Bearings-only maneuvering target tracking based on fuzzy clustering in a cluttered environment

This paper proposes a novel bearings-only maneuvering target tracking algorithm based on maximum entropy fuzzy clustering in a cluttered environment. In the proposed algorithm, the interacting multiple model (IMM) approach is used to solve the maneuvering problem of target, and the false alarms generated by clutter are accommodated through a probabilistic data association filter (PDAF). To reduce the computational load, the association probability is substituted by fuzzy membership degree provided by a modified version of fuzzy clustering algorithm based on maximum entropy principle, and the “maximum validation distance” is also defined based on the discrimination factor, which enables the algorithm eliminate invalid measurements. Moreover, to avoid the unobservability problem of passive target tracking, a nonlinear measurement model of multiple passive sensors is formulated. Finally, simulation results show that the proposed algorithm has advantages over the conventional IMM-PDAF algorithm in terms of simplicity and efficiency.     

杂波环境下被动多传感器机动目标跟踪新算法

针对杂波环境被动传感器机动目标跟踪问题,该文研究了一种基于粒子滤波的被动多传感器机动目标跟踪新算法。 在该算法中,首先推导了杂波环境下粒子滤波的似然函数表达式。其次将粒子滤波与交互多模型(IMM)相结合,用IMM方法实现模型的切换,以适应目标的机动变化。用粒子滤波实现对观测方程的非线性处理。最后,建立了被动多传感器的非线性观测模型,避免了目标的不可观测性,并且算法还能够处理非高斯噪声情况。仿真实验结果表明,提出的算法能够有效地对被动机动目标跟踪,且性能优于交互多模型概率数据关联滤波器(IMM-PDAF)。     

基于高斯混合带势概率假设密度滤波器的未知杂波下多机动目标跟踪算法

多模型的随机有限集(RFS)类方法是一类有效的多机动目标跟踪算法,但是现有算法都假定杂波统计特性先验已知,不适用于未知杂波背景。该文以高斯混合带势概率假设密度滤波器(GMCPHDF)为基础,提出一种未知杂波下的多机动目标跟踪算法。该算法对目标和杂波分别独立建模,通过最优高斯(BFG)估计方法对真实目标的强度函数进行预测,从而使多目标强度函数独立于机动目标的运动模型,实现各时刻真实目标的强度函数、杂波源期望个数以及真实目标和杂波源的混合势分布的迭代。仿真结果表明,该算法能够有效地联合估计多机动目标状态以及杂波期望个数。     

RGPO 干扰下基于改进的IMM-PDAF 的机动目标跟踪技术

研究了距离波门拖引(RGPO)干扰下杂波环境中机动单目标的跟踪问题,在建立RGPO 干扰条件下雷达量测模型的基础上,提出了一种RGPO 干扰下基于改进的交互多模型-概率数据关联算法(IMM-PDAF)的目标跟踪技术。该技术联合RGPO 鉴别与跟踪一体化。在干扰鉴别上,采用信号似然比预处理、角度研究了距离波门拖引(RGPO)干扰下杂波环境中机动单目标的跟踪问题,在建立RGPO 干扰条件下雷达量测模型的基础上,提出了一种RGPO 干扰下基于改进的交互多模型-概率数据关联算法(IMM-PDAF)的目标跟踪技术。该技术联合RGPO 鉴别与跟踪一体化。在干扰鉴别上,采用信号似然比预处理、角度 检验以及m / n 逻辑检验方法。在跟踪算法方面,采用提出的基于量测功率特征的IMM-PDAF 算法,同时目标状态更新依据是否存在干扰采用不同的方法。若存在RGPO 干扰,则根据RGPO 假目标与真目标量测对的特点,采用提出的距离最近选择、角度数据压缩方法合成新量测对目标状态进行更新,若无RGPO 干扰,则综合功率和位置特征对所有量测进行加权更新目标状态。仿真结果表明,该技术不仅能有效剔除RGPO 干扰对跟踪算法带来的不良影响,而且具有良好的机动目标跟踪性能。 检验以及m / n 逻辑检验方法。在跟踪算法方面,采用提出的基于量测功率特征的IMM-PDAF 算法,同时目标状态更新依据是否存在干扰采用不同的方法。若存在RGPO 干扰,则根据RGPO 假目标与真目标量测对的特点,采用提出的距离最近选择、角度数据压缩方法合成新量测对目标状态进行更新,若无RGPO 干扰,则综合功率和位置特征对所有量测进行加权更新目标状态。仿真结果表明,该技术不仅能有效剔除RGPO 干扰对跟踪算法带来的不良影响,而且具有良好的机动目标跟踪性能。     

Wavelet-Based Detection and Its Application to Tracking in an IR Sequence

We propose an effective technique using a wavelet-based temporal decomposition algorithm to detect single-pixel targets with motion from frame to frame. We next integrate the proposed detection algorithm with an interacting multiple-model method and multiple filter bank approach to provide an effective solution for tracking multiple single-pixel nonmaneuvering and maneuvering targets. Through Monte Carlo simulations, we establish the efficiency and robustness of the proposed approach. Based on exhaustive empirical study, we demonstrate the effectiveness of our proposed approach in tracking multiple single-pixel targets in a sequence of infrared images with clutter and occlusion due to moving clouds in airborne applications.     

IMM—PDA滤波器的模型概率加权跟踪门研究

杂波情况下跟踪机动目标的一个重要问题就是跟踪门问题。文中研究了两种现行的跟踪门技术，模型跟踪门和集中跟踪门。提出了新的跟踪门技术，分别为模型概率加权跟踪门和两极模型概率加权跟踪门（TS-MPWG），TS—MPWG考虑了可能的模型误差，且当建立第二个波门时在模型误差变量上用到了上界。仿真里采用了一种高机动目标的基准轨迹，用RMS误差、跟踪丢失百分比和计算量比较了讨论的跟踪门技术的性能。从仿真结果可以看出，在杂波环境下用IMM—PDAF进行机动目标跟踪，TS—MPWG跟踪门技术优于其他方法。     

基于LGJMS-GMPHDF的多机动目标联合检测、跟踪与分类算法

线性高斯跳变马尔可夫系统模型下的高斯混合概率假设密度滤波器(LGJMS-GMPHDF)为杂波背景下多机动目标跟踪提供了一种有效方法。该文将类别辅助信息引入LGJMS-GMPHDF,提出了一种密集杂波背景下多机动目标联合检测、跟踪与分类算法。该算法在LGJMS-GMPHDF中用属性向量扩展单目标状态向量,用位置和属性的组合测量似然函数代替单目标位置及杂波位置测量似然函数,提高了不同类目标与杂波测量间的鉴别能力,进而改善了目标数目及状态的估计精度;在更新目标状态的同时,对目标属性信息进行更新。该算法实现了时变数目的目标状态和类别估计。杂波背景下交叉和临近并行机动目标的跟踪实验验证了该文算法的联合检测、跟踪与分类性能。     

EM算法在杂波环境下机动目标跟踪中的应用研究

EM(Expectation-Maximization)作为一种迭代求解非完备数据条件下极大似然(后验)参数估计问题的方法,在目标跟踪领域主要应用于被动跟踪及实时性要求不高的目标环境.该文推广了L.A.Johnston的理论成果,推导得出了一种基于AECM(Alternative Expectation ConditionMaximization)方法的杂波环境下实时机动目标跟踪箅法,算法中后验模型概率与关联概率由隐马尔科夫模型滤波计算得到.仿真计算表明,所提算法跟踪精度与IMM-PDA性能相当,算法是有效的.     

一种新的基于概率理论的概率数据互联滤波器

该文从理论上分析了用于目标跟踪的概率数据互联滤波器(PDAF)和联合概率数据互联滤波器(JPDAF)存在的不足,提出了一种新的概率数据互联滤波器(NPDAF)。NPDAF在数据关联时基于概率理论:一个测量可能源于目标,也可能源于杂波,但其源于目标的概率与其源于杂波的概率之和应为1。同时,给出了跟踪过程中NPDAF的数据互联模型及滤波器的实现方法。该实现方法首先计算测量与各目标的关联概率,然后用概率对跟踪滤波器的增益加以修正。仿真实验表明,在对多目标进行跟踪时NPDAF的性能优于JPDAF。     

基于有限集统计学理论的目标跟踪技术研究综述

有限集统计学理论为杂波背景下的目标跟踪问题提供了一种工程友好的理论工具.对近年来基于有限集统计学理论的目标跟踪技术研究现状进行了综述,包括最优多目标贝叶斯滤波器及其近似技术、参数未知与机动多目标跟踪技术、航迹生成方法、单目标联合检测与跟踪滤波器及基于有限集观测的单目标滤波器等,对相关应用亦有所介绍.最后在已有研究发展的基础上,着眼于提高目标跟踪精度和增强目标跟踪鲁棒性的发展需要,提出了基于有限集统计学理论的目标跟踪技术需重点解决和关注的若干问题,包括多目标跟踪性能评价、弱小目标跟踪、多机动目标跟踪、多传感器融合跟踪以及联合目标检测、跟踪与分类等方面.     

机动目标跟踪中数据互联新方法

为解决机动目标跟踪过程中的数据互联问题,该文提出了一种数据互联新方法。与概率数据互联滤波器不同,在进行数据互联时,该方法假定目标当前转弯率在某一范围内取值,这样其预测中心不再是一个点,而是一线段。在计算测量的权重系数时,采用的是测量距该线段的距离。仿真实验表明,杂波环境下对机动目标跟踪时,该方法降低了航迹丢失率,提高了状态估计的精度。     

基于多模粒子滤波的机动弱目标检测前跟踪

检测前跟踪技术是低信噪比环境下目标检测与跟踪的有效方法。该文针对目标作复杂运动的情况,提出了机动弱目标检测前跟踪的多模粒子滤波算法。该算法在目标状态矢量中增加了表示目标存在与否以及目标运动模型的变量,采用粒子滤波实现了包含两个离散变量的混合滤波过程。仿真试验表明,该算法在经典跟踪方法难以发挥作用的低信噪比条件下,能够有效实现机动目标的检测与跟踪。     

基于Bayesian-Fisher 混合模型的强跟踪当前统计模型

针对当前统计模型(CS)不能自适应调节机动参数,导致对弱机动以及强机动目标跟踪性能下降的问题,提出了一种基于Bayesian-Fisher 混合模型的新方法。首先,通过引入Bayesian-Fisher 混合模型,将机动加速度均值作为未知的确定性输入增广到状态变量中,实现了对加速度均值的在线自适应估计;其次,根据强跟踪滤波器(STF)的思想,引入时变渐消因子,增强算法对突变状态的适应能力。仿真结果表明,该算法不仅提高了对弱机动和强机动目标的跟踪精度,也削弱了对初始机动参数的依赖。     

机动目标DOA跟踪粒子滤波算法

针对标准粒子滤波算法在机动目标波达方向(direction of arrival, DOA)随时间快速变化导致跟踪精度下降、实时性变差及多目标跟踪误差大等不足的问题,本文提出了一种改进粒子滤波(particle filter, PF)算法。该算法依据阵列信号处理模型和匀速(constant velocity,CV)模型,建立了机动目标跟踪的状态方程和观测方程作为状态空间模型,并在此基础上,借鉴多重信号分类(multiple signal classification,MUSIC)算法谱函数修改了粒子滤波的似然函数,实现了对目标方位的实时动态跟踪。仿真结果表明,与传统子空间类跟踪算法和标准粒子滤波算法相比,本文方法跟踪精度更高,收敛速度更快,抗噪能力及鲁棒性更强,对轨迹交叉的多目标跟踪性能也更优。      

使用交互多模型算法的高速高机动目标跟踪

对机动目标进行跟踪一直是甚具挑战性的问题,特别是跟踪高速高机动目标在理论上和实践上都有较高的技术难度。现有各种算法在这个问题上均有各自的缺点和不足。该文在现有的运动机动模型和IMM算法的基础上,提出了使用多种机动模型交互的IMM算法进行高速高机动目标跟踪。不同机动模型之间的互补使这种算法克服了使用单一模型的一些问题。使用“当前”统计模型、二级滤波模型和CV模型进行交互是一种可行的高速高机动目标跟踪方案。为验证算法的有效性,进行了Monte Carlo仿真。仿真结果表明,该算法在性能和计算复杂度之间取得了较好的平衡,有很好的可实现性。     

杂波环境密集机动目标跟踪PCIMM-UKF算法

杂波环境密集机动目标跟踪对于数据关联和滤波始终是一个挑战性问题,本文提出的PC（投影收缩）IMM（交互多模型）-UKF（无迹卡尔曼滤波）算法,利用优化领域前沿研究成果之一的投影收缩算法,解决了全局最优关联问题,同时将IMM和UKF算法结合,克服了非线性机动目标跟踪困难的缺点,大量数值仿真结果也表明该算法可行且有效。     

复合K噪声下机动目标跟踪自适应UPF算法

针对复合K噪声下机动目标跟踪系统具有强非线性非高斯的特点,提出了一种自适应无迹粒子滤波(Adaptive Unscented Particle Filter,AUPF)算法.该算法建立在常加速模型及其改进滤波算法基础上,并将无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter,UKF)与强跟踪滤波(Strong Tracking Filter,STF)算法相结合作为提议分布,提高了系统跟踪一般机动和阶跃机动的能力.在给出复合K噪声模型的基础上,利用AUPF算法对几种典型机动目标进行了计算机仿真,并同无迹粒子滤波(Unscented Particle Filter,UPF)算法进行了比较.仿真结果表明,复合K噪声下AUPF算法能更有效地对各种机动目标进行跟踪,具有较高的跟踪精度.     

狄拉克加权和概率假设密度滤波器

为解决在存在杂波、过程噪声协方差未知、目标数未知和变化情况下的多目标跟踪问题,提出了一种适用于线性系统模型的狄拉克加权和概率假设密度滤波器。该滤波器将多目标的后验矩表征为狄拉克加权和的形式。类似于高斯混合PHD滤波器,该滤波器在递归过程中传递多目标的后验矩。不像高斯混合PHD滤波器用卡尔曼滤波器获取多目标的后验更新矩,该滤波器采用变系数α-β滤波器获取多目标的更新后验矩。同时,也提出了一种变系数α-β滤波器中参数α和β的确定方法。仿真实验结果表明,所提出的滤波器为存在杂波、过程噪声协方差未知、目标数未知和变化情况下的多目标跟踪问题提供了一种有效途径,它的平均执行时间小于高斯混合PHD滤波器的平均执行时间,所以具有良好的工程应用前景。      

Tracking highly maneuverable targets with unknown behavior

Tracking of highly maneuvering targets with unknown behavior is a difficult problem in sequential state estimation. The performance of predictive-model-based Bayesian state estimators deteriorates quickly when their models are no longer accurate or their process noise is large. A data-driven approach to tracking, the segmenting track identifier (STI), is presented as an algorithm that operates well in environments where the measurement system is well understood but target motion is either or both highly unpredictable or poorly characterized. The STI achieves improved state estimates by the least-squares fitting of a motion model to a segment of data that has been partitioned from the total track such that it represents a single maneuver. Real-world STI tracking performance is demonstrated using sonar data collected from free-swimming fish, where the STI is shown to be effective at tracking highly maneuvering targets while relatively insensitive to its tuning parameters. Additionally, an extension of the STI to allow its use in the most common multiple target and cluttered environment data association frameworks is presented, and an STI-based joint probabilistic data association filter (STIJPDAF) is derived as a specific example. The STIJPDAF is shown by simulation to be effective at tracking a single fish in clutter and through empirical results from video data to be effective at simultaneously tracking multiple free-swimming fish.     

一种快速的多目标跟踪非线性滤波算法

多机动目标跟踪问题是目前目标跟踪领域的一个重要研究方向,而数据关联与跟踪维持是多目标跟踪的核心部分。利用支持向量机在分类识别方面的优势,研究了基于支持向量机的数据关联方法。在此基础上,采用交互式多模型算法和无味卡尔曼滤波相结合的方法研究了多机动目标的跟踪问题。在该方法中,目标的运动状态和方位误差由选定的采样点来近似,在每个更新过程中,采样点随着状态方程传播并随非线性测量方程变换,得到目标的运动状态和方位误差的均值,避免了对非线性方程的线性化,至少给出最佳估计的二阶近似。与传统的扩展卡尔曼(EKF)方法进行了仿真比较,仿真结果表明了该算法的有效性。