多目標跟蹤中一種改進的航跡起始算法

賈巖松，許志偉

（1.四川大學計算機學院，成都 610065；2.國家空管自動化系統(tǒng)技術(shù)重點實驗室，成都 610065）

多目標跟蹤中一種改進的航跡起始算法

賈巖松1，許志偉2

（1.四川大學計算機學院，成都 610065；2.國家空管自動化系統(tǒng)技術(shù)重點實驗室，成都 610065）

邏輯法是航跡起始的一種傳統(tǒng)方法，在多目標跟蹤中，傳統(tǒng)的邏輯法虛警率較高，針對這個問題，提出一種改進的算法。該算法首先將航跡進行分類劃分，不同分類的航跡關(guān)聯(lián)量測數(shù)量不同；同時在航跡起始確認階段，提出最小檢測數(shù)量準則、丟失數(shù)量準則、最小速度準則、最大速度準則。實驗結(jié)果表明，該算法降低虛警率。

多目標跟蹤；航跡起始；邏輯法；虛警率

0 引言

隨著社會的發(fā)展，計算機技術(shù)也在不斷進步與發(fā)展，多目標跟蹤技術(shù)作為計算機技術(shù)的子技術(shù)，伴隨著計算機技術(shù)的研究不斷深入，也得到了長足的進步與發(fā)展，并不斷得到完善。在多目標的跟蹤[1-2]過程中航跡起始是重要的技術(shù)之一，多目標跟蹤處理的過程分為航跡起始階段、航跡維護階段以及航跡結(jié)束階段。在航跡的處理過程中，航跡起始是一個必不可少的過程。航跡起始階段處理地好，既能高效地剔除大量的雜波，為后續(xù)的航跡處理減輕負擔，還能夠及時地發(fā)現(xiàn)新目標，極大地降低了航跡漏警的概率[3]。但是在實際的情況中，由于目標密集、雜波干擾、來自傳感器如雷達掃描時觀測噪聲等因素的影響，使得航跡起始的質(zhì)量受到了極大的影響。

經(jīng)典的航跡起始[4-8]算法有直觀法、邏輯法、修正的邏輯法、Hough變換法、極大似然算法[9]、基于Hough變換和邏輯的航跡起始算法[10]等。國外很多的學術(shù)研究團體仍然活躍在航跡起始[11-12]領域，比較有代表性的學術(shù)帶頭人和研究團體如美國康涅狄格大學的Y.Bar-Shalom教授，以T.Kirubaraja為代表的加拿大麥克馬斯特大學等。我國學者也在這方面做了不少工作，王國宏[13-14]等人初次提出將基于Hough變換與基于邏輯的航跡起始算法相結(jié)合，并用于二維空間密集雜波背景下航跡的快速起始；針對hough變換中閾值選取的困難和航跡簇擁問題，金術(shù)玲[15]等人提出了MSMSC-HT算法。雖然Hough變換算法在航跡起始中得到了廣泛的應用，但是Hough變換算法仍然存在許多的問題，例如參數(shù)量化間隔的選取、峰值的提取算法等，特別是在實際的工程運用中常常會產(chǎn)生許多新的問題。

在實際的工程運用中，邏輯法是比較實用的方法，能夠同時處理多批次的目標，在實際應用中得到了廣泛的應用，但是在實際場景比較復雜的情況下，如有大量雜波[16]、目標機動性復雜性的情況下，傳統(tǒng)的邏輯算法會產(chǎn)生大量虛假目標，不能滿足工程需要，本文在邏輯法的基礎上提出了一種改進的方法，并對其跟蹤效果進行了分析。

1 傳統(tǒng)方法介紹

1.1 直觀法

直觀法是一種較為簡單方法。它主要通過計算歷史航跡的速度、加速度值來判斷航跡是否是一條真實航跡。假設ri（i=1，2，…，N）為N次連續(xù)掃描獲得的目標位置觀測值，如果這N次掃描中M個觀測值滿足如下條件，那么就認為這是一個真實目標，應當起始該航跡。

（1）估計或者測得速度值小于某最大值Vmax并且大于某最小值Vmin

1.2 邏輯法

該算法的具體處理步驟如下：

（1）將第一次掃描到的測量作為航跡頭并建立相關(guān)波門，利用下一周期中所有落入波門內(nèi)的測量建立可能航跡；

（2）對每條可能航跡進行外推處理，計算航跡下一時刻的預測位置，以預測位置為中心建立相關(guān)波門，選擇下一周期中落入波門內(nèi)的某個測量進行互聯(lián)；

（3）下一周期若是沒有測量進入相關(guān)波門內(nèi)則刪除該航跡，否則繼續(xù)執(zhí)行步驟（2）直至形成穩(wěn)定航跡并確認；

（4）繼續(xù)上述步驟，直到形成穩(wěn)定航跡，航跡起始才完成。

（5）在每一次的掃描中，如果有量測未落入相關(guān)波門內(nèi)參與數(shù)據(jù)互聯(lián)判斷，將該量測作為新的航跡頭，建立新的航跡，然后轉(zhuǎn)步驟（1）。

在用邏輯法進行航跡起始的時候，其中一個重要的問題就是判斷航跡是否是穩(wěn)定的航跡，一般采用航跡起始滑窗法的m/n邏輯原理。常用的是2/3比值和3/ 4比值，2/3一般用于快速起始航跡，3/4用于正常航跡起始。

通過對直觀法和邏輯法的介紹可知：直觀法過于簡單，僅僅考慮最大最小速度、最大最小加速度進行限制，在含有大量目標或者雜波點跡較多的情況下，常常會產(chǎn)生許多虛假目標，嚴重影響后續(xù)的處理效果。邏輯法相對于直觀法有一定的改進，但是，除了新建的航跡可以關(guān)聯(lián)相關(guān)門限的所有點外，其他未起始的航跡只

（2）估計或者測得的加速度絕對值小于最大加速度值amax。如果存在不止一個量測，則用加速度值最小的那個量測來形成新的航跡。能關(guān)聯(lián)一個點跡，就會導致航跡在關(guān)聯(lián)上錯誤的點跡之后無法進行更正，導致后續(xù)的跟蹤失敗。同時在起始判斷的時候，僅僅依靠航跡起始滑窗法的m/n邏輯原理，過于統(tǒng)一化，考慮的不夠。本文針對上述問題提出了新的航跡起始方法。具體流程如下。

2 本文提出的方法

2.1 航跡分類

首先根據(jù)航跡的不同的情況進行分析，分為四類：

（1）新建航跡：在雷達每次的掃描中，如果有量測未落入相關(guān)波門內(nèi)參與數(shù)據(jù)互聯(lián)判斷，則將該量測作為新的航跡頭，建立新的航跡。用P1代表。

（2）只有兩個點的航跡：對于航跡列表中新建的航跡，如果有量測落入相關(guān)波門內(nèi)，并且滿足數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的條件，則將該量測更新該航跡，此時航跡含有兩個點跡。用P2代表。

（3）多余兩個點但是沒有起始的航跡P：如何只有兩個點的航跡在后續(xù)的掃描中有其他點跡加入到航跡當中，但是該航跡并沒有被確認為正式的航跡。用P代表。

（4）已經(jīng)起始的航跡。經(jīng)過幾個掃描周期之后，如果航跡比較穩(wěn)定滿足航跡起始的條件，就對該航跡進行起始。用來CP代替。

處理流程

2.2 不同分類航跡的關(guān)聯(lián)方法

（1）對于P1航跡的關(guān)聯(lián)方法

一個P1航跡最多與三個量測相關(guān)。如果在P1航跡的下一個掃描周期關(guān)聯(lián)門內(nèi)至少有三個量測，P1航跡最多與三個量測相關(guān)。如果有N（N≤3）個量測滿足關(guān)聯(lián)條件，則將P1航跡復制N-1份，找一個最合適的量測與P1航跡關(guān)聯(lián)并更新P1航跡為P2航跡，其他滿足關(guān)聯(lián)條件的量測分別與P1航跡復制的量測相關(guān)，并跟新為新的P2航跡。如果在P1航跡的下一個掃描周期關(guān)聯(lián)門內(nèi)沒有量測或者有量測但不滿足關(guān)聯(lián)條件，則將該P1航跡從航跡列表中刪除并回收航跡號。

（2）對于P2航跡的關(guān)聯(lián)方法

P2航跡的處理流程與P2航跡相同，但是P2航跡只能與一個量測相關(guān)。如果P2航跡的下一個掃描周期內(nèi)有滿足關(guān)聯(lián)條件的量測，則選擇一個最合適的量測用于更新P2航跡，更新之后P2航跡變?yōu)镻航跡。如果沒有量測與P2航跡相關(guān)則對P2航跡進行外推處理，外推之后的航跡依然是P2航跡；如果P2航跡連續(xù)外推兩次，則刪除該P2航跡，并回收航跡號；如果P2航跡在外推一次之后并重新關(guān)聯(lián)上量測，則將P2航跡更新后的航跡改為P航跡。下圖進行圖像解釋，黑色點表示，關(guān)聯(lián)上的量測，白色表示外推的量測。

圖1

（3）對于P航跡的關(guān)聯(lián)方法

P航跡的處理流程與P1、P2航跡相同，但是P航跡最多與兩個量測相關(guān)。在P航跡關(guān)聯(lián)之后，有些航跡繼續(xù)保持為P航跡，有些變?yōu)镃P航跡。

2.3 航跡起始確認準則

P航跡變?yōu)镃P航跡要遵循以下準則，包括最小檢測數(shù)量準則，丟失數(shù)量準則，最小速度準則，最大速度準則。

（1）最小檢測數(shù)量準則

點跡數(shù)量小于不能對航跡進行起始判斷，即不能變?yōu)镃P航跡。

（2）丟失數(shù)量準則

無論是P1航跡、P2航跡，還是P都不能連續(xù)丟失量測。如果最近一個掃描周期丟失量測，則該航跡不能進行起始判斷，即不能變?yōu)镃P航跡。

（3）最小速度準則

首先要設置最小起始速度門限，如果P航跡速度低于該最小速度門限，則該航跡不能進行起始，即不能變?yōu)镃P航跡。最小速度門限值的設定，可根據(jù)具體情況設置。

（4）最大速度準則

定義一個確認航跡最大速度門限值，如果P航跡的速度高于該最大速度門限值，則該航跡不能進行起始，即不能變?yōu)镃P航跡。最大速度門限值的設定，可根據(jù)具體情況設置。

可以看出直觀法、邏輯法與本文提出的方法在處理流程上有著明顯的不同。直觀法僅僅考慮最大最小速度、最大最小加速度，在有雜波的情況下無法滿足系統(tǒng)要求。邏輯法除了新建的航跡可以關(guān)聯(lián)相關(guān)門限的所有點外，其他未起始的航跡只能關(guān)聯(lián)一個點跡，同時在起始判斷的時候，僅僅依靠航跡起始滑窗法的m/n邏輯原理，過于統(tǒng)一化，考慮的不夠。本文提出的方法相對兩者有著明顯的改進。本文方法首先對航跡進行分類，不同的航跡情況，關(guān)聯(lián)點跡的數(shù)量也不同，這就解決了直觀法在關(guān)聯(lián)上錯誤點跡之后丟失目標的情況。同時在進行航跡起始判斷的時候，提出了最小檢測數(shù)量準則、丟失數(shù)量準則、最小速度準則、最大速度準則，這樣對航跡進行起始判斷的更加準確。下面是在真實場景下，對傳統(tǒng)的邏輯法與本文提出的方法進行了實驗對比，實驗表明，本文提出的算法降低了虛警率。

3 實驗與結(jié)果分析

3.1 實驗環(huán)境

本文對真實場景下的上百批次運動目標進行了跟蹤。首先，點跡信息發(fā)送平臺將從真實環(huán)境中記錄得到的點跡信息發(fā)送到雷達數(shù)據(jù)處理計算機，然后雷達數(shù)據(jù)處理計算機對接收到的點跡信息進行相應處理，并將處理過后形成的航跡信息發(fā)送到雷達顯示平臺，最后雷達顯示平臺顯示跟蹤效果。雷達的掃描半徑為500公里，有很廣的探測范圍，在雷達的探測目標中，包含了機動目標與非機動目標，各目標的運動運動狀態(tài)包括直線飛行、并行飛行、對非、曲線飛行等多種的場景。系統(tǒng)處理時，將雷達進行扇區(qū)[17]劃分，一個掃描周期分成32個扇區(qū)，一個掃描周期的時間為10秒，雷達范圍內(nèi)，有雜波區(qū)和非雜波區(qū)。

3.2 實驗數(shù)據(jù)分析

表1 真實場景下性能對照表

圖2 真實場景下航跡起始效果圖

上表表示使用本文所述處理算法在真實景下的跟蹤目標，由上表可知本文雜波處理算法在密集雜波情況下虛警率較低，且起始周期滿足實際工程的需求。

同時，為了與已有的航跡起始算法在起始性能上進行比較，本文將圖所對應的原始數(shù)據(jù)分別就本文算法和邏輯算法進行處理，下表將分別就兩種算法的總航跡個數(shù)、虛假目標個數(shù)、虛警率進行對比。

表2 不同處理方法起始性能對比表格

上表處理方法中方法1代表本文所述航跡起始算法的處理結(jié)果，方法2表示傳統(tǒng)邏輯方法的處理結(jié)果，由表可知，在真實復雜的場景下，虛假航跡占有率方面，本文算法均比傳統(tǒng)的邏輯方法得到很大程度上的改進，本文算法可以很好地將虛假航跡控制在合理的范圍內(nèi)，滿足預期的指標，而使用傳統(tǒng)的邏輯法虛警率明顯較高，不能滿足系統(tǒng)的實際需求。

4 結(jié)語

通過以上分析可知，在實際場景比較復雜的情況下，如有大量雜波與虛假點跡、目標機動性復雜性的情況下，傳統(tǒng)的邏輯法虛假目標較多，虛警率高，無法滿足航跡起始的要求。對于在相同的復雜環(huán)境下，本文提出的改進方法虛警告率明顯低于傳統(tǒng)的邏輯法，能夠滿足系統(tǒng)的實際要求。綜上所述，對于含有大量情況復雜的目標且有大量雜波點的情況下，本文提出的改進算法具有更好降低了虛警率，滿足系統(tǒng)實際要求。

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An Improved Track Initiation Algorithm in Multi-Target Tracking

JIA Yan-song，XU Zhi-wei

（College of Computer Science，Sichuan University，National Key Laboratory of ATC Automation System Technology，Chengdu 610065）

Logic method is a traditional method of track initiation,in the multi-target tracking,the traditional logic method false alarm rate is high, for this problem,presents an improved algorithm.The algorithm firstly classifies the track,and the number of track correlation measurements of different classes is different.At the same time in the track start confirmation phase,proposes the minimum number of measures criterion,the miss criterion,the minimum speed criterion and themaximum speed criterion.Experimental results show that the algorithm reduces the false alarm rate.

Multiple-Target Tracking;Track Initiation;Logic Method;False Alarm Rate

國家空管科研課題（No.GKG201403001）

1007-1423（2017）09-0094-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.09.022

賈巖松（1991-），男，河南商丘人，碩士研究生，研究方向為雷達數(shù)據(jù)處理

2017-02-09

2017-03-10

許志偉（1990-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士研究生，研究方向為雷達數(shù)據(jù)處理