天基预警雷达微弱动目标检测跟踪方法研究.doc

天基预警雷达微弱动目标检测跟踪方法研究预警雷达针对陆地、海洋、空中以及空间等非合作的威胁目标进行监测、态势预判是非常有必要的,在军事、民用方面都有广泛的应用。可是存在强杂噪背景中动目标监测性能急剧降低的问题,很多研究者对此进行了多方面的研究。为了提高信噪比(SignaltoNoiseRatio,SNR)增长积累时间是一类常见方法,可是对于远距离高速运动、机动目标,往往会出现距离走动弯曲、方位散焦等问题,使得传统算法性能明显降低。检测前跟踪技术(TrackBeforeDetect,TBD)通过对多帧图像数据进行相关处理,非常适于低SNR背景中的动目标检测跟踪。此外,考虑扩展目标,需要利用扩展目标大部分能量进行积累的同时识别目标,并充分挖掘信息,以便对目标态势进行估判。本文紧密围绕天基预警雷达监测微弱运动目标时遇到的一些问题,对星载雷达目标跟踪模式选择、低信噪比条件下的图像域目标航迹可靠起始、递推更新的检测跟踪一体化处理以及邻近岸水域舰船目标检测跟踪等关键问题进行了深入研究。具体工作安排如下:1.由于天基预警监视跟踪技术涉及轨道运动,其观测方式存在目标跟踪模式的选择问题,论文给出两种跟踪模式,并从误差传递特性和运动模型建立两方面分析两种跟踪模式的优劣。首先建立了星载雷达跟踪目标所需的坐标系,其次给出了先转换后绝对运动状态跟踪和先相对运动状态跟踪后转换两种模式,再次分析了两种模式的测量误差传递特性以及状态模型建立的难易程度;最后对两种模式的跟踪精度进行了仿真实验。仿真结果表明,相比在测量坐标系下先跟踪相对运动状态后转换模式而言,先转换后在惯性坐标系下跟踪绝对运动状态的性能获得明显改善。研究结果能为星载雷达对目标跟踪模式的选择提供设计依据。2.针对空中高速微弱运动目标航迹可靠起始问题,提出了一种融合图像处理及曲线拟合的多目标航迹起始方法。在对雷达回波进行处理获得距离-时间图像的基础上,利用相位一致性模型检测边缘,结合自适应区域生长技术提取具有一致性边缘走向的连通区域;采用clearing技术和迭代最小二乘方法估计目标运动轨迹和运动参数。仿真结果表明:该算法即使在信噪比低至4dB时,也能准确起始多目标航迹。3.结合TBD和跟踪思想,提出基于递推更新的检测跟踪一体化的两种方法。方法一首先对有限步记忆的N帧原始数据进行航迹起始批处理操作,得到目标点迹集合;然后依据目标轨迹状态方程进行各目标轨迹状态预测,并自适应确定下一次检测窗的大小和位置;最后对重叠部分进行航迹融合操作,提高航迹跟踪精度,实现检测跟踪一体化处理。方法二进一步利用先验信息,对各可能方向设置不同的权重。首先针对多帧原始数据进行非参数化的航迹起始批处理操作,得到目标点迹集合;然后依据实时更新的目标轨迹状态参数和量测误差设计相应的参数化轨迹增强算子;最后结合当前量测并使用参数化轨迹增强方法进行预测跟踪。该方法在轨迹增强操作时充分利用了多帧的量测和状态,具有闭环反馈特性,能够提高检测跟踪准确度和精度,在低信噪比条件下实现检测跟踪一体化处理。两种方法均采用计算机仿真进行了验证,相比传统先检测后跟踪的跟踪前检测方法在性能上有明显提高,稳定跟踪的信噪比能够改善6dB;相比检测前跟踪批处理方法在实时性上更优,且在性能上近似。4.针对近岸水域广域监视舰船目标检测跟踪问题,首先结合模糊杂波幅度、相位的直方图统计特性以及区域分割的非均匀杂波样本挑选,进行模糊杂波抑制,利于后续的恒虚警检测,使原本淹没在模糊杂波中的舰船目标能够被检测到;然后利用近岸水域背景图像的特点,提出了联合尺度不变特征变换/陆水区域分割的配准算法,对多帧不同视角的近岸水域背景图像进行配准;最后针对运动参数不匹配导致的距离走动、方位散焦类扩展目标跟踪问题,分析此类扩展目标的形状参数与运动状态之间的紧密关系,提出一种交互形状运动参数的扩展目标跟踪方法。计算机仿真验证了该算法的有效性。