目標跟蹤新理論與技術

前言

　　1948年，美國麻省理工學院研制的“雷達自動跟蹤”和“火炮指揮儀”問世以來，目標跟蹤理論和技術經(jīng)歷了輝煌的歷程，形成了經(jīng)典的維納濾波（頻域法）和近代卡爾曼濾波（狀態(tài)空間法）兩大理論體系。前者是20世紀40年代維納創(chuàng)建的控制理論，后者是20世紀60年代卡爾曼創(chuàng)建的線性系統(tǒng)最優(yōu)控制理論。通常人們把這兩大理論體系的形成看作是目標跟蹤理論走向發(fā)展和成熟的標志。目前，卡爾曼濾波理論基本替代了維納濾波理論，經(jīng)典的維納濾波方法不再適應于現(xiàn)代目標跟蹤系統(tǒng)的需求。這一演變（變化和發(fā)展）完全符合達爾文進化論的規(guī)律。因為一種理論可以進化、發(fā)展，也可以退化、衰亡。然而對于目標跟蹤理論體系來說，維納提出的濾波思想仍然具有重要的理論意義和指導意義?？柭窃诰S納濾波理論基礎上創(chuàng)建了狀態(tài)空間線性系統(tǒng)理論。這一理論的創(chuàng)建為最優(yōu)控制、最優(yōu)估計、最優(yōu)跟蹤、最優(yōu)制導律等理論的構造提供了堅實的理論基礎和基本框架?？柭鼮V波理論誕生近半個世紀以來，在國內(nèi)外相繼出版了很多有關目標跟蹤方面的專著。這些專著可分為兩大類：一類是以卡爾曼濾波理論為主導的多目標單傳感器跟蹤理論和技術；另一類是以數(shù)據(jù)融合為主導的多目標多傳感器跟蹤理論和技術。但是近10多年來，隨著交叉學科的蓬勃發(fā)展，尤其是隨著目標跟蹤理論和智能信號處理理論（包括軟計算）相結(jié)合以及網(wǎng)絡化概念和網(wǎng)絡平臺（如網(wǎng)絡中心戰(zhàn)）技術的發(fā)展，目標跟蹤理論和技術研究面臨新的挑戰(zhàn)，并且促使人們開展目標跟蹤新理論、新方法的研究。這是一種正反饋，它推動著新的研究領域發(fā)展和新技術形成，演變出新的理論，而關注和掌握這一新思路、新理論、新發(fā)展是每一位研究人員的追求，也是掌握科學發(fā)展制高點的關鍵。從20世紀80年代初開始，作者一直在從事兩院院士劉永坦教授主持的新體制雷達系統(tǒng)研制工作。20多年來，我所研究人員在新體制雷達研究和研制過程中做了大量的工作，并取得了很多成果。這一新體制雷達的研制成功使我國在國際上占有一席之地。在新體制雷達研究期間，作者一直在探索如何通過目標跟蹤理論和智能信號處理理論相結(jié)合解決在復雜干擾背景下多目標跟蹤問題。

內(nèi)容概要

十多年來，隨著最優(yōu)估計理論和近代智能信號處理理論的發(fā)展，目標跟蹤理論與技術有了新的發(fā)展。本書介紹本領域最新理論和方法，并收入了作者發(fā)表的80多篇論文。全書共分五大部分15章。    第一部分是基本理論。包括跟蹤系統(tǒng)的基本概念和模型（第1章）、最優(yōu)估計理論（第2章）以及機動目標模型（第3章）。    第二部分是數(shù)據(jù)關聯(lián)（第4章）與跟蹤濾波（第5章）。這是目標跟蹤系統(tǒng)的兩個基本問題。在數(shù)據(jù)關聯(lián)處理方面重點介紹概率聯(lián)合關聯(lián)處理的幾種新方法，在跟蹤算法方面重點介紹多模型算法和編隊跟蹤算法。    第三部分是專題討論，共8個專題。包括快速跟蹤（第6章）；魯棒跟蹤（第7章）；多傳感器融合跟蹤（第8章）；神經(jīng)網(wǎng)絡目標跟蹤（第9章）；彈道導彈跟蹤與預測（第10章）；干擾機多傳感器關聯(lián)與定位（第11章）；無源定位系統(tǒng)信息融合（第12章）；網(wǎng)絡中心戰(zhàn)航跡合成（第13章）。    第四部分是工程實現(xiàn)（第14章）。本章以某雷達數(shù)據(jù)處理器研究為背景，介紹多目標跟蹤系統(tǒng)工程設計與實現(xiàn)問題。    第五部分是展望（第15章）。介紹了近幾年來多目標跟蹤領域關心的四個專題，以幫助讀者進一步了解多目標跟蹤前沿性課題。      本書選材廣泛，內(nèi)容新穎，突出實現(xiàn)和應用，適用于從事目標跟蹤、智能信息處理和控制研究工作的工程技術人員和研究生閱讀、參考，也可以作為高等院校有關專業(yè)的教學參考書。

作者簡介

權太范，朝鮮族，1949年10月生，吉林省龍井市人。1977年清華大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)畢業(yè)，1983年哈爾濱工業(yè)大學自動控制學科研究生畢業(yè)?，F(xiàn)任哈爾濱工業(yè)大學電子與信息研究院教授，博士生導師，曾任系主任、副所長等職務。二十多年來一直從事兩院院士劉永坦教授主持的新體制雷達研究。研究方向為目標跟蹤與數(shù)據(jù)融合、智能信號處理、非線性信號處理、最優(yōu)控制等。先后開設現(xiàn)代控制、最優(yōu)估計與目標跟蹤、神經(jīng)網(wǎng)絡與混沌信號處理、小波信號處理、多傳感器信息融合等課程。曾獲航天工業(yè)部科技進步一等獎（1987年）、國家科技進步一等獎（1992年）、多項省部級科技進步二等獎和三等獎，發(fā)表論文100余篇，出版專著一部。

書籍目錄

第1章　緒論  1.1  引言  1.2　多目標跟蹤系統(tǒng)基本原理  1.3　多目標跟蹤系統(tǒng)基本問題  1.4　典型的多目標跟蹤系統(tǒng)    1.4.1　邊掃描邊跟蹤雷達目標跟蹤系統(tǒng)    1.4.2　相控陣雷達目標跟蹤系統(tǒng)    1.4.3　雙基地雷達目標跟蹤系統(tǒng)    1.4.4　多目標多傳感器跟蹤系統(tǒng)  1.5　本書概貌  小結(jié)第2章　最優(yōu)估計理論  2.1　估計基本概念    2.1.1　估計定義    2.1.2　估計的三個指標    2.1.3　線性最小方差估計  2.2　卡爾曼濾波及其特性    2.2.1  問題的提出    2.2.2  離散卡爾曼濾波方程    2.2.3　卡爾曼濾波器特性    2.2.4  應用  2.3　自適應卡爾曼濾波    2.3.1  問題的提出    2.3.2  自適應濾波概念    2.3.3  自適應濾波算法    2.3.4　Mehra自適應卡爾曼濾波  小結(jié)第3章　機動目標模型  3.1　引言  3.2　機動目標數(shù)學模型    3.2.1　增量機動估值模型    3.2.2　強機動目標模型  3.3　機動加速度的估計    3.3.1　輸入估值法    3.3.2  自適應濾波方法    3.3.3  機動加速度的探測器一目標攔截幾何圖估計方法  小結(jié)第4章　多目標跟蹤系統(tǒng)數(shù)據(jù)關聯(lián)  4.1　引言  4.2　跟蹤波門的設計  4.3　“最近鄰”法  4.4　點跡一航跡配對方法  4.5　聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關聯(lián)法    4.5.1  引言    4.5.2　最優(yōu)聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關聯(lián)算法    4.5.3  最優(yōu)聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關聯(lián)經(jīng)驗公式  4.6　數(shù)據(jù)關聯(lián)的模糊推理方法    4.6.1　模糊推理關聯(lián)處理的基本思路    4.6.2　基本原理    4.6.3  系統(tǒng)實現(xiàn)　小結(jié)第5章　多目標跟蹤算法  5.1  引言　　……第6章　目標跟蹤快速算法第7章　魯棒跟蹤技術第8章　多傳感器融會跟蹤系統(tǒng)第9章　神經(jīng)網(wǎng)絡目標跟蹤技術第10章　彈道導彈跟蹤與預測第11章　干擾機環(huán)境下多目標多傳感器關聯(lián)與定位技術第12章　無源定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)融會定位技術第13章　網(wǎng)絡中心戰(zhàn)航跡合成技術第14章　雷達數(shù)據(jù)處理技術第15章　多目標多傳感器跟蹤技術展望參考文獻

章節(jié)摘錄

　　1.4.2 相控陣雷達目標跟蹤系統(tǒng)　　相控陣雷達是一種通過控制陣列天線中各個單元的相位得到所需方向圖和波束指向的雷達，是波束能捷變的一種雷達。它的突出特點是和計算機控制相結(jié)合，可實現(xiàn)波束駐留時間（指波束照射目標時間）和數(shù)據(jù)率的控制，已經(jīng)發(fā)展成為重要的雷達體制，尤其是在空間目標探測與跟蹤中受到廣泛的應用。相控陣雷達跟蹤的最大特點是搜索和跟蹤功能是分開進行的，數(shù)據(jù)處理器受雷達控制器的控制。尤其是數(shù)據(jù)率不是固定的，而是控制器可以按某種規(guī)定的最優(yōu)準則進行自適應控制。例如，機動目標的采樣率大于勻速運動目標的采樣率，這樣通過增加數(shù)據(jù)率可提高機動目標的跟蹤精度。又例如，在航跡初始階段，可用增加數(shù)據(jù)率的方法縮短航跡起始時間。在點跡被丟失時，掃描雷達通常用增大關聯(lián)波門的方法來解決，但這種方法的缺點是隨著波門的增大，波門內(nèi)含有假點跡的數(shù)目也增大。相控陣雷達不是采用擴大波門的方法，而是通過增大數(shù)據(jù)率的方法解決的。當然，這種自適應控制十分復雜，數(shù)據(jù)處理器算法也很復雜。例如，在相控陣雷達中，何時讓雷達發(fā)射一個“跟蹤駐留”（即在某個方向上發(fā)射脈沖序列），何時轉(zhuǎn)入關聯(lián)處理，何時重新發(fā)射一個“跟蹤駐留”等?？梢?，波束指向、駐留時間、發(fā)射功率等，都是通過控制器和數(shù)據(jù)處理器的信息交換來進行管理的。　　1.4.3雙基地雷達目標跟蹤系統(tǒng)　　隨著隱身目標的出現(xiàn)，雙基地雷達（BR：Bistatic Radar）作為反隱身目標的一種重要體制，尤其是20世紀70年代以來受到世界各國的普遍重視。雙基地雷達是指發(fā)射天線和接收天線之間隔開相當一段距離的雷達。如果一個發(fā)射機配有多個單獨的接收機，這種系統(tǒng)稱之為多基地雷達。從發(fā)射機發(fā)射的信號經(jīng)目標，又散射后到接收機。只有接收機得到了發(fā)射頻率、時間和相位參考信息之后，系統(tǒng)的工作才開始，而參考信息是通過同步鏈發(fā)送的。

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