趙海林,汪永軍

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽 合肥 230031;2.孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031)

0 引 言

船舶雷達(dá)主要用于對(duì)海上目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)與跟蹤、船舶航行導(dǎo)航、航道避碰輔助和航行管理等,海域環(huán)境下雷達(dá)回波復(fù)雜多樣,包含船舶、島嶼、燈塔、浮標(biāo)、岸線等有用目標(biāo),同時(shí)還有海浪雜波、雨雪雜波、同頻有源干擾和系統(tǒng)噪聲等無(wú)用信息[1],船舶雷達(dá)的主要任務(wù)就是最大程度地抑制無(wú)用信息的干擾,保留船舶、島嶼、浮標(biāo)和燈塔等目標(biāo)信息,不僅要解決有用信號(hào)與雜波噪聲的區(qū)別(從噪聲中把有用信號(hào)剔除出來(lái)),降低雜波和虛假目標(biāo)對(duì)真實(shí)目標(biāo)的影響,還要解決量測(cè)數(shù)據(jù)前后時(shí)刻的正確配對(duì)問(wèn)題,這些要求對(duì)數(shù)據(jù)處理的跟蹤性能是極大的考驗(yàn)和挑戰(zhàn)。船舶雷達(dá)按其安裝方式主要分為船載和岸基,岸基雷達(dá)主要應(yīng)用于港口船舶監(jiān)視和交通管理。

本文基于岸基雷達(dá)來(lái)實(shí)時(shí)跟蹤和分析船舶目標(biāo),多目標(biāo)跟蹤一般包括航跡起始、航跡維持和航跡刪除3個(gè)階段。航跡起始(量測(cè)與量測(cè)、凝聚與凝聚、量測(cè)與凝聚點(diǎn)跡之間的正確關(guān)聯(lián))是指未進(jìn)入穩(wěn)定航跡(航跡維持)之前航跡確認(rèn)的過(guò)程,它是多目標(biāo)跟蹤領(lǐng)域中的首要問(wèn)題,也是最為困難的階段,一個(gè)好的航跡起始結(jié)果,不但能夠有效地剔除大量虛假目標(biāo),為航跡維持減輕負(fù)擔(dān),而且能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)新目標(biāo),實(shí)現(xiàn)快速起始。如果航跡起始錯(cuò)誤,則會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)丟失,完全無(wú)法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)視與跟蹤。因此,為了提高目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤的性能和監(jiān)管部門的執(zhí)法效率,搭建了一種基于岸基船舶雷達(dá)多目標(biāo)跟蹤分析系統(tǒng)。

1 工作原理

該系統(tǒng)利用雷達(dá)全天時(shí)、全天候、全方位主動(dòng)探測(cè)的特點(diǎn),根據(jù)目標(biāo)回波及運(yùn)動(dòng)學(xué)特征,采用多元信息關(guān)聯(lián)技術(shù),結(jié)合預(yù)設(shè)區(qū)域劃分、原始點(diǎn)跡處理、暫時(shí)航跡(暫航)過(guò)濾及可信度估計(jì)、特殊目標(biāo)分配處理等數(shù)據(jù)處理分析方法,深入挖掘有價(jià)值的信息,對(duì)不同類型船舶實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)起始和穩(wěn)定跟蹤。分析系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 理論知識(shí)[2]

1.1.1 波門的形狀及尺寸

相關(guān)波門是用來(lái)判斷量測(cè)值是否源自目標(biāo)的決策門限,它是以被跟蹤目標(biāo)的預(yù)測(cè)位置為中心,用來(lái)確定該目標(biāo)下一時(shí)刻觀測(cè)值可能出現(xiàn)范圍的一塊區(qū)域。波門大小主要依賴于：(1)預(yù)測(cè)誤差(航跡外推誤差);(2)正確接收回波的概率(門限概率);(3)雷達(dá)測(cè)量誤差;(4)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)(機(jī)動(dòng))特性;(5)坐標(biāo)系的選擇;(6)天線掃描周期。

落入相關(guān)波門內(nèi)的回波稱為候選回波。比較常見(jiàn)的波門包括環(huán)形波門、橢圓(球)波門、矩形波門和極坐標(biāo)系下的扇形波門[3-5],本文航跡起始主要用環(huán)形波門和橢圓波門外推預(yù)測(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。

1.1.2 系統(tǒng)方程

量測(cè)方程為：

Z(k+1)=H(k+1)X(k+1)+W(k+1)

(1)

式中：Z(k+1)為量測(cè)向量;H(k+1)為量測(cè)矩陣;X(k+1)為狀態(tài)向量;W(k+1)是具有協(xié)方差R(k+1)的零均值、白色高斯量測(cè)噪聲序列。

新息或量測(cè)殘差為：

(2)

量測(cè)的預(yù)測(cè)協(xié)方差(或新息協(xié)方差)為：

S(k+1)=H(k+1)P(k+1|k)H′(k+1)+

R(k+1)

(3)

式中：P(k+1|k)為協(xié)方差的一步預(yù)測(cè);新息協(xié)方差S(k+1)也為對(duì)稱陣,它被用來(lái)衡量新息的不確定性,新息協(xié)方差越小,則說(shuō)明量測(cè)值越精確。

1.2 目標(biāo)區(qū)域劃分

目標(biāo)區(qū)域劃分意義在于：濾除固定地物等不相干目標(biāo)點(diǎn)跡,抑制海岸或島嶼沿邊航行的船舶航跡與陸地目標(biāo)或雜波點(diǎn)跡錯(cuò)誤關(guān)聯(lián),減少數(shù)據(jù)處理的負(fù)荷。

為了提高目標(biāo)跟蹤的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,根據(jù)海圖的經(jīng)緯度位置信息,不提取島嶼、陸地等雜波區(qū)域的原始回波點(diǎn)跡,不參與后續(xù)起始處理,僅對(duì)海域的原始回波提取雷達(dá)點(diǎn)跡,進(jìn)行坐標(biāo)變換后,掛在點(diǎn)跡時(shí)間索引鏈表上進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理。

如圖2和圖3所示,不相干陸地區(qū)(深灰色)不提取雷達(dá)點(diǎn)跡參與數(shù)據(jù)跟蹤處理。

圖2 固定地物雜波(深灰色顯示)

圖3 固定地物雜波濾除

1.3 原始點(diǎn)跡處理

原始點(diǎn)跡處理需要根據(jù)雷達(dá)的距離分辨率和方位分辨率,從雷達(dá)回波中提取出原始點(diǎn)跡的距離厚度和方位寬度,以及其質(zhì)心位置等信息。

1.3.1 原始點(diǎn)跡系數(shù)管理

“原始點(diǎn)跡”是指從雷達(dá)掃描所得到的原始回波中提取的雷達(dá)點(diǎn)跡;“當(dāng)前幀原始點(diǎn)跡”是指從暫時(shí)航跡點(diǎn)跡環(huán)上依次取出的雷達(dá)點(diǎn)跡;“凝聚點(diǎn)跡”是指若干個(gè)原始點(diǎn)跡通過(guò)均值計(jì)算所得到的點(diǎn)跡,由于船舶航速較慢、原始點(diǎn)跡位置易受海浪等海況影響較大,為了更能夠凸顯船舶目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性,提高跟蹤的穩(wěn)定性,因此引入了“凝聚點(diǎn)跡”這個(gè)概念;“綜合相關(guān)因子”是指通過(guò)位置、速度、航向等綜合因素考慮的相關(guān)值,它是由點(diǎn)跡環(huán)上取出的當(dāng)前幀原始點(diǎn)跡與上一幀點(diǎn)跡計(jì)算的重疊系數(shù),或者該點(diǎn)跡與暫時(shí)航跡外推預(yù)測(cè)點(diǎn)跡是否關(guān)聯(lián)決定的;“起始系數(shù)”表示暫時(shí)航跡起始確認(rèn)的系數(shù)值,由綜合相關(guān)因子計(jì)算獲得;“重疊系數(shù)”是指2幀原始點(diǎn)跡在距離和方位上的重疊比例系數(shù)值。

對(duì)于與穩(wěn)定航跡未關(guān)聯(lián)上的原始點(diǎn)跡,判斷該點(diǎn)跡與暫時(shí)航跡是否關(guān)聯(lián),先計(jì)算暫航凝聚點(diǎn)跡所在的扇區(qū),確定相關(guān)的扇區(qū)范圍,其次計(jì)算原始點(diǎn)跡與暫時(shí)航跡的綜合相關(guān)因子值,然后在扇區(qū)內(nèi)獲取相關(guān)最好的2個(gè)暫時(shí)航跡,最后根據(jù)暫時(shí)航跡的幀數(shù)來(lái)選取指定的相關(guān)暫航。也就是說(shuō),如果該點(diǎn)跡同時(shí)與單幀暫時(shí)航跡和多幀暫時(shí)航跡關(guān)聯(lián),則使用多幀暫航相關(guān),并放入暫航的點(diǎn)跡環(huán)中,不考慮單幀暫航了,否則重新建立新的暫時(shí)航跡。

接下來(lái)根據(jù)綜合相關(guān)因子值來(lái)獲取暫時(shí)航跡的起始系數(shù)討論具體獲取過(guò)程。

在暫時(shí)航跡確認(rèn)建立穩(wěn)定航跡的過(guò)程中,將暫時(shí)航跡點(diǎn)跡環(huán)中掛載的原始點(diǎn)跡數(shù)據(jù)一一取出來(lái),然后分2個(gè)方向進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,一個(gè)方向是把點(diǎn)跡環(huán)中取出的若干原始點(diǎn)跡凝聚成一個(gè)點(diǎn)跡,然后把新得到的凝聚點(diǎn)跡與暫時(shí)航跡歷史凝聚點(diǎn)跡的位置、航向、航速等信息進(jìn)行匹配,分析可信度(詳見(jiàn)1.4節(jié)),另一個(gè)方向是計(jì)算該原始點(diǎn)跡與掛載的最佳暫時(shí)航跡的綜合相關(guān)因子值,分析確認(rèn)暫航的起始系數(shù)。綜合相關(guān)因子越大,暫航起始系數(shù)越大,則對(duì)目標(biāo)起始越有利,接下來(lái)敘述具體步驟。

首先判斷當(dāng)前幀原始點(diǎn)跡與暫時(shí)航跡綜合相關(guān)因子值s,而s與點(diǎn)跡幀間的重疊系數(shù)和暫航的預(yù)測(cè)點(diǎn)跡有關(guān)。因?yàn)榇佥^慢,在1個(gè)掃描周期內(nèi),船的位置變化不大,在2幀點(diǎn)跡時(shí)間差別不大的前提下,根據(jù)距離和方位的交集比例情況來(lái)計(jì)算原始點(diǎn)跡幀間的重疊系數(shù),若重疊系數(shù)大于η(η=0.1),則綜合相關(guān)因子值s=1.0+η;若重疊系數(shù)不大于η,則當(dāng)前幀原始點(diǎn)跡與暫時(shí)航跡的預(yù)測(cè)點(diǎn)跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理。設(shè)預(yù)測(cè)點(diǎn)跡與當(dāng)前幀原始點(diǎn)跡之間的徑向距離差為dr,以及方位差為da,若徑向距離差小于原始點(diǎn)跡的距離厚度WR,且方位差小于其方位寬度WA,則有以下公式：

cr=(dr·γ)/WR

(4)

ca=(da·γ)/WA

(5)

于是,綜合相關(guān)因子值為：

γ-cr·P′1-ca·P′2

(6)

式中：P′1,P′2分別是指cr和ca的權(quán)重,P′1=0.6,P′2=0.4;γ是指擴(kuò)張比例系數(shù),γ=1.5。

綜上所述,若綜合相關(guān)因子值s大于1,則暫時(shí)航跡起始系數(shù)累加1;若當(dāng)前幀原始點(diǎn)跡既不與上一幀點(diǎn)跡重疊,又不與暫時(shí)航跡的預(yù)測(cè)點(diǎn)跡關(guān)聯(lián),則暫時(shí)航跡起始系數(shù)給予適當(dāng)?shù)慕档?根據(jù)不同情形,起始系數(shù)及其門限值是動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)整的。當(dāng)暫時(shí)航跡起始系數(shù)≥n1且κ1)。將可信度相對(duì)較大的暫時(shí)航跡的起始系數(shù)門限值n0適當(dāng)?shù)卣{(diào)整為n0-Δ2(Δ2是指起始調(diào)整系數(shù)),若暫時(shí)航跡的起始系數(shù)≥n0或n0-Δ2,再結(jié)合暫航質(zhì)量、暫航過(guò)濾處理及可信度估計(jì),決定是否將暫時(shí)航跡確認(rèn)為穩(wěn)定航跡。

1.3.2 原始點(diǎn)跡質(zhì)量管理

為了降低目標(biāo)起始虛警率,特別是減少雷達(dá)基站或島嶼等附近的虛假目標(biāo)(運(yùn)動(dòng)或固定特性目標(biāo)),需要統(tǒng)計(jì)原始點(diǎn)跡信息(點(diǎn)跡數(shù)量統(tǒng)計(jì)、點(diǎn)跡相關(guān)因子、鄰近因子等),得到凝聚點(diǎn)跡質(zhì)量,最后更新暫時(shí)航跡質(zhì)量。暫航質(zhì)量是作為判斷暫時(shí)航跡確認(rèn)為穩(wěn)定航跡的主要依據(jù)。原始點(diǎn)跡鄰近因子是由最近的暫時(shí)航跡(在所有的暫時(shí)航跡中,與原始點(diǎn)跡最近的2個(gè)暫航)外推預(yù)測(cè)點(diǎn)跡的波門范圍內(nèi)決定的,波門范圍可根據(jù)原始點(diǎn)跡周圍環(huán)境作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。鄰近因子是相關(guān)因子在原始點(diǎn)跡與暫時(shí)航跡預(yù)測(cè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)部分的補(bǔ)充,相關(guān)因子相對(duì)鄰近因子較為嚴(yán)謹(jǐn),鄰近因子主要是在方位和距離上通過(guò)波門關(guān)聯(lián)得到的,較為直觀。

在原始點(diǎn)跡與穩(wěn)定航跡不相關(guān)的前提下,原始點(diǎn)跡首先通過(guò)相關(guān)因子來(lái)尋找暫時(shí)航跡,若能找到最好的1個(gè)或2個(gè)暫時(shí)航跡,則掛在對(duì)應(yīng)的點(diǎn)跡環(huán)上,若通過(guò)相關(guān)因子找不到,接下來(lái)通過(guò)鄰近因子來(lái)尋找最近的1個(gè)或2個(gè)暫航,找到則掛在暫航點(diǎn)跡環(huán)上,找不到則以該點(diǎn)跡重新建立暫時(shí)航跡。

點(diǎn)跡環(huán)上點(diǎn)跡性質(zhì)分為2類,一類原始點(diǎn)跡與暫時(shí)航跡的相關(guān)因子大于ρ(ρ=0.5),另一類原始點(diǎn)跡與暫時(shí)航跡預(yù)測(cè)點(diǎn)跡之間距離在動(dòng)態(tài)參數(shù)g_distance范圍(波門門限)內(nèi),其鄰近因子值為ρ,由于雷達(dá)2.5 s掃描1幀,在雷達(dá)點(diǎn)跡不丟失的前提下,20 s凝聚周期內(nèi)共有8幀原始點(diǎn)跡。如原始點(diǎn)跡數(shù)量不大于2幀,則判斷為雜波點(diǎn),凝聚點(diǎn)跡質(zhì)量為0,暫時(shí)航跡在更新周期內(nèi)作丟點(diǎn)處理;如原始點(diǎn)跡數(shù)量不少于7幀,則凝聚點(diǎn)跡質(zhì)量為較大值,設(shè)為8×ρ,此時(shí)不考慮原始點(diǎn)跡的相關(guān)因子值和鄰近因子值。

按照原始點(diǎn)跡因子(相關(guān)因子或鄰近因子)最低ρ、最多6幀計(jì)算,凝聚點(diǎn)跡質(zhì)量不小于6×ρ的點(diǎn)跡為最優(yōu)凝聚點(diǎn)跡。若連續(xù)2個(gè)凝聚點(diǎn)跡都是最優(yōu)的,則2“幀”(相關(guān)成功掃描數(shù))快速起始,否則按照凝聚點(diǎn)跡質(zhì)量最低門限3×ρ,連續(xù)共5幀,當(dāng)暫時(shí)航跡質(zhì)量(所有凝聚點(diǎn)跡質(zhì)量之和)不小于15×ρ,并且暫航可信度滿足準(zhǔn)則,則給予起始(詳見(jiàn)1.4節(jié))。

目標(biāo)原始點(diǎn)跡處理流程如圖4、圖5所示。

圖4 原始點(diǎn)跡系數(shù)管理

圖5 原始點(diǎn)跡質(zhì)量管理

1.4 暫航過(guò)濾處理及可信度估計(jì)

1.4.1 暫航過(guò)濾處理

為了降低暫航起始的虛警率,以及暫航與數(shù)據(jù)錯(cuò)誤關(guān)聯(lián)的負(fù)荷,暫航過(guò)濾處理主要是從整體特征考慮,對(duì)于明顯不滿足目標(biāo)特性的暫航,給予刪除過(guò)濾處理,具體分為以下步驟。

步驟一：暫時(shí)航跡丟點(diǎn)(凝聚點(diǎn)跡)情況分類判別。

以雷達(dá)掃描的第1幀點(diǎn)跡為航跡頭,建立1批新的暫時(shí)航跡,在若干雷達(dá)掃描周期內(nèi),對(duì)后續(xù)凝聚點(diǎn)跡的丟點(diǎn)情況進(jìn)行分類判別,剔除干擾的虛假目標(biāo)。

若在雷達(dá)累計(jì)10次凝聚周期內(nèi),依次統(tǒng)計(jì)凝聚點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)的計(jì)數(shù)值與雷達(dá)累計(jì)凝聚周期數(shù)(3～10)的比例不小于2/3的航跡,則繼續(xù)步驟二判別;若連續(xù)3幀未收到凝聚點(diǎn)跡或者累計(jì)10次凝聚周期,還不能夠起始成穩(wěn)定航跡的暫航,則判斷為虛假航跡,因而刪除暫時(shí)航跡,不再繼續(xù)之后的判斷;對(duì)于其他丟點(diǎn)情況,根據(jù)已有的點(diǎn)跡位置信息計(jì)算速度或加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù),進(jìn)行外推補(bǔ)點(diǎn)處理,繼續(xù)進(jìn)行點(diǎn)跡數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析。具體分類如表1、表2所示。

表1 3～6次凝聚周期統(tǒng)計(jì)比例

表2 7～10次凝聚周期統(tǒng)計(jì)比例

步驟二：目標(biāo)航速、航向、加速度波動(dòng)性判別。

設(shè)zi(k),i=1,…,mk為k時(shí)刻的第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)跡,Z(k)為第k幀掃描得到的量測(cè)集,即

Z(k)={z1(k),…,zmk(k)}

(7)

式中：?zi(k)∈Z(k),i=1,…,mk。

(8)

(9)

于是,最小和最大航行距離分別為

(10)

(11)

基于(1)、(2),本步驟航速和航向主要根據(jù)方差來(lái)分析目標(biāo)跟蹤的穩(wěn)定性,目標(biāo)加速度波動(dòng)性是通過(guò)當(dāng)前加速度比前一次加速度增加或減少的百分?jǐn)?shù)來(lái)分析的。在雷達(dá)連續(xù)掃描5幀的周期內(nèi),以4個(gè)量測(cè)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)為例,即第3幀丟點(diǎn)(原始點(diǎn)跡),該量測(cè)點(diǎn)跡沒(méi)有落入預(yù)設(shè)波門區(qū)域Δr1(1),則航速

Vr1(1—2)=Rr1(1—2)/T

(12)

Vr1(2—4)=Rr1(2—4)/2T

(13)

Vr1(4—5)=Rr1(4—5)/T

(14)

其加速度為：

(15)

(16)

假設(shè)雷達(dá)掃描第N幀的量測(cè)點(diǎn)跡位置為(XN,YN),則目標(biāo)航向?yàn)椋?/p>

(17)

(18)

(19)

綜上計(jì)算,航速的方差為：

(20)

航向的方差為：

(21)

目標(biāo)航速、航向、加速度波動(dòng)性需同時(shí)滿足條件：

(22)

式中：Vφ=0.1,θφ=100°,σ=5%,分別為航速、航向和加速度波動(dòng)性方差門限閾值,不滿足上述條件之一的暫航,可認(rèn)為它是由雜波引起的虛假航跡。

以上過(guò)程如圖6所示。

圖6 目標(biāo)跟蹤顯示

1.4.2 暫航可信度估計(jì)

結(jié)合以上暫航虛警率檢測(cè),接下來(lái)估計(jì)目標(biāo)特性的可信度ψ,以提高目標(biāo)起始的準(zhǔn)確性及跟蹤的穩(wěn)定性,降低海岸、島嶼、海浪雨雪等雜波干擾引起的虛警。

在暫時(shí)航跡確認(rèn)穩(wěn)定航跡過(guò)程中,若本次處理未收到凝聚點(diǎn)跡數(shù)據(jù),則進(jìn)行丟點(diǎn)處理,當(dāng)暫航丟點(diǎn)個(gè)數(shù)不小于雷達(dá)成功掃描相關(guān)數(shù),或者丟點(diǎn)個(gè)數(shù)過(guò)多(一般不少于3)時(shí),判斷其為虛假航跡,給予暫航刪除處理,對(duì)于不滿足丟點(diǎn)刪除的暫航,進(jìn)行外推補(bǔ)點(diǎn)處理。根據(jù)原始點(diǎn)跡所在環(huán)境進(jìn)行可信度度量,即指定暫時(shí)航跡點(diǎn)跡環(huán)上最近的原始點(diǎn)跡在2 km范圍內(nèi),搜索統(tǒng)計(jì)暫航與穩(wěn)定航跡點(diǎn)跡環(huán)上最近的原始點(diǎn)跡(2個(gè)原始點(diǎn)跡位于同幀內(nèi))數(shù)量之和。若≥?1,則記為暫航起始禁區(qū)(強(qiáng)雜波區(qū));若≮?2且

對(duì)于未刪除的暫航進(jìn)行暫時(shí)航跡更新處理,可信度初始化值ψ=η,暫時(shí)航跡每更新一次,默認(rèn)可信度增加(η1+η2+η3)。對(duì)于當(dāng)前最近凝聚點(diǎn)跡,若它只與上一個(gè)凝聚點(diǎn)跡計(jì)算的速度或航向發(fā)生異常,暫航可信度增加(η2+η3);若它只與前第3個(gè)凝聚點(diǎn)跡計(jì)算的速度或航向發(fā)生異常,暫航可信度增加(η1+η3);若暫航當(dāng)前連續(xù)2個(gè)凝聚點(diǎn)計(jì)算的均值速度只是變化太慢或太快(將均值速度與快速或慢速門限值比較),暫航可信度增加(η1+η2),其中,快速門限值和慢速門限值是根據(jù)連續(xù)2個(gè)凝聚點(diǎn)跡之間的航向來(lái)劃分界定,航向偏角過(guò)大,慢速門限值調(diào)大,快速門限值調(diào)小;若連續(xù)2次航向(根據(jù)連續(xù)2個(gè)凝聚點(diǎn)跡計(jì)算所得)偏轉(zhuǎn)度不小于直角,則本次暫時(shí)航跡更新過(guò)程中,可信度不增加。

部分過(guò)程具體如下：令Pi(i=1,…,10)是暫時(shí)航跡從最近凝聚點(diǎn)跡P1開(kāi)始的第i個(gè)凝聚點(diǎn),依次計(jì)算連續(xù)2個(gè)凝聚點(diǎn)(P1與P2,P2與P3,P3與P4)之間的速度和航向分別為Vk1[0],Vk1[1],Vk1[2]和Ck1[0],Ck1[1],Ck1[2];同理,從最近凝聚點(diǎn)跡開(kāi)始,依次計(jì)算前3個(gè)凝聚點(diǎn)(P1與P4,P4與P7,P7與P10)之間的速度和航向分別為Vk3[0],Vk3[1],Vk3[2]和Ck3[0],Ck3[1],Ck3[2]。

對(duì)于連續(xù)2個(gè)凝聚點(diǎn)跡之間的航速、航向同時(shí)滿足：

(23)

則暫航可信度增加(η2+η3),其中,MaxS1、MaxC1分別是連續(xù)2個(gè)凝聚點(diǎn)跡的最大航速、航向差(MaxS1=10 m/s,MaxC1=45×π/180)。

對(duì)于前3個(gè)凝聚點(diǎn)跡的航速、航向同時(shí)滿足：

(24)

則暫航可信度增加(η1+η3),其中,MaxS3,MaxC3分別是前3個(gè)凝聚點(diǎn)跡的最大航速、航向差(MaxS3=5 m/s,MaxC3=25×π/180)。

根據(jù)目標(biāo)速度門限,判斷暫時(shí)航跡最近均值速度是否過(guò)快或過(guò)慢。首先目標(biāo)慢速門限值和快速門限值分別默認(rèn)為：MinSlow1=2.0,MaxFast1=16.5。

若暫航最近凝聚點(diǎn)跡與上一個(gè)點(diǎn)跡的航向發(fā)生異常,則慢速目標(biāo)門限值調(diào)大,快速目標(biāo)門限值調(diào)小,即：MinSlow2=2.5,MaxFast2=10.5。

當(dāng)暫航最近更新的均值速度小于慢速目標(biāo)門限值,或大于快速目標(biāo)門限值,則暫航可信度增加(η1+η2)。

接下來(lái)初始化可信度門限值[η+3×(η1+η2+η3)]和起始系數(shù)門限值n0。根據(jù)不同情形,可信度門限值是動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)整的,若暫時(shí)航跡與首點(diǎn)計(jì)算的速度較小(慢速目標(biāo)),則可信度門限值增加δ1;若暫時(shí)航跡起始系數(shù)不小于n0,則可信度門限值相應(yīng)減小Δ1;若暫時(shí)航跡可信度不小于[η+3×(η1+η2+η3)],則起始系數(shù)門限也相應(yīng)減小Δ2。最后進(jìn)行暫時(shí)航跡起始確認(rèn)判斷：

(1) 暫時(shí)航跡可信度不小于其門限,并且起始系數(shù)不小于其門限;

(2) 暫航連續(xù)2次凝聚點(diǎn)跡為最優(yōu)點(diǎn);

(3) 暫航質(zhì)量不小于15×ρ,且滿足預(yù)設(shè)的可信度門限值。

若滿足以上條件之一的,則起始確認(rèn)為穩(wěn)定航跡,并且刪除該暫時(shí)航跡。

1.5 特殊目標(biāo)分配處理

對(duì)不同特征情形目標(biāo)進(jìn)行分類特殊處理。

(1) 對(duì)于慢速目標(biāo)而言,在暫時(shí)航跡與首點(diǎn)距離較小的前提下,若與首點(diǎn)速度較小,或與首點(diǎn)距離小于航程的λ倍(λ是徘徊系數(shù),0<λ≤0.6),并且不滿足其他起始準(zhǔn)則,則本幀暫航慢速系數(shù)增加。對(duì)于非慢速目標(biāo),暫航慢速系數(shù)相應(yīng)減小,當(dāng)慢速系數(shù)大于一定值時(shí),則抑制目標(biāo)起始。該方法既能減少虛假目標(biāo)的起始,又能快速檢測(cè)出慢速目標(biāo)。

(2) 對(duì)于固定目標(biāo)而言,主要通過(guò)計(jì)算固定暫時(shí)航跡質(zhì)量、統(tǒng)計(jì)固定原始點(diǎn)跡數(shù)量以及凝聚點(diǎn)跡丟點(diǎn)處理來(lái)判斷起始。由于固定目標(biāo)位置和回波特性相對(duì)雜波點(diǎn)跡比較穩(wěn)定,因此通過(guò)距離(雷達(dá)目標(biāo)分辨距離)進(jìn)行點(diǎn)跡與暫時(shí)航跡關(guān)聯(lián)。點(diǎn)跡環(huán)上凝聚過(guò)程中的暫時(shí)航跡丟點(diǎn)處理,以及暫航維持時(shí)間過(guò)長(zhǎng)處理情況類似于運(yùn)動(dòng)特性目標(biāo),其他兩種判定情況如下：

(a) 統(tǒng)計(jì)凝聚周期的點(diǎn)跡數(shù)及點(diǎn)跡質(zhì)量,計(jì)算暫航質(zhì)量,若固定暫航質(zhì)量不小于15×ρ,則固定暫航起始;

(b) 若取出的原始點(diǎn)跡與暫航點(diǎn)跡環(huán)上最近原始點(diǎn)跡屬于不同幀,且在2幀時(shí)間范圍內(nèi)的前提下,則累計(jì)1,并統(tǒng)計(jì)固定目標(biāo)原始點(diǎn)跡數(shù)量,若數(shù)量不小于5,則給予固定暫航起始為穩(wěn)定航跡。

(3) 對(duì)于點(diǎn)跡質(zhì)量不高的數(shù)據(jù)源,由于量測(cè)點(diǎn)跡誤差,在距離或方位上重疊的多個(gè)雷達(dá)點(diǎn)跡的分裂目標(biāo)的處理方法：

由暫時(shí)航跡點(diǎn)跡環(huán)上最近原始點(diǎn)跡位置(原始方位A0和原始距離R0)以及距離厚度WR、方位寬度WA來(lái)計(jì)算開(kāi)始距離、結(jié)束距離、開(kāi)始方位以及結(jié)束方位,過(guò)程如下,

開(kāi)始方位：

Abgn=A0-WA/2

(25)

結(jié)束方位：

Aend=A0+WA/2

(26)

若開(kāi)始方位Abgn<0,則Abgn=Abgn+2π;若開(kāi)始方位Abgn≥2π,則Abgn=Abgn-2π。

開(kāi)始距離：

Rbgn=R0-max(60,WR)/2

(27)

結(jié)束距離：

Rend=R0+max(60,WR)/2

(28)

不妨令暫時(shí)航跡此時(shí)的可信度為(η+Ω),在暫航最近凝聚點(diǎn)跡所在的扇區(qū)里搜索穩(wěn)定航跡,在搜索到的前提下,若該暫航點(diǎn)跡環(huán)上的最近幀原始點(diǎn)跡位于穩(wěn)定航跡濾波位置的較小區(qū)域范圍(雷達(dá)原始回波的分辨距離)內(nèi),則暫航可信度降低了Ω/2;若由穩(wěn)定航跡濾波位置計(jì)算出的距離和航向都位于原始點(diǎn)跡的開(kāi)始距離與結(jié)束距離之間,開(kāi)始方位與結(jié)束方位之間,則暫時(shí)航跡可信度降低為初始默認(rèn)值(ψ=η)。上述方法是對(duì)暫時(shí)航跡延遲處理,嚴(yán)格暫航起始條件,抑制近距離目標(biāo)分裂起始。

對(duì)于上述情形的一種特例,即虛假的雙拖漁船問(wèn)題,在暫時(shí)航跡最近凝聚點(diǎn)跡所在的扇區(qū)內(nèi)尋找穩(wěn)定航跡,若穩(wěn)定航跡與該暫時(shí)航跡之間的航速、航向差不多,而且始終并向航行,當(dāng)搜索到的穩(wěn)定航跡與該暫時(shí)航跡之間的距離<距離門限,則暫時(shí)航跡延遲判斷起始。其中,該距離門限是由雷達(dá)的分辨性能決定的。

2 結(jié) 論

基于岸基雷達(dá)多目標(biāo)跟蹤分析系統(tǒng),對(duì)ARM處理器檢測(cè)提取送過(guò)來(lái)的雷達(dá)(原始)點(diǎn)跡進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與跟蹤分析處理?？傮w航跡起始情況如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)航跡起始概況

如圖8所示,由于雷達(dá)基站附近有大量若隱若現(xiàn)的雜波點(diǎn)跡(海浪、雨雪雜波等),本系統(tǒng)能夠根據(jù)點(diǎn)跡質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性,對(duì)雜波和目標(biāo)特征進(jìn)行分析處理,通過(guò)量測(cè)點(diǎn)跡與量測(cè)點(diǎn)跡關(guān)聯(lián),點(diǎn)跡與航跡數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)來(lái)抑制雜波引起的虛警率,防止虛假目標(biāo)的起始,提高目標(biāo)跟蹤的穩(wěn)定度。

圖8 雜波干擾抑制

如圖9所示,本系統(tǒng)能夠?qū)^有規(guī)律的目標(biāo)快速起始,提高目標(biāo)起始的準(zhǔn)確率,防止真實(shí)目標(biāo)跟蹤的丟失。

圖9 規(guī)律目標(biāo)快速起始

如圖10所示,同一目標(biāo)被不同雷達(dá)探測(cè)到,本系統(tǒng)受方位偏差導(dǎo)致同幀送來(lái)不同位置雷達(dá)點(diǎn)跡而出現(xiàn)虛假目標(biāo)的干擾性小。

圖10 虛假雙拖漁船抑制

圖11是船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)目標(biāo)和雷達(dá)目標(biāo)并排航行,屬于雙拖漁船,通過(guò)本分析系統(tǒng)可提高辨別真實(shí)和虛假雙拖的能力,提高起始的準(zhǔn)確性和跟蹤的穩(wěn)定性,降低虛警率。

圖11 雙拖漁船檢測(cè)

3 結(jié)束語(yǔ)

航跡起始是多目標(biāo)跟蹤中的首要問(wèn)題,雜波環(huán)境下航跡起始處理最為復(fù)雜[6],目標(biāo)的跟蹤處理尤其存在難度[7],目標(biāo)快速起始的高準(zhǔn)確率和降低虛警率通常是矛盾的。因此,根據(jù)目標(biāo)在不同雜波強(qiáng)度區(qū)域、點(diǎn)跡特性和運(yùn)動(dòng)學(xué)統(tǒng)計(jì)特征,充分挖掘點(diǎn)跡數(shù)據(jù)的有用信息,采用不同的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)策略,進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化處理,能提高雜波區(qū)目標(biāo)正確起始概率,降低雜波或目標(biāo)密集環(huán)境下的目標(biāo)跟蹤丟失現(xiàn)象,有效地抑制雜波引起的虛假航跡,同時(shí)保證了多目標(biāo)的快速起始和穩(wěn)定跟蹤,為近海船舶監(jiān)視系統(tǒng)提供了一種較為全面新穎的目標(biāo)跟蹤方法,為海洋漁業(yè)執(zhí)法大隊(duì)提供了有力的監(jiān)管手段,在工程上具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。