昆虫目标雷达散射截面积特征辅助跟踪算法

方琳琳 周超 王锐 胡程

方琳琳, 周超, 王锐, 等. 昆虫目标雷达散射截面积特征辅助跟踪算法[J]. 雷达学报, 2019, 8(5): 598–605. doi: 10.12000/JR19067
引用本文: 方琳琳, 周超, 王锐, 等. 昆虫目标雷达散射截面积特征辅助跟踪算法[J]. 雷达学报, 2019, 8(5): 598–605. doi: 10.12000/JR19067
FANG Linlin, ZHOU Chao, WANG Rui, et al. RCS feature-aided insect target tracking algorithm[J]. Journal of Radars, 2019, 8(5): 598–605. doi: 10.12000/JR19067
Citation: FANG Linlin, ZHOU Chao, WANG Rui, et al. RCS feature-aided insect target tracking algorithm[J]. Journal of Radars, 2019, 8(5): 598–605. doi: 10.12000/JR19067

昆虫目标雷达散射截面积特征辅助跟踪算法

DOI: 10.12000/JR19067
基金项目: 国家自然科学基金(31727901)
详细信息
    作者简介:

    方琳琳(1993–),女,北京理工大学雷达技术研究所博士生,研究方向为雷达目标检测跟踪算法。E-mail: fanglinlin_1@163.com

    周 超(1987–),男,博士后,工作于北京理工大学雷达技术研究所,研究方向为雷达抗干扰、雷达目标检测跟踪算法。E-mail: 7520180050@bit.edu.cn

    胡 程(1981–),男,湖南岳阳人,博士,教授。2009年在北京理工大学信息与电子学院获得博士学位,现担任北京理工大学信息与电子学院教授,博士生导师,主要研究方向为地球同步轨道SAR、双基地/前向散射雷达信号处理和昆虫雷达等。E-mail: hucheng.bit@gmail.com

    通讯作者:

    周超 7520180050@bit.edu.cn

  • 责任主编:王国宏 Corresponding Editor: WANG Guohong
  • 中图分类号: TN959.4

RCS Feature-aided Insect Target Tracking Algorithm

Funds: The National Natural Science Foundation of China (31727901)
More Information
  • 摘要: 害虫迁飞具有规模大、突发性强的特点,会导致病虫害异地大爆发,粮食产量下降,造成重大的经济损失。昆虫雷达是监测迁飞性害虫的一种有效手段。昆虫目标的雷达散射截面积(RCS)较小,回波能量弱,在保证高检测率的同时会带来高虚警率问题,进而导致在目标跟踪的数据关联环节,易受虚假量测的影响出现关联错误。幅度特征辅助跟踪算法利用目标与噪声点迹的幅度差异,可以有效提高目标与噪声的识别度,改善跟踪性能,但是其需要已知目标的RCS起伏模型作为先验信息来计算幅度似然比。因此,该文基于Ku波段高分辨昆虫雷达外场实测昆虫回波数据,分析了昆虫目标的RCS起伏特性,得出Gamma分布可以较好地拟合昆虫目标的RCS统计分布,并将其作为先验信息,推导出Gamma起伏目标在高斯白噪声背景下的幅度似然比。通过在不同信噪比、不同量测噪声及不同起伏模型参数下的仿真结果及性能指标分析,验证了相比于概率数据互联滤波算法(PDAF)算法,目标RCS特征辅助的跟踪算法可以有效提高昆虫目标的跟踪精度。

     

  • 图  1  昆虫目标RCS起伏建模流程图

    Figure  1.  The flow chart of insect RCS fluctuation modeling

    图  2  实验场景

    Figure  2.  The experimental scene

    图  3  PDF拟合结果

    Figure  3.  PDF fitting results

    图  4  拟合误差

    Figure  4.  Fitting error

    图  5  CDF拟合结果

    Figure  5.  CDF fitting results

    图  6  S检验参数

    Figure  6.  K-S test parameters

    图  7  目标RCS辅助跟踪算法实现框图

    Figure  7.  RCS aided tracking algorithm implementationblock diagram

    图  8  仿真场景示意图

    Figure  8.  Simulation scene

    图  9  不同SNR下跟踪误差比较

    Figure  9.  Comparison of tracking errors under different SNRs

    图  10  有效航迹概率

    Figure  10.  The probability of effective track

    表  1  仿真参数

    Table  1.   Simulation parameters

    参数数值参数数值
    目标RCS起伏模型伽马分布杂波点幅度模型瑞利分布
    起伏模型参数1Ω=1.8, v=2.0起伏模型参数2Ω=2.0, v=3.2
    杂波密度$\lambda $0.00004SNR9 dB, 13 dB
    虚警概率10–4扫描间隔T1 s
    跟踪步数100波门尺寸16
    过程噪声方差$\sigma _p^2$0.01 m2量测噪声标准差$\sigma _R^{}$1 m
    蒙特卡洛仿真次数500航迹丢失判别$m$7帧
    第1门限${T_1}$1 m第2门限${T_2}$5 m
    下载: 导出CSV

    表  2  不同量测噪声下均方根误差均值改善值

    Table  2.   The improvement of the root mean square error under different measurement noises

    量测噪声标准差(m)SNR(dB)均方根误差均值改善(m)
    190.14
    130.11
    390.53
    130.42
    591.17
    130.96
    下载: 导出CSV

    表  3  不同起伏参数下有效航迹改善率

    Table  3.   The improvement probability of effective track underdifferent fluctuation parameters

    SNR(dB)参数1(%)参数2(%)
    97.18.3
    106.77.4
    115.96.5
    124.35.0
    132.53.1
    141.92.1
    151.61.8
    下载: 导出CSV
  • [1] CHAPMAN J W, DRAKE V A, and REYNOLDS D R. Recent insights from radar studies of insect flight[J]. Annual Review of Entomology, 2011, 56: 337–356. doi: 10.1146/annurev-ento-120709-144820
    [2] LERRO D and BAR-SHALOM Y. Automated tracking with target amplitude information[C] Proceedings of 1990 American Control Conference, San Diego, USA, 1990: 2875–2880. doi: 10.23919/ACC.1990.4791244.
    [3] LERRO D and BAR-SHALOM Y. Interacting multiple model tracking with target amplitude feature[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1993, 29(2): 494–509. doi: 10.1109/7.210086
    [4] BREKKE E, HALLINGSTAD O, and GLATTETRE J. Tracking small targets in heavy-tailed clutter using amplitude information[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2010, 35(2): 314–329. doi: 10.1109/joe.2010.2044670
    [5] 陈振兴. 基于知识辅助的弱目标跟踪算法研究[D]. [硕士论文], 电子科技大学, 2013.

    CHEN Zhenxing. Research of knowledge-aided dim target tracking algorithm[D]. [Master dissertation], University of Electronic Science and Technology of China, 2013.
    [6] 夏玫. 基于雷达辅助知识的微弱目标跟踪算法研究[D]. [硕士论文], 电子科技大学, 2015.

    XIA Mei. Research on radar auxiliary knowledge aided dim target tracking algorithm[D]. [Master dissertation], University of Electronic Science and Technology of China, 2015.
    [7] 汪兵. 非独立同分布起伏目标建模与检测算法研究[D]. [博士论文], 电子科技大学, 2017.

    WANG Bing. Research on modeling and the detection algorithm of non-ⅡD fluctuating targets[D]. [Ph.D. dissertation], University of Electronic Science and Technology of China, 2017.
    [8] 黄坦. 雷达目标动态RCS特性对探测的影响研究[D]. [硕士论文], 国防科学技术大学, 2014.

    HUANG Tan. Research on the influence of target dynamic RCS characteristics on radar detection[D]. [Master dissertation], National University of Defense Technology, 2014.
    [9] HOBBS S E, ALLSOPP K, and WOLF W. Signal analysis for an entomological radar with a vertical nutating beam[R]. College of Aeronautics Report 9919, 2003.
    [10] DOWDY P C. RCS probability distribution function modeling of a fluctuating target[C]. Proceedings of 1991 IEEE National Radar Conference, Los Angeles, USA, 1991. doi: 10.1109/NRC.1991.114752.
    [11] 何友, 修建娟, 关欣. 雷达数据处理及应用[M]. 3版. 北京: 电子工业出版社, 2013: 147–151.

    HE You, XIU Jianjuan, and GUAN Xin. Radar Data Processing with Applications[M]. 3rd ed. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2013: 147–151.
    [12] 理查兹, 邢孟道, 王彤, 李真芳, 译. 雷达信号处理基础[M]. 北京: 电子工业出版社, 2008: 253–254.

    RICHARDS M A, XING Mengdao, WANG Tong, LI Zhenfang, translation. Fundamentals of Radar Signal Processing[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2008: 253–254.
    [13] GRADSHTEYN I S and RYZHIK I M. Table of Integrals, Series, and Products[M]. 7th ed. San Diego: Academic Press, 2007: 1157–1160.
  • 加载中
图(10) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  3338
  • HTML全文浏览量:  1181
  • PDF下载量:  188
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-12
  • 修回日期:  2019-09-23
  • 网络出版日期:  2019-10-01

目录

    /

    返回文章
    返回