目標(biāo)跟蹤新理論與技術(shù)

前言

　　1948年，美國(guó)麻省理工學(xué)院研制的“雷達(dá)自動(dòng)跟蹤”和“火炮指揮儀”問(wèn)世以來(lái)，目標(biāo)跟蹤理論和技術(shù)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(jì)40年代維納創(chuàng)建的控制理論，后者是20世紀(jì)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(biāo)跟蹤理論走向發(fā)展和成熟的標(biāo)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(yīng)于現(xiàn)代目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的需求。這一演變（變化和發(fā)展）完全符合達(dá)爾文進(jìn)化論的規(guī)律。因?yàn)橐环N理論可以進(jìn)化、發(fā)展，也可以退化、衰亡。然而對(duì)于目標(biāo)跟蹤理論體系來(lái)說(shuō)，維納提出的濾波思想仍然具有重要的理論意義和指導(dǎo)意義?？柭窃诰S納濾波理論基礎(chǔ)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(jì)、最優(yōu)跟蹤、最優(yōu)制導(dǎo)律等理論的構(gòu)造提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和基本框架?？柭鼮V波理論誕生近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，在國(guó)內(nèi)外相繼出版了很多有關(guān)目標(biāo)跟蹤方面的專(zhuān)著。這些專(zhuān)著可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是以卡爾曼濾波理論為主導(dǎo)的多目標(biāo)單傳感器跟蹤理論和技術(shù)；另一類(lèi)是以數(shù)據(jù)融合為主導(dǎo)的多目標(biāo)多傳感器跟蹤理論和技術(shù)。但是近10多年來(lái)，隨著交叉學(xué)科的蓬勃發(fā)展，尤其是隨著目標(biāo)跟蹤理論和智能信號(hào)處理理論（包括軟計(jì)算）相結(jié)合以及網(wǎng)絡(luò)化概念和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)（如網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)）技術(shù)的發(fā)展，目標(biāo)跟蹤理論和技術(shù)研究面臨新的挑戰(zhàn)，并且促使人們開(kāi)展目標(biāo)跟蹤新理論、新方法的研究。這是一種正反饋，它推動(dòng)著新的研究領(lǐng)域發(fā)展和新技術(shù)形成，演變出新的理論，而關(guān)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(xué)發(fā)展制高點(diǎn)的關(guān)鍵。從20世紀(jì)80年代初開(kāi)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(dá)系統(tǒng)研制工作。20多年來(lái)，我所研究人員在新體制雷達(dá)研究和研制過(guò)程中做了大量的工作，并取得了很多成果。這一新體制雷達(dá)的研制成功使我國(guó)在國(guó)際上占有一席之地。在新體制雷達(dá)研究期間，作者一直在探索如何通過(guò)目標(biāo)跟蹤理論和智能信號(hào)處理理論相結(jié)合解決在復(fù)雜干擾背景下多目標(biāo)跟蹤問(wèn)題。

內(nèi)容概要

十多年來(lái)，隨著最優(yōu)估計(jì)理論和近代智能信號(hào)處理理論的發(fā)展，目標(biāo)跟蹤理論與技術(shù)有了新的發(fā)展。本書(shū)介紹本領(lǐng)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(shū)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(jì)理論（第2章）以及機(jī)動(dòng)目標(biāo)模型（第3章）。    第二部分是數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)（第4章）與跟蹤濾波（第5章）。這是目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的兩個(gè)基本問(wèn)題。在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)處理方面重點(diǎn)介紹概率聯(lián)合關(guān)聯(lián)處理的幾種新方法，在跟蹤算法方面重點(diǎn)介紹多模型算法和編隊(duì)跟蹤算法。    第三部分是專(zhuān)題討論，共8個(gè)專(zhuān)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(luò)目標(biāo)跟蹤（第9章）；彈道導(dǎo)彈跟蹤與預(yù)測(cè)（第10章）；干擾機(jī)多傳感器關(guān)聯(lián)與定位（第11章）；無(wú)源定位系統(tǒng)信息融合（第12章）；網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)航跡合成（第13章）。    第四部分是工程實(shí)現(xiàn)（第14章）。本章以某雷達(dá)數(shù)據(jù)處理器研究為背景，介紹多目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。    第五部分是展望（第15章）。介紹了近幾年來(lái)多目標(biāo)跟蹤領(lǐng)域關(guān)心的四個(gè)專(zhuān)題，以幫助讀者進(jìn)一步了解多目標(biāo)跟蹤前沿性課題。      本書(shū)選材廣泛，內(nèi)容新穎，突出實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，適用于從事目標(biāo)跟蹤、智能信息處理和控制研究工作的工程技術(shù)人員和研究生閱讀、參考，也可以作為高等院校有關(guān)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)參考書(shū)。

作者簡(jiǎn)介

權(quán)太范，朝鮮族，1949年10月生，吉林省龍井市人。1977年清華大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)畢業(yè)，1983年哈爾濱工業(yè)大學(xué)自動(dòng)控制學(xué)科研究生畢業(yè)?，F(xiàn)任哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息研究院教授，博士生導(dǎo)師，曾任系主任、副所長(zhǎng)等職務(wù)。二十多年來(lái)一直從事兩院院士劉永坦教授主持的新體制雷達(dá)研究。研究方向?yàn)槟繕?biāo)跟蹤與數(shù)據(jù)融合、智能信號(hào)處理、非線性信號(hào)處理、最優(yōu)控制等。先后開(kāi)設(shè)現(xiàn)代控制、最優(yōu)估計(jì)與目標(biāo)跟蹤、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與混沌信號(hào)處理、小波信號(hào)處理、多傳感器信息融合等課程。曾獲航天工業(yè)部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)（1987年）、國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)（1992年）、多項(xiàng)省部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和三等獎(jiǎng)，發(fā)表論文100余篇，出版專(zhuān)著一部。

書(shū)籍目錄

第1章　緒論  1.1  引言  1.2　多目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)基本原理  1.3　多目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)基本問(wèn)題  1.4　典型的多目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)    1.4.1　邊掃描邊跟蹤雷達(dá)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)    1.4.2　相控陣?yán)走_(dá)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)    1.4.3　雙基地雷達(dá)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)    1.4.4　多目標(biāo)多傳感器跟蹤系統(tǒng)  1.5　本書(shū)概貌  小結(jié)第2章　最優(yōu)估計(jì)理論  2.1　估計(jì)基本概念    2.1.1　估計(jì)定義    2.1.2　估計(jì)的三個(gè)指標(biāo)    2.1.3　線性最小方差估計(jì)  2.2　卡爾曼濾波及其特性    2.2.1  問(wèn)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(yīng)用  2.3　自適應(yīng)卡爾曼濾波    2.3.1  問(wèn)題的提出    2.3.2  自適應(yīng)濾波概念    2.3.3  自適應(yīng)濾波算法    2.3.4　Mehra自適應(yīng)卡爾曼濾波  小結(jié)第3章　機(jī)動(dòng)目標(biāo)模型  3.1　引言  3.2　機(jī)動(dòng)目標(biāo)數(shù)學(xué)模型    3.2.1　增量機(jī)動(dòng)估值模型    3.2.2　強(qiáng)機(jī)動(dòng)目標(biāo)模型  3.3　機(jī)動(dòng)加速度的估計(jì)    3.3.1　輸入估值法    3.3.2  自適應(yīng)濾波方法    3.3.3  機(jī)動(dòng)加速度的探測(cè)器一目標(biāo)攔截幾何圖估計(jì)方法  小結(jié)第4章　多目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)  4.1　引言  4.2　跟蹤波門(mén)的設(shè)計(jì)  4.3　“最近鄰”法  4.4　點(diǎn)跡一航跡配對(duì)方法  4.5　聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)法    4.5.1  引言    4.5.2　最優(yōu)聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法    4.5.3  最優(yōu)聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)經(jīng)驗(yàn)公式  4.6　數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的模糊推理方法    4.6.1　模糊推理關(guān)聯(lián)處理的基本思路    4.6.2　基本原理    4.6.3  系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)　小結(jié)第5章　多目標(biāo)跟蹤算法  5.1  引言　　……第6章　目標(biāo)跟蹤快速算法第7章　魯棒跟蹤技術(shù)第8章　多傳感器融會(huì)跟蹤系統(tǒng)第9章　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤技術(shù)第10章　彈道導(dǎo)彈跟蹤與預(yù)測(cè)第11章　干擾機(jī)環(huán)境下多目標(biāo)多傳感器關(guān)聯(lián)與定位技術(shù)第12章　無(wú)源定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)融會(huì)定位技術(shù)第13章　網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)航跡合成技術(shù)第14章　雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)第15章　多目標(biāo)多傳感器跟蹤技術(shù)展望參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　1.4.2 相控陣?yán)走_(dá)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)　　相控陣?yán)走_(dá)是一種通過(guò)控制陣列天線中各個(gè)單元的相位得到所需方向圖和波束指向的雷達(dá)，是波束能捷變的一種雷達(dá)。它的突出特點(diǎn)是和計(jì)算機(jī)控制相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)波束駐留時(shí)間（指波束照射目標(biāo)時(shí)間）和數(shù)據(jù)率的控制，已經(jīng)發(fā)展成為重要的雷達(dá)體制，尤其是在空間目標(biāo)探測(cè)與跟蹤中受到廣泛的應(yīng)用。相控陣?yán)走_(dá)跟蹤的最大特點(diǎn)是搜索和跟蹤功能是分開(kāi)進(jìn)行的，數(shù)據(jù)處理器受雷達(dá)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(zhǔn)則進(jìn)行自適應(yīng)控制。例如，機(jī)動(dòng)目標(biāo)的采樣率大于勻速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的采樣率，這樣通過(guò)增加數(shù)據(jù)率可提高機(jī)動(dòng)目標(biāo)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(shí)間。在點(diǎn)跡被丟失時(shí)，掃描雷達(dá)通常用增大關(guān)聯(lián)波門(mén)的方法來(lái)解決，但這種方法的缺點(diǎn)是隨著波門(mén)的增大，波門(mén)內(nèi)含有假點(diǎn)跡的數(shù)目也增大。相控陣?yán)走_(dá)不是采用擴(kuò)大波門(mén)的方法，而是通過(guò)增大數(shù)據(jù)率的方法解決的。當(dāng)然，這種自適應(yīng)控制十分復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理器算法也很復(fù)雜。例如，在相控陣?yán)走_(dá)中，何時(shí)讓雷達(dá)發(fā)射一個(gè)“跟蹤駐留”（即在某個(gè)方向上發(fā)射脈沖序列），何時(shí)轉(zhuǎn)入關(guān)聯(lián)處理，何時(shí)重新發(fā)射一個(gè)“跟蹤駐留”等。可見(jiàn)，波束指向、駐留時(shí)間、發(fā)射功率等，都是通過(guò)控制器和數(shù)據(jù)處理器的信息交換來(lái)進(jìn)行管理的?！　?.4.3雙基地雷達(dá)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)　　隨著隱身目標(biāo)的出現(xiàn)，雙基地雷達(dá)（BR：Bistatic Radar）作為反隱身目標(biāo)的一種重要體制，尤其是20世紀(jì)70年代以來(lái)受到世界各國(guó)的普遍重視。雙基地雷達(dá)是指發(fā)射天線和接收天線之間隔開(kāi)相當(dāng)一段距離的雷達(dá)。如果一個(gè)發(fā)射機(jī)配有多個(gè)單獨(dú)的接收機(jī)，這種系統(tǒng)稱(chēng)之為多基地雷達(dá)。從發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)經(jīng)目標(biāo)，又散射后到接收機(jī)。只有接收機(jī)得到了發(fā)射頻率、時(shí)間和相位參考信息之后，系統(tǒng)的工作才開(kāi)始，而參考信息是通過(guò)同步鏈發(fā)送的。

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