本發(fā)明涉及專門適用于特定應(yīng)用的數(shù)字計(jì)算或數(shù)據(jù)處理的設(shè)備或方法技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種連發(fā)火炮彈道曲線擬合方法。

背景技術(shù)：

雷達(dá)彈道測(cè)量是靶場(chǎng)試驗(yàn)的重要方法，利用雷達(dá)對(duì)彈道參數(shù)進(jìn)行測(cè)量已成為廣泛使用的手段。在對(duì)連發(fā)火炮進(jìn)行初速測(cè)量時(shí)，由于炮口火焰與后效期的影響，使得初速的測(cè)量不準(zhǔn)確。在利用連續(xù)波雷達(dá)進(jìn)行彈丸初速測(cè)量時(shí)，多采用(初速)外推技術(shù)。通過外彈道測(cè)量數(shù)據(jù)處理對(duì)雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行航跡起始、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、跟蹤、濾波、平滑預(yù)測(cè)等運(yùn)算得到彈丸飛行全過程的彈道信息，最終根據(jù)出膛時(shí)刻外推得到彈丸的真實(shí)初速。

傳統(tǒng)彈道測(cè)量多目標(biāo)數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示，采用實(shí)時(shí)處理方式，從第一幀數(shù)據(jù)開始，進(jìn)行(信號(hào)處理)預(yù)處理、航跡起始、跟蹤濾波過程，每輸入一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)處理。傳統(tǒng)的航跡起始方法以第一幀數(shù)據(jù)作為起始數(shù)據(jù)。航跡起始的可靠性受到第一幀數(shù)據(jù)的影響較大。在連發(fā)的高射頻彈丸初速測(cè)量中，由于雷達(dá)起始檢測(cè)位置距離炮口較近、彈丸的速度高、rcs小等原因，第一幀數(shù)據(jù)中會(huì)產(chǎn)生較大干擾，使多目標(biāo)跟蹤效果較差，從而導(dǎo)致彈道測(cè)量的可靠性與穩(wěn)定性普遍不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何提供一種精度高的連發(fā)火炮彈道曲線擬合方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種連發(fā)火炮彈道曲線擬合方法，其特征在于包括如下步驟：

通過雷達(dá)采集連發(fā)火炮彈丸回波數(shù)據(jù)，炮口觸發(fā)儀采集炮彈出膛時(shí)刻；

對(duì)采集的所述回波數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)起始數(shù)據(jù)搜索，搜索出檢測(cè)質(zhì)量最高的點(diǎn)的作為航跡起始點(diǎn)，航跡起始點(diǎn)包含了時(shí)間和速度信息；

進(jìn)行航跡起始得到起始航跡；

對(duì)起始航跡進(jìn)行雙向α-β-γ跟蹤濾波，利用全彈道的量測(cè)信息以起始航跡為中心，向前后時(shí)刻分別進(jìn)行跟蹤濾波，形成彈道曲線。

進(jìn)一步的技術(shù)方案在于：所述最優(yōu)起始數(shù)據(jù)搜索的方法如下：

設(shè)置幀長(zhǎng)為n；第i幀數(shù)據(jù)中目標(biāo)個(gè)數(shù)為ki，每一幀數(shù)據(jù)內(nèi)第j個(gè)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的速度和時(shí)間分別為vj，tj；發(fā)射彈丸個(gè)數(shù)m_k，速度判決區(qū)間(vmin，vmax)，最大發(fā)射間隔δt；其中，m_k、vmin、vmax與δt可以根據(jù)試驗(yàn)時(shí)發(fā)射的彈丸種類得到；

最優(yōu)起始數(shù)據(jù)通過以下公式獲得：

1)干擾最少；

2)不存在異常數(shù)據(jù)；

其中k為雷達(dá)檢測(cè)到的目標(biāo)個(gè)數(shù)，δt是指彈丸之間的時(shí)間間隔。

進(jìn)一步的技術(shù)方案在于：1)初始化采樣次數(shù)計(jì)數(shù)器i；

2)將ki與m_k進(jìn)行比較；若ki<m_k，刪除對(duì)應(yīng)該數(shù)據(jù)并跳轉(zhuǎn)步驟5)；若k＝m_k，進(jìn)行步驟3)；若k>m_k，跳轉(zhuǎn)步驟4)；

3)遍歷i，若對(duì)于任意的vj，tj滿足vj∈(vmin，vmax)且(tj+1-tj)<δt，跳轉(zhuǎn)步驟8)；若不滿足，跳轉(zhuǎn)步驟5)；

4)計(jì)算數(shù)據(jù)目標(biāo)個(gè)數(shù)與發(fā)射彈丸個(gè)數(shù)差值儲(chǔ)存在向量p中，pi＝k-m_k；

5)i＝i+1，若i≤n，跳轉(zhuǎn)步驟2)；

6)遍歷向量p，找到p中最小值pi；

7)遍歷i，若對(duì)于任意的vj，tj滿足vj∈(vmin，vmax)且(tj+1-tj)<δt，跳轉(zhuǎn)步驟8)；若不滿足，刪除pi跳轉(zhuǎn)步驟6)；

8)設(shè)置第i幀數(shù)據(jù)為初始數(shù)據(jù)，搜索完成。

進(jìn)一步的技術(shù)方案在于：所述的在所有時(shí)刻的測(cè)量中搜索出檢測(cè)質(zhì)量最高的時(shí)刻作為航跡起始點(diǎn)的方法如下：

通過最優(yōu)起始數(shù)據(jù)搜索得到起始時(shí)刻l；

在第l幀數(shù)據(jù)內(nèi)每一個(gè)量測(cè)點(diǎn)建立初始航跡點(diǎn)；

根據(jù)下一幀數(shù)據(jù)的測(cè)量信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到下一幀數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)區(qū)域；將在關(guān)聯(lián)區(qū)域內(nèi)的量測(cè)進(jìn)行航跡拓展；若關(guān)聯(lián)區(qū)域內(nèi)存在多個(gè)量測(cè)，則采用最鄰近準(zhǔn)則選取最鄰近關(guān)聯(lián)區(qū)域中心點(diǎn)的量測(cè)；若關(guān)聯(lián)區(qū)域沒有量測(cè)，則刪除對(duì)應(yīng)的初始航跡點(diǎn)；

對(duì)l+2時(shí)刻數(shù)據(jù)重復(fù)上述過程，航跡起始完成。

進(jìn)一步的技術(shù)方案在于：所述的雙向α-β-γ跟蹤濾波過程分為前向?yàn)V波與后向?yàn)V波兩部分，假設(shè)起始航跡的時(shí)刻為l、l+1、l+2，在l-1到1時(shí)刻進(jìn)行前向?yàn)V波；在l+3到結(jié)束時(shí)刻進(jìn)行后向?yàn)V波。

進(jìn)一步的技術(shù)方案在于：進(jìn)行前向?yàn)V波時(shí)假設(shè)目標(biāo)從l+2時(shí)刻開始到第1時(shí)刻做近似勻加速運(yùn)動(dòng)，從l-1時(shí)刻開始進(jìn)行α-β-γ濾波，直到第1時(shí)刻濾波完成；α-β-γ前向?yàn)V波方程如下：

1)目標(biāo)狀態(tài)方程

x(i-1)＝px(i)+φn(i)(3)

在初速測(cè)量中，目標(biāo)的狀態(tài)主要包括速度、加速度、加加速度，

為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；為噪聲分布矩陣；n(i)為均值為零的高斯白噪聲；

2)量測(cè)方程

z(i)＝h(i)x(i)+w(i)(4)

量測(cè)矩陣h(i)＝[100]，量測(cè)噪聲w(i)為高斯白噪聲，均值為零；

3)α-β-γ濾波器狀態(tài)更新方程

其中，k為增益；

i從l到2進(jìn)行取值，i-1時(shí)刻的參數(shù)估計(jì)如下：

vest(i),分別為i時(shí)刻的速度、加速度和加加速度匹配值；vpre(i)，分別為i時(shí)刻的速度、加速度和加加速度估計(jì)值。

i-1時(shí)刻目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的匹配值如下：

增益系數(shù)α，β，γ通過臨界阻尼選擇法得到，通過跟蹤濾波得到目標(biāo)當(dāng)前時(shí)刻運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)值，直到第1距離門數(shù)據(jù)完成濾波。

進(jìn)一步的技術(shù)方案在于：所述方法在最優(yōu)起始數(shù)據(jù)搜索之前還包括對(duì)雷達(dá)采集連發(fā)火炮彈丸的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的步驟。

進(jìn)一步的技術(shù)方案在于：所述預(yù)處理是指對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行處理，包括短時(shí)傅里葉變換與恒虛警方法，用于從雷達(dá)回波數(shù)據(jù)中提取出目標(biāo)的時(shí)間與速度信息。

采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：本發(fā)明所述方法首先選擇檢測(cè)效果最佳的數(shù)據(jù)作為起始數(shù)據(jù)進(jìn)行航跡起始；對(duì)起始航跡進(jìn)行雙向α-β-γ跟蹤濾波，利用全彈道的量測(cè)信息以起始航跡為中心，向前后時(shí)刻分別進(jìn)行跟蹤濾波，形成彈道曲線。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，所述方法能夠避免第一幀數(shù)據(jù)不確定性帶來的影響，提高了雷達(dá)測(cè)量彈道參數(shù)的可靠性與穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)多目標(biāo)彈道數(shù)據(jù)處理流程圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例所述方法的流程圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例所述方法中最優(yōu)起始數(shù)據(jù)搜索算法流程圖；

圖4是現(xiàn)有技術(shù)得到的航跡起始結(jié)果圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例所述方法得到的航跡起始結(jié)果圖；

圖6是現(xiàn)有技術(shù)的目標(biāo)點(diǎn)跡圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例通過所述方法得到的目標(biāo)點(diǎn)跡圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實(shí)施例的限制。

如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例公開了一種連發(fā)火炮彈道曲線擬合方法，包括如下步驟：

通過雷達(dá)采集連發(fā)火炮彈丸回波數(shù)據(jù)，炮口觸發(fā)儀采集炮彈出膛時(shí)刻；

對(duì)雷達(dá)采集連發(fā)火炮彈丸的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，所述預(yù)處理是指對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行處理，包括短時(shí)傅里葉變換與恒虛警方法，用于從雷達(dá)回波數(shù)據(jù)中提取出目標(biāo)的時(shí)間與速度信息；

對(duì)預(yù)處理后的所述回波數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)起始數(shù)據(jù)搜索，搜索出檢測(cè)質(zhì)量最高的點(diǎn)的作為航跡起始點(diǎn)，航跡起始點(diǎn)包含了時(shí)間和速度信息；

進(jìn)行航跡起始得到起始航跡；

對(duì)起始航跡進(jìn)行雙向α-β-γ跟蹤濾波，利用全彈道的量測(cè)信息以起始航跡為中心，向前后時(shí)刻分別進(jìn)行跟蹤濾波，形成彈道曲線。

最優(yōu)起始數(shù)據(jù)搜索算法

設(shè)置幀長(zhǎng)為n；第i幀數(shù)據(jù)中目標(biāo)個(gè)數(shù)為ki，每一幀數(shù)據(jù)內(nèi)第j個(gè)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的速度和時(shí)間分別為vj，tj；發(fā)射彈丸個(gè)數(shù)m_k，速度判決區(qū)間(vmin，vmax)，最大發(fā)射間隔δt。其中，m_k、vmin、vmax與δt可以根據(jù)試驗(yàn)時(shí)發(fā)射的彈丸種類得到。

最優(yōu)起始數(shù)據(jù)判決條件有以下兩點(diǎn)：

1)干擾最少；

2)不存在異常數(shù)據(jù)；

最佳起始數(shù)據(jù)搜索算法流程圖如圖3所示。

最優(yōu)起始數(shù)據(jù)搜索過程如下：

(1)初始化采樣次數(shù)計(jì)數(shù)器i；

(2)將ki與m_k進(jìn)行比較。若ki<m_k，刪除對(duì)應(yīng)該數(shù)據(jù)并跳轉(zhuǎn)步驟(5)；若k＝m_k，進(jìn)行步驟(3)；若k>m_k，跳轉(zhuǎn)步驟(4)；

(3)遍歷i，若對(duì)于任意的vj，tj滿足vj∈(vmin，vmax)且(tj+1-tj)<δt，跳轉(zhuǎn)步驟(8)；若不滿足，跳轉(zhuǎn)步驟(5)；

(4)計(jì)算數(shù)據(jù)目標(biāo)個(gè)數(shù)與發(fā)射彈丸個(gè)數(shù)差值儲(chǔ)存在向量p中，pi＝k-m_k；

(5)i＝i+1，若i≤n，跳轉(zhuǎn)步驟(2)；

(6)遍歷向量p，找到p中最小值pi；

(7)遍歷i，若對(duì)于任意的vj，tj滿足vj∈(vmin，vmax)且(tj+1-tj)<δt，跳轉(zhuǎn)步驟(8)；若不滿足，刪除pi跳轉(zhuǎn)步驟(6)；

(8)設(shè)置第i幀數(shù)據(jù)為初始數(shù)據(jù)，搜索完成。

航跡起始算法：

高射頻火炮初速測(cè)量航跡起始采用基于邏輯的方法，過程如下：

(1)通過最優(yōu)起始數(shù)據(jù)搜索算法得到起始時(shí)刻l；

(2)在第l幀數(shù)據(jù)內(nèi)每一個(gè)量測(cè)點(diǎn)建立初始航跡點(diǎn)；

(3)根據(jù)下一幀數(shù)據(jù)的測(cè)量信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到下一幀數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)區(qū)域。將在關(guān)聯(lián)區(qū)域內(nèi)的量測(cè)進(jìn)行航跡拓展。若關(guān)聯(lián)區(qū)域內(nèi)存在多個(gè)量測(cè)，則采用最鄰近準(zhǔn)則選取最鄰近關(guān)聯(lián)區(qū)域中心點(diǎn)的量測(cè)；若關(guān)聯(lián)區(qū)域沒有量測(cè)，則刪除對(duì)應(yīng)的初始航跡點(diǎn)。

(4)對(duì)l+2時(shí)刻數(shù)據(jù)重復(fù)上述過程，航跡起始完成。

雙向α-β-γ跟蹤濾波：

α-β-γ濾波是一種簡(jiǎn)化了卡爾曼濾波的常增益濾波方法。α-β-γ濾波適用于高速?gòu)椡璧倪\(yùn)動(dòng)模型并且計(jì)算過程簡(jiǎn)單，非常適用于彈道初速測(cè)量中的跟蹤濾波。傳統(tǒng)的α-β-γ濾波算法是按時(shí)間順序由初始時(shí)刻從前至后的遞推過程，不適用于當(dāng)前從中間時(shí)刻起始的算法。

本發(fā)明提出了一種雙向α-β-γ濾波。該濾波過程分為前向?yàn)V波與后向?yàn)V波兩部分。假設(shè)起始航跡的時(shí)刻為l、l+1、l+2，在l-1到1時(shí)刻進(jìn)行前向?yàn)V波；在l+3到結(jié)束時(shí)刻進(jìn)行后向?yàn)V波。

進(jìn)行前向?yàn)V波時(shí)假設(shè)目標(biāo)從l+2時(shí)刻開始到第1時(shí)刻做近似勻加速運(yùn)動(dòng)，從l-1時(shí)刻開始進(jìn)行α-β-γ濾波，直到第1時(shí)刻濾波完成。α-β-γ前向?yàn)V波方程如下：

(1)目標(biāo)狀態(tài)方程

x(i-1)＝px(i)+φn(i)(3)

在初速測(cè)量中，目標(biāo)的狀態(tài)主要包括速度、加速度、加加速度，

為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；為噪聲分布矩陣；n(i)為均值為零的高斯白噪聲。

(2)量測(cè)方程

z(i)＝h(i)x(i)+w(i)(4)

量測(cè)矩陣h(i)＝[100]，量測(cè)噪聲w(i)為高斯白噪聲，均值為零。

3)α-β-γ濾波器狀態(tài)更新方程

其中，k為增益；

i從l到2進(jìn)行取值，i-1時(shí)刻的參數(shù)估計(jì)如下：

vest(i),分別為i時(shí)刻的速度、加速度和加加速度匹配值；vpre(i)，分別為i時(shí)刻的速度、加速度和加加速度估計(jì)值。

i-1時(shí)刻目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的匹配值如下：

增益系數(shù)α，β，γ通過臨界阻尼選擇法得到，通過跟蹤濾波得到目標(biāo)當(dāng)前時(shí)刻運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)值，直到第1距離門數(shù)據(jù)完成濾波。后向跟蹤濾波過程與傳統(tǒng)跟蹤過程相同，在此不在贅述。采用雙向跟蹤濾波的方法充分利用了全彈道信息，可以得到更加準(zhǔn)確的彈道估計(jì)。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理：

利用現(xiàn)有航跡起始與跟蹤算法和本發(fā)明所述方法分別對(duì)7連發(fā)火炮彈丸連續(xù)波雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，得到的航跡起始結(jié)果分別如圖4圖5所示。圖4為原始航跡起始算法得到的起始航跡，從圖中可以看出利用原始彈跡起始算法檢測(cè)出了12條航跡，出現(xiàn)了5條虛假航跡。圖5為本發(fā)明所述方法的結(jié)果圖，從圖中可以看出，利用該方法檢測(cè)到了7條起始航跡，相比于原始算法減少了大量虛假航跡，具有更高的可靠性。

圖6為現(xiàn)有算法的濾波結(jié)果，從圖中可以明顯看出由彈丸點(diǎn)跡與彈丸運(yùn)動(dòng)模型偏差較大，主要是由于原始航跡起始算法中出現(xiàn)了大量的虛假航跡，導(dǎo)致跟蹤濾波得到的結(jié)果存在較大偏差。圖7為通過本發(fā)明所述算法得到的目標(biāo)點(diǎn)跡，從圖中可以清楚地看出7發(fā)彈丸在做減速運(yùn)動(dòng)，符合彈丸運(yùn)動(dòng)模型。其中：圖6和圖7中按照初始時(shí)刻從左到右分別為第一至第七彈。

表1

表1所示彈丸發(fā)射時(shí)間與外推出的7發(fā)彈的初速，平均速度為892m/s，與理論值900m/s的誤差在1％以內(nèi)，誤差在合理區(qū)間內(nèi)，達(dá)到了初速測(cè)量要求。

本發(fā)明將改進(jìn)的航跡起始與跟蹤算法在高射頻連發(fā)彈丸初速測(cè)量中進(jìn)行了應(yīng)用，并通過對(duì)7連發(fā)彈丸雷達(dá)回波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，驗(yàn)證了所述方法的正確性。最終的處理結(jié)果顯示，在彈道測(cè)試中，所述方法比傳統(tǒng)算法具有更高的抗干擾能力，能夠獲得較為準(zhǔn)確的彈道曲線。