运动目标激光探测的捕获概率与跟踪算法研究

摘要

激光雷达是依据激光光束照射到目标的散射信息来判断目标的位置、速度等参数的探测系统。激光雷达在对远距离的小目标进行探测时，与微波雷达相比在距离分辨率、角分辨率、抗干扰能力等方面具有一定优势。在以探测目标并对其跟踪为主的激光雷达探测系统中，对目标的捕获以及跟踪能力是衡量系统的重要指标。考虑到目标的运动轨迹不确定性，研究目标在不同轨迹运动情况下系统捕获目标的概率具有一定理论意义和应用意义。
　　本文在介绍激光雷达的基本原理基础上，详细介绍激光雷达探测系统的组成、目标运动模型的选取以及激光束扫描方式的设计。从空间非合作目标匀速直线运动出发，用匀速圆弧运动模型近似模拟目标在曲线运动过程中的轨迹，开展捕获概率的研究。在矩形和矩形螺旋两种扫描方式下，推导了激光探测系统的捕获概率方程。在已有实验基础上研究探测概率，综合目标捕获概率与探测概率。系统分析了激光发散角、激光重频和扫描范围等参数下，系统捕获目标的概率。为探测系统各参数合理设计提供一定理论依据。开展了运动目标跟踪研究。采用Kalman滤波算法对目标在一定空域内运动的轨迹进行仿真和分析。结果表明，当目标运动模型和空域一定时，该算法可以实现对目标运动轨迹的估计、跟踪。随着滤波点数增加，估值后的目标轨迹与理论目标轨迹之间的误差逐渐减小直至重合。从激光扫描形成的探测区域出发，结合滤波误差，验证在最大误差情况下，该算法可以有效的对激光雷达伺服系统提供轨迹信息以控制扫描系统的转动。转动后系统扫描区域能覆盖信号，实现目标及时跟踪。最后，为进一步测试系统在不同扫描方式下的目标捕获性能，设计并搭建了运动目标模型和原理性实验系统。对匀速圆弧运动的目标进行捕获实验，就测量结果开展了分析讨论。

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第一章 绪论

1.1搜索式捕获理论概述

1.2运动目标跟踪算法概述

1.3 本文的研究内容与结构安排

第二章 对运动目标的捕获概率分析

2.1 激光雷达目标探测原理

2.2 目标模型与激光扫描方式分析

2.3目标综合概率理论分析

2.4目标综合概率仿真

2.5 本章小结

第三章 基于Kalman滤波运动目标跟踪分析

3.1 目标跟踪系统中Kalman滤波的基本方程

3.2目标跟踪系统Kalman滤波方程的公式推导

3.3 基于Kalman滤波算法的目标跟踪仿真

3.4 本章小结

第四章 对运动目标的探测原理性实验研究

4.1 运动目标的设计

4.2 圆弧运动下目标捕获概率实验研究

4.3 运动目标初步定位实验研究

4.4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

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