集中式雷达-红外传感器数据融合多目标跟踪算法

张安清，张万顺，齐海明

(1.海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116018；2.解放军91202部队，辽宁 葫芦岛 125004)

0 引 言

在现代C4ISR作战系统中，要想掌握信息化战场主控权，占据战场优势，做到“看得明、反应快、打得准”，要求作战方必须极其重视信息数据的获取、采集和处理，占得信息优势权。现代的战场空间环境越来越复杂，已经扩展到陆、海、空、天、电磁五维作战体系，仅仅利用单一传感器不能满足新的作战需求，必须运用多传感器获取战场信息，进行多传感器信息融合[1](MSIF)，充分利用多传感器或多源数据的互补性和冗余性提高数据质量，获取精确的战场信息和准确的战场态势。

舰载防空反导系统装备了雷达系统和光电系统，与同质传感器融合相比，异质传感器融合系统能更加充分地发挥出传感器间的性能优势[2]，同时发挥好应用环境的互补作用。雷达作为主动传感器，可以提供完整、高精度的目标位置信息；但由于工作时需辐射大功率的电磁波，容易受到电子干扰以及反舰弹道的攻击；同时，由于隐身技术的发展与低空盲区及高海杂波的影响，导致雷达探测距离受到限制，使其作战效果下降[3-4]。而以红外传感器为代表的被动传感器具有不向空中辐射能量，被动隐蔽性好、目标识别能力强、测角精度高以及较强的抗干扰能力等优势；但探测距离较近，易受气候影响，不能提供目标与传感器的相对距离[5]。因此，有效地将雷达与红外2种传感器配合使用，彼此补充，发挥出雷达的高精度距离测量和红外传感器的高精度方位角测量[6]，能够提供更准确的目标位置估计，改善目标识别能力，增强系统的抗干扰能力以及系统可靠性。

现有的雷达-红外融合跟踪方法中，文献[7]将雷达的距离信息与红外角度信息组合成为新量测，完全忽略了雷达的角度信息；文献[8]基于集中式融合结构，提出了拉格朗日数乘法的最优加权融合算法；文献[9]在雷达-红外量测不同步的条件下进行了传感器的切换，提高了采样频率，不过本质还是单传感器的跟踪方法。本文构建了雷达-红外传感器融合系统的可行结构，引入概率假设密度(PHD)滤波，实现多目标跟踪的同时避免了复杂的数据关联，导出红外传感器量测扩维方法，实现雷达-红外传感器量测优化加权融合。

1 集中式雷达-红外量测融合

1.1 多传感器观测模型

多传感器融合目标跟踪算法可以获得更高的状态估计精度，但算法复杂，运行时间长，考虑实时性，对量测数据的处理采取集中式量测融合(CMF)[10]的方法。假定舰载雷达和红外系统同地配置，已通过坐标转换，时空配准与同步，其融合系统的线性离散系统方程表示为：

xk=Fkxk-1+vk-1

(1)

雷达-红外传感器的量测模型方程为：

(2)

(3)

(4)

红外传感器量测表示为：

(5)

(6)

1.2 雷达-红外数据加权融合

构造雷达-红外量测数据融合的结构如图1所示，避免因雷达方位角量测不准而舍弃造成目标信息丢失的问题，又得到最优加权融合后的量测精度的显著提高，获得优于单一传感器的量测精度。

图1 集中式雷达-红外传感器融合结构

对k时刻所有量测数据进行加权融合处理，即：

(7)

相应对k时刻所有的量测噪声数据进行加权融合处理，即：

(8)

(9)

特别指出，因红外传感器无法获取目标距离量测数据，不能直接完成传感器的数据融合，为避免红外传感器量测数据传统补零扩维造成估计误差协方差阵的非正定，本文将雷达的距离量测直接作为红外传感器的虚拟距离量测，实现红外传感器的量测扩维，扩维后的红外混合量测为：

(10)

(11)

2 PHD滤波融合跟踪过程

本文采用多模型PHD滤波算法[11-14]进行融合目标跟踪，将单传感器PHD滤波器的状态滤波结果，按照集中式融合结构，根据顺序依次更新多个单传感器PHD滤波算法，滤波过程如下：

(12)

(13)

(14)

(15)

3 仿真分析

3.1 仿真参数设定

3.2 仿真结果分析

图2所示是仿真建立的目标运动轨迹和雷达-红外融合跟踪滤波轨迹对比。图3、图4为目标1、目标2 在20次仿真的3个坐标方向雷达、红外单独跟踪与融合跟踪滤波误差总和均方根值(RMSE)对比效果。从图3、图4中看出雷达-红外融合跟踪精度对比单传感器观察跟踪明显高出很多，表明本文研究的集中式雷达-红外融合PHD滤波算法有效、适用，而雷达或红外传感器观测跟踪目标的精度与目标相对位置有关，采用多传感器融合跟踪恰恰能够综合各单传感器优势，实现信息互补，精确估计目标状态。

图2 雷达-红外融合跟踪滤波效果

4 结束语

针对被动红外观测系统隐蔽性好、不易受电子干扰、低空探测性能好、角度量测精度高等优点，以及雷达观测系统的测距精度较高，但角度量测精度低等特点，研究二者配合使用实现信息互补，对目标进行精确状态估计，提高系统可靠性和稳定性。本文开展基于雷达和红外多传感器融合跟踪研究，构建了雷达-红外传感器融合系统的可行结构，为发挥雷达和红外传感器各自优势，导出红外传感器量测扩维方法，实现雷达-红外传感器量测优化加权融合，并采用PHD滤波算法，实现对多目标同时跟踪。计算机MATLAB仿真验证表明，所构建的融合系统及多传感器量测融合方法能够实现高精度的多目标跟踪，对将来的多目标跟踪系统技术革新会有很好的工程应用价值，对于解决异类多传感器目标跟踪估计问题具有重要的现实意义。