，有时甚至连续多个周期不能检测到目标信号。n n观测精度低：观测精度低：观测精度低：观测精度低：高频雷达距离分辨通常在几公里以上，方位分辨则在几度以上，高频雷达距离分辨通常在几公里以上，方位分辨则在几度以上，这导致雷达对目标位置的估值精度很低，特别是远距离目标，观测位置可能这导致雷达对目标位置的估值精度很低，特别是远距离目标，观测位置可能偏离目标真实位置十几公里。另外，雷达在对抗杂波及干扰时，经常会破坏偏离目标真实位置十几公里。另外，雷达在对抗杂波及干扰时，经常会破坏期望信号的信息，导致估值误差的加大，甚至使目标参数估计出现野值。期望信号的信息，导致估值误差的加大，甚至使目标参数估计出现野值。n n杂波密集：杂波密集：杂波密集：杂波密集：要在低信噪比下获得足够的目标发现能力，必然导致虚假观测要在低信噪比下获得足够的目标发现能力，必然导致虚假观测的增加；杂波和干扰经常会误检为目标，另外在对抗杂波和干扰时也会的增加；杂波和干扰经常会误检为目标，另外在对抗杂波和干扰时也会导致虚假目标的出现。导致虚假目标的出现。第16页，本讲稿共39页地波超视距跟踪特殊性n n真实航迹的形成和维持能力不足，特别是在信噪比较真实航迹的形成和维持能力不足，特别是在信噪比较低干扰较严重的远距离范围，很难及时可靠地发现和低干扰较严重的远距离范围，很难及时可靠地发现和稳定跟踪目标；稳定跟踪目标；n n航迹参数的估计精度较低，在点迹精度较差、常有野值观航迹参数的估计精度较低，在点迹精度较差、常有野值观测干扰的情况下，传统滤波估计算法很难获得满意的估计测干扰的情况下，传统滤波估计算法很难获得满意的估计精度；精度；n n虚假航迹出现的概率较高，受密集杂波的干扰，虚虚假航迹出现的概率较高，受密集杂波的干扰，虚假航迹时有出现，严重影响使用者对监测态势的判假航迹时有出现，严重影响使用者对监测态势的判断。断。第17页，本讲稿共39页仿真评价方法n n蒙特卡洛仿真方法蒙特卡洛仿真方法 Monte Carlo Monte Carlo 仿真方法是通过大量的计算机模拟来检验系统的动态特仿真方法是通过大量的计算机模拟来检验系统的动态特性并归纳出统计结果的一种随机分析方法。用数学方法模拟真实物力性并归纳出统计结果的一种随机分析方法。用数学方法模拟真实物力环境，并验证系统的可靠性与可行性。环境，并验证系统的可靠性与可行性。主要包括随机数的产生、主要包括随机数的产生、Monte Carlo Monte Carlo 仿真设计以及结果解释等。仿真设计以及结果解释等。Monte Carlo Monte Carlo 仿真设计的基本原则是，在比较两种方法的性能时，应尽仿真设计的基本原则是，在比较两种方法的性能时，应尽可能的保证相同的实验条件，即保证相同的仿真序列和相同的随机量测可能的保证相同的实验条件，即保证相同的仿真序列和相同的随机量测误差。误差。另外还应保证试验的可重复性，以使感兴趣或异常的结果能够被详细检查出另外还应保证试验的可重复性，以使感兴趣或异常的结果能够被详细检查出来而不需要重复整个仿真试验。可通过将仿真数据及结果打印或写盘来实现。来而不需要重复整个仿真试验。可通过将仿真数据及结果打印或写盘来实现。n n滤波精度滤波精度n n关联正确与错误表征关联正确与错误表征第18页，本讲稿共39页跟踪评价指标滤波精度滤波精度n n均方根误差均方根误差(RMSE)/(RMSE)/标准偏差标准偏差“误差误差”的的 “平方平方”的的 “平均平均”的的 “二次根二次根”n n有限观测次数、真值未知有限观测次数、真值未知第19页，本讲稿共39页跟踪评价指标关联概率关联概率n n目标正确跟踪百分比目标正确跟踪百分比 如果一个目标某个周期的真实位置与估计位置之间的距离不超过目标一个周期如果一个目标某个周期的真实位置与估计位置之间的距离不超过目标一个周期 之内最大可能之内最大可能运动距离运动距离 ，我们则认为目标被正确跟踪。，我们则认为目标被正确跟踪。定义一个二进制序列表征目标的跟踪状态。如果某个周期存在一条目标真实航定义一个二进制序列表征目标的跟踪状态。如果某个周期存在一条目标真实航 迹，迹，序列对应位置则为序列对应位置则为1 1；如果没有真实航迹，对应位置则为；如果没有真实航迹，对应位置则为0 0。每个周期目标。每个周期目标。正确跟踪百分比通过对各次蒙特卡洛仿真上述二进制序列统计实现。目标正正确跟踪百分比通过对各次蒙特卡洛仿真上述二进制序列统计实现。目标正确跟踪百分比的时间平均，将能提供目标被正确跟踪的时间分数，从而表征确跟踪百分比的时间平均，将能提供目标被正确跟踪的时间分数，从而表征航迹的连续性。航迹的连续性。n n单位时间虚假航迹数单位时间虚假航迹数n n与正确跟踪定义相反，所有那些既不是与正确目标观测关联又不满足上面条件的与正确跟踪定义相反，所有那些既不是与正确目标观测关联又不满足上面条件的确认航迹则被称为虚假航迹。确认航迹则被称为虚假航迹。n n目标正确跟踪百分比越高，单位时间虚假航迹数越少，表明跟踪器性能越好。目标正确跟踪百分比越高，单位时间虚假航迹数越少，表明跟踪器性能越好。第20页，本讲稿共39页目标观测数据模拟n n输入是什么？仿真什么样的模型n n输出是什么？最终形成什么数据第21页，本讲稿共39页目标观测数据模拟n n常速运动模型常速运动模型(CV)(CV)n n模型模型：x=x0+vx*t x=x0+vx*t y=y0+vy*ty=y0+vy*tn n输入输入：x0 x0 y0y0 vxvx vyvyn n输出：输出：n n(r,a)=f(x,y)(r,a)=f(x,y)n n(zr,za)=(r,a)+rand()(zr,za)=(r,a)+rand()第22页，本讲稿共39页目标观测数据模拟n n常加速运动模型常加速运动模型(CA)(CA)n n模型模型：x=x0+vx*t+x=x0+vx*t+*ax*t*t*ax*t*t y=y0+vy*t+y=y0+vy*t+*ay*t*t*ay*t*tn n输入输入：X0,y0X0,y0 vx,vyvx,vy ax,ayax,ayn n输出：输出：n n(r,a)=f(x,y)(r,a)=f(x,y)n n(zr,za)=(r,a)+rand()(zr,za)=(r,a)+rand()第23页，本讲稿共39页目标观测数据模拟n n圆周运动模型圆周运动模型(CT)(CT)n n模型模型：x=x0+(v/w)*cos(wt)x=x0+(v/w)*cos(wt)y=y0+(v/w)*cos(wt)y=y0+(v/w)*cos(wt)n n输入输入：x0,y0 x0,y0 v v w wn n输出：输出：n n(r,a)=f(x,y)(r,a)=f(x,y)n n(zr,za)=(r,a)+rand()(zr,za)=(r,a)+rand()第24页，本讲稿共39页数据处理实验分析n n非合作目标 真值可获取真值可获取 运动不确定运动不确定n n合作目标 真值可获取真值可获取 运动确定运动确定n n实验方法n n实验分析n n数据量要求数据量要求n n数据选择数据选择n n分析指标分析指标第25页，本讲稿共39页仿真实验示例第26页，本讲稿共39页仿真实验示例第27页，本讲稿共39页仿真实验示例第28页，本讲稿共39页仿真实验示例第29页，本讲稿共39页仿真实验示例序号跟踪器平均成功跟踪百分比每小时假航迹数1单频跟踪A51.08%1.272单频跟踪B47.81%1.263航迹融合71.14%2.584前置式点迹融合85.72%11.435内置式点迹融合86.75%11.496后置式点迹融合87.08%12.377硬分区混合式融合84.81%5.558软分区混合式融合86.81%5.66第30页，本讲稿共39页态势显示简介n n正确实时显示目标的航迹及诸参数；正确实时显示目标的航迹及诸参数；n n目标航迹点迹与雷达威力范围的地图背景正确重合目标航迹点迹与雷达威力范围的地图背景正确重合显示，直观表达目标的位置信息；显示，直观表达目标的位置信息；n n提供兴趣目标的选取及单独重点观测手段；提供兴趣目标的选取及单独重点观测手段；n n可随时接入雷达系统，通过以太网实时接收数据处理可随时接入雷达系统，通过以太网实时接收数据处理输出的态势数据参数，并且可随时退出雷达系统；输出的态势数据参数，并且可随时退出雷达系统；n n以文件形式记录接收的雷达态势数据，提供对这些以文件形式记录接收的雷达态势数据，提供对这些文件的检索手段，可重演已记录的全部或者部分数文件的检索手段，可重演已记录的全部或者部分数据或者特定目标；据或者特定目标；n n打印输出功能。打印输出功能。第31页，本讲稿共39页第32页，本讲稿共39页第33页，本讲稿共39页第34页，本讲稿共39页第35页，本讲稿共39页第36页，本讲稿共39页实验课内容n n目的n n实践仿真实验过程实践仿真实验过程 模拟数据模拟数据 MCMC仿真实现仿真实现 结果分析结果分析n n理解理解MCMC仿真思想仿真思想n n掌握仿真实验分析方法掌握仿真实验分析方法n n实验报告提交实验报告提交n n新技术楼新技术楼808808室周共健或新技术楼室周共健或新技术楼807807室尚尚。室尚尚。n n电子版发送至电子版发送至，邮件主题说明。，邮件主题说明。第37页，本讲稿共39页实验课内容n n内容n n可自选可自选n n建议内容建议内容n n模拟模拟CVCV目标，直角坐标观测，两种方法目标，直角坐标观测，两种方法/两种参数两种参数滤波（滤波方法自选），滤波（滤波方法自选），MCMC仿真，仿真，MatlabMatlab编程编程n n感兴趣者可用感兴趣者可用C C语言实现核心模块语言实现核心模块n n验收方式验收方式n n实验报告实验报告n n仿真实验模型（理论）仿真实验模型（理论）n n仿真实验流程（实现）仿真实验流程（实现）n n仿真实验分析及总结（成果）仿真实验分析及总结（成果）n n附核心模块代码或所有附核心模块代码或所有第38页，本讲稿共39页实验课内容n n时间n n周六周六5-65-6、周日、周日9-109-10n n地点n n新技术楼311，研究生实验室n n参考n n蔡庆宇、薛毅、张伯彦。相控阵雷达数据处理及其仿真技术蔡庆宇、薛毅、张伯彦。相控阵雷达数据处理及其仿真技术n n周宏仁。机动目标跟踪周宏仁。机动目标跟踪n n权太范。目标跟踪新理论与技术权太范。目标跟踪新理论与技术n n百度、中国知网、百度、中国知网、IEEEIEEE。n n新技术楼新技术楼808808室，室，86418051-82086418051-820第39页，本讲稿共39页