密集杂波环境下基于距离-多普勒的外辐射源多目标跟踪

The passive bistatic radar (PBR) system has many advantages, such as lower cost of energy, high concealment, rich signal sources and strong anti-interference ability. Multiple target tracking in PBR system has gained more and more attention by many scholars and organizations all over the world in these years. However, targets’ initial states are unknown due to the lack of angle measurements. On the other hand, because of the appearance of dense clutter and the characteristic of tracking system, there are still many annoying problems, such as data association uncertainty, measurements disorder and lost, need to be resolved at present for the range-Doppler measurements based PBR system. Based on the measurement model and hypothesis of the probabilistic multiple hypothesis tracking theory, this project proposes a multiple target tracking initiation method for the PBR system in the dense clutter environment. The targets' initial positions and velocities are acquired by maximizing targets’ complete data likelihood function. Then, the project takes the time as unobservable data, and studies on the multiple tracking problem on the condition of measurements disorder and lost. Finally, the FKIE radar data and the real data experiments are implemented to test and verify the proposed methods. This research achievements can provide theoretical and technical support for the military and civilian target tracking system, such as aerospace surveillance, distant early warning and aerospace transportation.

外辐射源雷达系统具有成本低、隐蔽性强、信号源丰富、抗干扰能力强等优点，利用其开展多目标跟踪受到国内外的普遍关注。由于缺乏角度信息，基于距离-多普勒的跟踪系统无法获得目标的初始状态信息。另外，由于杂波干扰以及系统设计等原因，系统会产生数据关联模糊、量测数据延迟和丢失等问题，给高精度跟踪带来很大挑战。针对以上问题，本项目拟基于概率多假设跟踪理论的量测模型和假设条件，研究密集杂波环境下基于距离-多普勒信息的外辐射源多目标跟踪状态初始化方法，通过寻找相应目标完备数据似然函数最大值的方法来确定目标的初始位置和速度；在此基础上将时间变量作为不可观测数据，研究量测数据同时发生延迟和丢失情况下的跟踪问题，并结合FKIE雷达数据与实验验证所建立跟踪方法的有效性。项目的研究成果可为空域监控和远程预警等军事系统以及交通、航天等民用跟踪系统提供理论和技术支撑。

多目标检测与跟踪是战场侦察监视系统的主要任务之一，雷达系统作为战场环境感知的重要手段之一，受电磁环境影响更加突出。与传统有源雷达相比，外辐射源多基地雷达系统具有结构简单、成本低、隐蔽性强、信号源丰富、抗干扰能力强等优势，利用其开展多目标跟踪受到国内外的普遍关注。本项目研究内容包括：密集杂波环境下外辐射源多目标初始状态估计方法；量测数据发生丢失情况下的不完全量测多目标跟踪方法。. 项目执行期间，突破了如下关键技术：针对复杂电磁环境下（杂波个数很多）外辐射源雷达多目标跟踪初始化问题，采用概率多假设跟踪的量测模型和独立性假设条件，通过寻找相应目标完备数据似然函数最大值的方法来确定目标位置和速度的初始值。对于目标航迹点的确认和消除问题，如果目标航迹的连续多个量测数据中的几个量测权重之和大于某一设定门限，并且目标协方差的估计值小于相应的设定门限，则认为该航迹为确定航迹，否则消除该航迹点。针对复杂电磁环境下外辐射源雷达多目标跟踪量测数据缺失问题，本研究引入一个新的关联变量来表示发射机和量测之间的数据关联关系，提出了改进的目标-量测-发射机三维数据关联概率多假设跟踪算法。通过将距离-多普勒设定为均值相同协方差不同的混合高斯分布提高了多目标跟踪精度。针对外辐射源跟踪系统的距离-多普勒量测非线性问题，采用无迹卡尔曼平滑算法进行多目标状态估计。通过真实实验数据验证发现，对于外辐射源FKIE雷达数据集，改进的目标-量测-发射机三维数据关联概率多假设跟踪算法有很强的抗杂波性能。. 本项目所取得的相关研究成果可为复杂电磁环境下外辐射源雷达多目标跟踪问题提供有效的技术途径，有助于提升我方军事防御系统对复杂战场环境的感知能力和对敌方目标的精确打击能力，为新一代国防防御系统的研制提供技术支撑，以适应未来复杂的电子战争需求。