一種岸上目標(biāo)跟蹤算法

石章松，董銀文，肖文凱

(海軍工程大學(xué)，湖北 武漢， 430033）

一種岸上目標(biāo)跟蹤算法

石章松，董銀文，肖文凱

(海軍工程大學(xué)，湖北 武漢， 430033）

結(jié)合地面目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特征和地理信息之間的關(guān)系，基于圖像序列配準(zhǔn)輸出的目標(biāo)位置偽量測(cè)值，建立利用地理信息實(shí)現(xiàn)對(duì)岸上運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤的數(shù)學(xué)描述。分析岸上不同的運(yùn)動(dòng)模式，設(shè)計(jì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型集，提出基于位置濾波不確定區(qū)域與道路是否相交基礎(chǔ)上的運(yùn)動(dòng)模式判別方法，給出基于運(yùn)動(dòng)模型動(dòng)態(tài)調(diào)整的自適應(yīng)濾波算法。仿真結(jié)果表明，提出的方法和算法是有效的，具有重要的應(yīng)用參考價(jià)值。

電視偵察彈;數(shù)字地圖;岸上目標(biāo)跟蹤;運(yùn)動(dòng)模型調(diào)整

0 引言

利用電視偵察彈所拍攝的圖像序列，完成岸上運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的定位與跟蹤，是大口徑艦炮武器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)岸火力支援打擊的重要保證［1－2］。但由于圖像傳輸時(shí)延、圖像配準(zhǔn)誤差以及目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的不確定性等因素，致使其跟蹤誤差較大，對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的精確跟蹤是該系統(tǒng)很大的挑戰(zhàn)。但是，被跟蹤目標(biāo)本身的運(yùn)動(dòng)特性很容易受到地理因素的影響［3］。

利用地理信息來改善跟蹤性能的文獻(xiàn)主要是圍繞機(jī)載空中雷達(dá)探測(cè)跟蹤系統(tǒng)展開研究的。其方法主要有2類:一類是地圖修正［4－5］，另一類是目標(biāo)動(dòng)態(tài)噪聲方差調(diào)整［6］。文獻(xiàn) ［3］針對(duì)機(jī)載雷達(dá)對(duì)地面目標(biāo)的跟蹤問題，提出了一種廣義對(duì)地跟蹤框架，采用過程噪聲水平來表征不同的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)水平，同時(shí)考慮了雷達(dá)探測(cè)虛警、雜波以及多目標(biāo)跟蹤等諸多因素，使得濾波模型計(jì)算復(fù)雜。與雷達(dá)對(duì)地跟蹤系統(tǒng)相比，圖像序列具有優(yōu)勢(shì)，它沒有雜波，在電視偵察彈視場(chǎng)內(nèi)一般是對(duì)單目標(biāo)進(jìn)行定位跟蹤，不存在多目標(biāo)跟蹤的數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，濾波算法相對(duì)來說簡(jiǎn)單些。

1 基于數(shù)字地圖輔助修正的岸上目標(biāo)跟蹤算法

1.1 問題描述

圖1 岸上目標(biāo)定位跟蹤示意圖Fig.1 Schematic view of ashore target location and tracking

利用電視偵察彈所拍攝的圖像序列，完成岸上運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的定位與跟蹤，本質(zhì)上是一個(gè)混合估計(jì)問題?；旌瞎烙?jì)系統(tǒng)一般是直接針對(duì)每種可能的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型建立與之相應(yīng)的濾波器組，按照自適應(yīng)模型辨識(shí)來選擇不同的濾波器，隨著模型數(shù)目的增多，計(jì)算量迅速增加，而且會(huì)出現(xiàn)“模型過度競(jìng)爭(zhēng)”現(xiàn)象［3］。

1.2 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型集設(shè)計(jì)

在對(duì)岸上目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)中，地理信息對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)有一定的約束力［7］，利用地理信息有可能實(shí)現(xiàn)模型集合的自適應(yīng)精簡(jiǎn)，從而降低目標(biāo)建模的不確定性，減少濾波器數(shù)目，減小計(jì)算量。

岸上目標(biāo)在沿著道路運(yùn)動(dòng)時(shí)，趨向于勻速或者近勻速運(yùn)動(dòng)［7］。當(dāng)岸上目標(biāo)運(yùn)動(dòng)到道路交叉附近點(diǎn)時(shí)，可能會(huì)進(jìn)行機(jī)動(dòng)，來改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)?shù)孛婺繕?biāo)從道路外進(jìn)入道路，或者從道路上離開時(shí)，也可能進(jìn)行機(jī)動(dòng)，來改變目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

對(duì)于一個(gè)地面目標(biāo)而言，一般出現(xiàn)強(qiáng)機(jī)動(dòng)是在道路交叉點(diǎn)附近，或者在該目標(biāo)從開闊地域運(yùn)動(dòng)到道路上，及從道路上運(yùn)動(dòng)到開闊地域。在開闊地域時(shí)，目標(biāo)機(jī)動(dòng)性也比較大，但無法確切得知何時(shí)機(jī)動(dòng)，一般假設(shè)做勻速運(yùn)動(dòng)。而在道路上時(shí)，目標(biāo)一般是做勻速運(yùn)動(dòng)的，當(dāng)然也有機(jī)動(dòng)的可能，但出現(xiàn)的可能性比較小。

所以一般來說，岸上目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)模式有5種:①沿道路運(yùn)動(dòng)模式，一般做勻速運(yùn)動(dòng);②離開道路進(jìn)入活動(dòng)區(qū)域模式，做機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng);③從活動(dòng)區(qū)域進(jìn)入道路模式，做機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng);④沿當(dāng)前道路轉(zhuǎn)入下一條道路模式，做圓周強(qiáng)機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng);⑤在開闊區(qū)域運(yùn)動(dòng)模式，做勻速運(yùn)動(dòng)。

相對(duì)應(yīng)上述運(yùn)動(dòng)模式，分別采取對(duì)應(yīng)狀態(tài)描述模型，如表1所示。針對(duì)②類和③類運(yùn)動(dòng)模式，主要考慮到地面目標(biāo)的機(jī)動(dòng)能力受限，是一個(gè)漸變的過程，選取“當(dāng)前”統(tǒng)計(jì)狀態(tài)描述模型［8］。

表1 不同運(yùn)動(dòng)模式對(duì)應(yīng)的狀態(tài)描述模型Tab.1 Differentmovement patterns and corresponding state descriptionmodel

1.3 運(yùn)動(dòng)模式判別方法

針對(duì)岸上目標(biāo)，在地形限制下，利用地理信息對(duì)上述運(yùn)動(dòng)模式的判別，即運(yùn)動(dòng)模型的自適應(yīng)辨識(shí)，首選應(yīng)該判斷出目標(biāo)是否在道路上。

目前，文獻(xiàn)［4］提出了量測(cè)不確定區(qū)域判別法，文獻(xiàn)［6］提出了預(yù)測(cè)不確定區(qū)域判別法。在實(shí)際跟蹤系統(tǒng)中要確定所使用的量測(cè)，就是電視偵察彈圖像配準(zhǔn)后輸出的目標(biāo)位置估計(jì)，沒有雜波。從理論上看，位置的濾波值比預(yù)測(cè)值精度要高。本文選擇位置濾波不確定區(qū)域判別法來判斷目標(biāo)是否在道路上。

位置濾波不確定區(qū)域判別法所定義的不確定區(qū)域?yàn)?/p>

為位置濾波協(xié)方差。

如果式(3）給出的不確定區(qū)域是一個(gè)橢圓區(qū)域，如圖2所示。該不確定區(qū)域與一般道路構(gòu)成的線段有交點(diǎn)，則判斷當(dāng)前時(shí)刻目標(biāo)運(yùn)動(dòng)在道路上，否則，認(rèn)為目標(biāo)不在道路上。

圖2 位置不確定區(qū)域與道路是否相交的判別示意圖Fig.2 Schematic view of distinguish whether it is intersecting between uncertainty area of position and road

設(shè)k－1時(shí)刻目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為Φ(k－1），k時(shí)刻目標(biāo)狀態(tài)的位置濾波為Xf(k/k）對(duì)應(yīng)的協(xié)方差為P(k/k），道路集合為R，道路交叉點(diǎn)集合為J，道路外的地形集合為L(zhǎng)?；谏鲜龌舅枷?，下面給出模型集精簡(jiǎn)的策略。

初始條件:Φ(0）根據(jù)目標(biāo)的初始位置位于哪個(gè)地理區(qū)域，可直接給定。如果初始位置對(duì)Jj∈J滿足式(3），則認(rèn)為目標(biāo)在初始時(shí)刻過道路交叉點(diǎn)Jj。若存在多個(gè)初始關(guān)聯(lián)交叉點(diǎn)，取距離最近的為關(guān)聯(lián)交叉點(diǎn)。如果初始位置對(duì)Ri∈R滿足式(3），則認(rèn)為目標(biāo)在初始時(shí)刻沿著道路Ri運(yùn)動(dòng)。若存在多條初始關(guān)聯(lián)道路，取距離最近的為關(guān)聯(lián)道路。如果判斷初始位置在Ll∈L處，則認(rèn)為目標(biāo)在初始時(shí)刻在道路外的Ll處運(yùn)動(dòng)。

1）目標(biāo)過道路交叉點(diǎn)，轉(zhuǎn)彎進(jìn)入下一條道路的運(yùn)動(dòng)模式判斷

針對(duì)道路交叉點(diǎn)集合J，如果存在道路交叉點(diǎn)Jj∈J對(duì)應(yīng)位置坐標(biāo)，滿足式(3），則運(yùn)動(dòng)模型Φ(k）=φ4，j(k），即轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)模型。如果同時(shí)有多個(gè)交叉點(diǎn)都滿足，取最近鄰的交叉點(diǎn)為關(guān)聯(lián)交叉點(diǎn)。

2）目標(biāo)進(jìn)入道路或者離開道路運(yùn)動(dòng)模式的判斷

成立，則更新Φ(k）=φ2，i(k），認(rèn)為目標(biāo)處于進(jìn)入道路的運(yùn)動(dòng)模式。其中，δt為地面目標(biāo)平均機(jī)動(dòng)時(shí)間;如果式(7）不滿足，則認(rèn)為目標(biāo)處于沿著道路運(yùn)動(dòng)模式，即 Φ(k）=φ1，i(k）。

3）目標(biāo)離開道路運(yùn)動(dòng)模式的判斷

如果 Φ(k－1）=φ3，i(k－1），對(duì)于有 N3次歷史判斷，有M3次不滿足式(3）所定義的不確定區(qū)域與道路Ri有交點(diǎn)，則認(rèn)為目標(biāo)已經(jīng)完全離開道路。

目標(biāo)離開道路的時(shí)間段為［t(k－N3）－δt，t(k）］。由于決策目標(biāo)離開道路的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)事后決策過程，在［t(k－N3）－δt，t(k）］時(shí)間段內(nèi)，需要對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型Φ(k－1）進(jìn)行再次更新，并進(jìn)行重復(fù)濾波跟蹤。

4）目標(biāo)道路外運(yùn)動(dòng)模式的判斷

若上述判斷均沒有目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型Φ(k－1）的更新，則認(rèn)為目標(biāo)在道路外運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)模型Φ(k－1）= φ1，l(k －1）。

綜上所述，其判斷次序?yàn)?首先判斷目標(biāo)是否在道路交叉點(diǎn);其次判斷目標(biāo)是否進(jìn)入道路或者沿著道路運(yùn)動(dòng);而后判斷目標(biāo)是否離開道路;最后判斷目標(biāo)是否在道路外運(yùn)動(dòng)。上述判斷中，只要有一個(gè)判斷成立，則不再進(jìn)行后續(xù)判斷。

1.4 算法流程

基于上述模型集設(shè)計(jì)，采取線性卡爾曼濾波計(jì)算公式［8］，在給定初始狀態(tài)模型Φ(0）的基礎(chǔ)上，其算法流程如下:

1）首先，將電視偵察彈圖像配準(zhǔn)輸出的目標(biāo)位置估計(jì)，視作卡爾曼濾波對(duì)應(yīng)的偽量測(cè)值;

2）然后，建立基于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模型Φ(k）的線性卡爾曼濾波，得到該時(shí)刻的位置濾波、速度濾波以及對(duì)應(yīng)的位置濾波方差矩陣;

3）利用濾波值，并結(jié)合地理信息 (一般來源于電子地圖），自適應(yīng)辨識(shí)出地面目標(biāo)當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)模式，從目標(biāo)先驗(yàn)?zāi)Ｐ图羞x擇φi(k）來更新當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模型Φ(k），并返回第1步，再次預(yù)測(cè)。其中，對(duì)于目標(biāo)從道路上離開的運(yùn)動(dòng)模式，因?yàn)槭且粋€(gè)事后決策過程，需要進(jìn)行濾波回溯。

1.5 仿真實(shí)例及結(jié)果分析

仿真場(chǎng)景如圖3所示。2條道路F(34，34）G(46，42）和H(34，46）I(44，34），2個(gè)平坦區(qū)域1和2，假設(shè)目標(biāo)從區(qū)域1的A點(diǎn) (34，42）起，經(jīng)過B點(diǎn) (35.6，44）進(jìn)入道路HI，到達(dá)道路交叉點(diǎn)C(40，39）后，轉(zhuǎn)彎進(jìn)入到路 FG，在 D點(diǎn)(42，40）離開道路 FG，進(jìn)入?yún)^(qū)域2中的 E點(diǎn)(44，38），上述的坐標(biāo)單位為km。

在仿真過程中，等周期獲取岸上目標(biāo)的位置量測(cè)，T=1 s，蒙特卡羅仿真次數(shù)為100次。為了簡(jiǎn)化起見，忽略道路交叉點(diǎn)、道路和道路外地形的差異性，并且系統(tǒng)方程和量測(cè)方程按照上述選擇，均為線性的。量測(cè)噪聲誤差協(xié)方差陣為R/dial(1002，1002），dial(·）表示對(duì)角陣;對(duì)應(yīng)的速度過程噪聲均方差σx=σy=3 m/s。其目標(biāo)運(yùn)動(dòng)真實(shí)參數(shù)如圖4～圖6所示。

圖4 目標(biāo)真實(shí)軌跡與有誤差軌跡示意圖Fig.4 Schematic view of target true trajectory and error trajectory

圖5 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)真實(shí)參數(shù)變換示意圖Fig.5 Schematic view of targetmotion with true parameter transform

圖6 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)有誤差參數(shù)變換示意圖Fig.6 Schematic view of targetmotion with error parameter transform

在轉(zhuǎn)彎段ω=1.5 m/s，加速過渡段加速度因子α=0.05。經(jīng)過100次蒙特卡羅仿真后，其濾波均方差統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)濾波值Fig.7 Filter value of targetmotion parameter

圖8 均方差誤差曲線圖Fig.8 Graph ofmean square error

從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)、C點(diǎn)和D點(diǎn)前后，即目標(biāo)行駛至道路交叉點(diǎn)并進(jìn)行強(qiáng)機(jī)動(dòng)時(shí)，濾波方差顯著增大，跟蹤性能下降明顯。采用運(yùn)動(dòng)模型調(diào)整后，在道路交叉點(diǎn)處的濾波方差雖然也出現(xiàn)了顯著變大的情況，但其濾波均方差峰值較小，特別是在目標(biāo)速度參數(shù)估計(jì)上，跟蹤性能得到較大改善，主要原因是:在目標(biāo)進(jìn)入道路或者離開道路以及目標(biāo)過道路交叉點(diǎn)時(shí)，利用了道路信息進(jìn)行模式判別，優(yōu)化了機(jī)動(dòng)模型的選擇，使得目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)濾波效果具有更好的性能。

2 結(jié)語

一般來說，利用電視偵察彈來實(shí)現(xiàn)對(duì)岸上運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的定位與跟蹤，在技術(shù)上存在很大的困難。本文結(jié)合地面目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特征和地理信息之間的關(guān)系，建立利用地理信息的實(shí)現(xiàn)對(duì)岸上運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤的數(shù)學(xué)描述，分析了岸上不同的運(yùn)動(dòng)模式，設(shè)計(jì)了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型集，提出基于位置濾波不確定區(qū)域與道路是否相交基礎(chǔ)上的運(yùn)動(dòng)模式判別方法，給出了基于自適應(yīng)模型辨識(shí)的卡爾曼濾波流程，仿真結(jié)果表明，該算法可以改善岸上低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤精度，在技術(shù)上是可行的，其方法具有一定的應(yīng)用參考價(jià)值。

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An ashore target tracking algorithm

SHIZhang-song，DONG Yin-wen，XIAOWen-kai
(Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

According to the relationship between the ground target motion characteristics and geographic information，based on the false measurement value of target position output by image sequence registration，the mathematical description on the ashore movement target tracking by using geographic information is established.The ashore variousmotionmodes are analyzed.The targetmotionmodel collection is designed.The distinguish method of movement pattern based on whether it is intersecting between uncertainty area of position filter and road is presented，and the adaptive filter based on the dynamic adjustment ofmotionmodel is provided.The simulation results show that the proposed method and algorithm are effective，and have important reference value for application.

TV reconnaissance shot;digitalmap;ashore target tracking;adjustment ofmotion model

TP279

A

1672－7649(2013）03－0106－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.03.024

2012－08－31;

2012－09－27

國家自然基金(11202239）

石章松(1975－）:男，博士，教授，研究方向?yàn)槟繕?biāo)定位跟蹤、信息融合及艦載武器協(xié)同控制。