唐大宇

一種基于DSP的多目標(biāo)識(shí)別新方法?

唐大宇

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

為了適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需求，排除干擾，分離相互交疊的目標(biāo)，提出了一種多目標(biāo)識(shí)別的新方法。分析了各種干擾產(chǎn)生的原因，利用和差比以及信號(hào)脈沖前后沿的幅度差對(duì)重疊信號(hào)進(jìn)行解碼，并采用單脈沖測(cè)角技術(shù)精確地得到各目標(biāo)的角度，最后采用點(diǎn)跡相關(guān)技術(shù)對(duì)多次詢問(wèn)的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，最終得到每個(gè)目標(biāo)的航跡。實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了該方法的有效性。

多目標(biāo)識(shí)別；干擾；單脈沖測(cè)角；點(diǎn)跡相關(guān)

1 引言

多目標(biāo)識(shí)別在軍事或民用領(lǐng)域均有重要應(yīng)用。例如：戰(zhàn)域警戒（地面運(yùn)載工具和作戰(zhàn)單位）、海上警戒（水面艦艇和潛艇），以及空中航行管制（民航）等。對(duì)于現(xiàn)在越來(lái)越復(fù)雜的空中情況，信號(hào)中存在著各種干擾，如混擾、串?dāng)_［1］等，有效目標(biāo)信號(hào)出現(xiàn)交疊的情況也相對(duì)增多［2］。但通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)干擾的和差比很小，而多目標(biāo)信號(hào)相交疊時(shí)，由于各目標(biāo)的距離不同，接收機(jī)收到的信號(hào)強(qiáng)度也不同。本文基于上述思想，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析后，在DSP中設(shè)計(jì)了一種自制的識(shí)別方法，該方法從干擾產(chǎn)生的原理入手，利用脈沖前后沿幅度的差異來(lái)分離交

疊信號(hào)，采用單脈沖測(cè)角［3］和一種基于密度的點(diǎn)跡相關(guān)算法［4］來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行后期處理，并用MATLAB進(jìn)行了仿真，最后成功地應(yīng)用在實(shí)際工程中。這種方法具有提取起始航跡、處理虛警點(diǎn)，以及分辨混編點(diǎn)跡集的能力。

2 信號(hào)的干擾

信號(hào)在空間中的干擾非常復(fù)雜，為了處理多個(gè)目標(biāo)，接收機(jī)的波門會(huì)開得比較大，這樣除了不可避免的各種噪聲，還有如混擾、串?dāng)_、旁瓣干擾、多徑干擾等各種情況。本文主要對(duì)混擾、串?dāng)_、旁瓣干擾、多徑干擾進(jìn)行分析。

2.1混擾

混擾是二次雷達(dá)（SSR）系統(tǒng)內(nèi)部的一種干擾，當(dāng)詢問(wèn)方位上有兩個(gè)以上目標(biāo)時(shí)，接收機(jī)將同步地收到兩組以上回答信號(hào)，當(dāng)目標(biāo)間距小于3 km時(shí)，這些回答信號(hào)將交叉在一起，產(chǎn)生脈沖重疊或交錯(cuò)，這種干擾叫做混擾。

信號(hào)處理的目的就是要正確區(qū)分出這兩組信號(hào)，如圖1所示。

圖1 多組信號(hào)疊加并形成假目標(biāo)Fig.1 Multi-group signals overlap and form pseudo targets

混擾在以下條件將形成假目標(biāo)：

（1）兩組回答信號(hào)相距小于20.3μs，同時(shí)有兩個(gè)脈沖相距20.3μs；

（2）兩組回答信號(hào)相距大于20.3μs，同時(shí)有兩個(gè)脈沖相距20.3μs；

（3）同一組信號(hào)的SPI脈沖和C2脈沖相距20.3μs，也會(huì)形成假目。

2.2串?dāng)_

當(dāng)某一目標(biāo)同時(shí)收到兩個(gè)以上的詢問(wèn)機(jī)詢問(wèn)時(shí)，每個(gè)詢問(wèn)器除接收自己詢問(wèn)的回答信號(hào)外，同時(shí)均會(huì)接收到目標(biāo)對(duì)其他詢問(wèn)器的回答信號(hào)，對(duì)自己有用的回答信號(hào)造成干擾，這種干擾叫做串?dāng)_。

2.3旁瓣干擾

在詢問(wèn)器旁瓣方位上的目標(biāo)，有時(shí)收到旁瓣幅射信號(hào)觸發(fā)，產(chǎn)生回答信號(hào)，從旁瓣進(jìn)入詢問(wèn)造成干擾，將會(huì)誤認(rèn)為是主瓣方位上的有效信號(hào)，這種干擾就叫作旁瓣干擾。

2.4多徑干擾

在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間存在兩個(gè)或兩個(gè)以上信號(hào)傳輸路徑所造成的干擾，叫多徑干擾。直射以外的路徑可能是自然障礙物或人造建筑物體的反射造成的。當(dāng)直射波與反射波路徑差造成的信號(hào)傳播時(shí)延小于脈沖寬度時(shí)，將造成信號(hào)衰落或波動(dòng)；當(dāng)直射波與反射波傳播延時(shí)差大于脈沖寬度時(shí)，將造成干擾，這時(shí)接收機(jī)將收到兩組以上回答信號(hào)，這種干擾叫作多徑干擾；當(dāng)反射波通過(guò)在水平方向有傾斜角的地面上產(chǎn)生時(shí)，且當(dāng)直射波與反射波路徑差造成的信號(hào)傳播時(shí)延小于脈沖寬度時(shí)，將造成水平方向波束變形，這是最難解決的。

多徑干擾信號(hào)的特點(diǎn)是信號(hào)代碼完全相同、方位不同、反射路徑信號(hào)比直射信號(hào)弱且滯后。

3 信號(hào)處理

信號(hào)處理的目的就是從各種干擾中把有效的信號(hào)提取出來(lái)。為了去掉干擾，可以先從天線的方向圖入手，如圖2所示。

圖2 天線方向圖Fig.2 Antenna orientation diagram

從天線的方向圖中可以看出，目標(biāo)在天線波束范圍內(nèi)時(shí)，和幅度（∑）大于差幅度（Δ），當(dāng)天線正對(duì)目標(biāo)時(shí)，和幅度最大，而差幅度最小，在這里引進(jìn)和差幅度比（SDR）：

當(dāng)天線正對(duì)目標(biāo)時(shí)SDR的值最大，當(dāng)干擾信號(hào)或者目標(biāo)不在雷達(dá)波束范圍內(nèi)時(shí)，差的值變大，SDR值變小，如圖3所示。

圖3 多目標(biāo)和、差、SDR疊加圖Fig.3 Sum，minus and SDR overlap diagram of multi-target

由此可以有效地去掉從旁瓣進(jìn)入的信號(hào)。

從分析中可以發(fā)現(xiàn)，不管是多目標(biāo)相互的混擾，還是串?dāng)_、多徑干擾等各種干擾，各目標(biāo)應(yīng)答信號(hào)的幅度值是不同的，利用這種特性可以有效地剔除這幾種干擾。而且由于各目標(biāo)的幅度存在著差異，可以很容易地把混在一起的多個(gè)目標(biāo)分離出來(lái)，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的初步識(shí)別。

DSP從收到的脈沖中提取所需的各種信息，包括脈沖信息、身份信息和緊急信息，其中脈沖信息為一個(gè)時(shí)間（脈沖前沿時(shí)間）、脈沖寬度以及兩個(gè)幅度信息（一個(gè)脈沖的前沿和后沿的幅度）組成。判斷脈沖寬度，如果大于550 ns，則認(rèn)為是兩個(gè)脈沖相疊加，并將其分為兩個(gè)脈沖，并給該脈沖一個(gè)低置信度。根據(jù)應(yīng)答信號(hào)的特點(diǎn)，判斷有無(wú)兩個(gè)脈沖相距20.3μs，如果有，暫定為組脈沖為框架脈沖F1、F2。

DSP判斷框架后，先根據(jù)脈沖寬度和前后沿的幅度來(lái)判斷兩個(gè)框架脈沖是否為交疊脈沖。如果交疊，將其分為兩個(gè)脈沖，并判斷哪個(gè)為框架脈沖。當(dāng)框架脈沖F1、F2幅度相差在允許范圍內(nèi)時(shí)，給它一個(gè)高置信度。如果相差較大，可以認(rèn)為有兩種情況：第一，不是一對(duì)框架脈沖；第二，其中一個(gè)框架脈沖被其他脈沖疊加。這時(shí)給它一個(gè)低置信度，暫時(shí)不對(duì)它解碼。

確定框架脈沖以后，查找相應(yīng)的時(shí)間位置上是否有脈沖，如果有再判斷這個(gè)脈沖的幅度和框架脈沖的幅度相差是否在允許范圍內(nèi)，查找完以后，如所有脈沖都符合要求，則所有碼位為高置信度；如其中有一個(gè)或者一個(gè)以上的脈沖幅度和框架脈沖幅度相差過(guò)大，則碼位為低置信度。對(duì)于框架正確而低置信度的一組數(shù)據(jù)，繼續(xù)解碼。

在確定了框架脈沖以后，開始解碼，首先應(yīng)判斷框架中間的第7個(gè)脈沖時(shí)間點(diǎn)上有無(wú)脈沖（即距F1 10.15μs的位置上）。如果有，說(shuō)明這不是一組應(yīng)答碼數(shù)據(jù)，刪除這組數(shù)據(jù)；如果沒(méi)有，繼續(xù)向下解碼。

解碼時(shí)，依次判斷相應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)上有無(wú)對(duì)應(yīng)的脈沖，如果有，對(duì)應(yīng)的碼字為1，如果沒(méi)有，對(duì)應(yīng)的碼字為0，最后解出應(yīng)答碼。

對(duì)于有身份的應(yīng)答，如果是模式1，軍用識(shí)別應(yīng)答信號(hào)在SPI脈沖位置處開始復(fù)制一遍應(yīng)答框架脈沖及應(yīng)答信號(hào)，即發(fā)射連續(xù)兩組應(yīng)答碼。如果是其他模式，應(yīng)答信號(hào)在F2脈沖之后4.35μs發(fā)射一個(gè)SPI脈沖。

對(duì)于有緊急的應(yīng)答，如果是模式1、2，在發(fā)射一組應(yīng)答碼后再連續(xù)發(fā)射3組框架脈沖，間隔為4.35μs。如果是模式3，同模式1，但應(yīng)答碼編碼為7700。

剔除假框架的流程如圖4所示。

圖4 剔除假框架流程圖Fig.4 Flow chart of eliminating pseudo frame

4 后期處理

4.1單脈沖測(cè)角

在完成以上的工作以后，當(dāng)詢問(wèn)機(jī)以一定頻率隨天線旋轉(zhuǎn)詢問(wèn)時(shí)，在一個(gè)波束范圍內(nèi)可以進(jìn)行多次詢問(wèn)，輸出的結(jié)果用Matlab仿真，如圖5所示。

圖5 一個(gè)詢問(wèn)波束內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)跡Fig.5 Target′s point track in an inquiring beam

從圖中可以看出，在天線的波束范圍內(nèi)，詢問(wèn)次數(shù)不止一次，所在目標(biāo)出現(xiàn)的點(diǎn)跡也不止一個(gè)，目標(biāo)仍然是以多個(gè)點(diǎn)的形式離散出現(xiàn)，這樣還不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，在這里引入單脈沖測(cè)角的方法來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

從圖2天線方向圖中可以看出，在天線的波束范圍內(nèi)，當(dāng)天線沒(méi)有正對(duì)目標(biāo)時(shí)，和差的幅度以一定的比率變化，根據(jù)這個(gè)特性，把SDR值進(jìn)行查表以獲得OBA值，OBA值的正負(fù)可通過(guò)對(duì)∑、Δ通道的中頻鑒相得到，然后再加上天線的指向角度，就可以求得目標(biāo)的實(shí)際角度。用Matlab仿真，如圖6所示。

圖6 單脈沖測(cè)角后的目標(biāo)點(diǎn)跡Fig.6 Target′s point track after single pulse angle-measurement

4.2點(diǎn)跡相關(guān)

從圖6中可以看出，目標(biāo)雖然已經(jīng)收斂到很小的范圍內(nèi)，但仍然是多個(gè)點(diǎn)，為了得到準(zhǔn)確的點(diǎn)跡，采用了一種基于密度點(diǎn)跡相關(guān)的方法來(lái)進(jìn)行凝聚。即在一定的范圍內(nèi)，如果同一個(gè)目標(biāo)出現(xiàn)的次數(shù)大于一個(gè)門限值，認(rèn)為這個(gè)目標(biāo)真實(shí)出現(xiàn)，將這些出現(xiàn)點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)平均后，凝聚成一個(gè)點(diǎn)記錄下來(lái)，否則刪除這個(gè)目標(biāo)。

建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)進(jìn)行點(diǎn)跡相關(guān)存數(shù)（以下稱點(diǎn)跡相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)），當(dāng)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后得到一個(gè)目標(biāo)時(shí)，先把這個(gè)目標(biāo)和點(diǎn)跡相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)里的目標(biāo)比較，如果目標(biāo)與點(diǎn)跡相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)里任何目標(biāo)的方位和距離都相差很大，則把當(dāng)前目標(biāo)當(dāng)作一個(gè)新目標(biāo)存入點(diǎn)跡相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)；如果點(diǎn)跡相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)存在一個(gè)目標(biāo)N的方位和距離與當(dāng)前目標(biāo)的方位和距離相差很小，就認(rèn)為當(dāng)前目標(biāo)與目標(biāo)N有可能是同一個(gè)目標(biāo)。再比較當(dāng)前目標(biāo)與目標(biāo)N的各種詢問(wèn)模式，如果詢問(wèn)模式不同，則認(rèn)為當(dāng)前目標(biāo)與目標(biāo)N是同一個(gè)目標(biāo)的兩種不同詢問(wèn)模式的結(jié)果，將其存入為目標(biāo)N下的一種新的詢問(wèn)模式；如果和其中一種詢問(wèn)模式相同，再比較它們的應(yīng)答碼和應(yīng)答碼的置信度，并用高置信度的碼位代替低置信度的碼位，同時(shí)將該目標(biāo)出現(xiàn)的次數(shù)加1。如果一個(gè)碼位的兩個(gè)置信度都為高，但其數(shù)值不同，則認(rèn)為當(dāng)前目標(biāo)和目標(biāo)N為相同方位相同距離而不同高度的兩個(gè)目標(biāo)。

在每次詢問(wèn)結(jié)束后都對(duì)點(diǎn)跡相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)里的目標(biāo)進(jìn)行判斷，如果有目標(biāo)連續(xù)3次未出現(xiàn)，而且出現(xiàn)的總次數(shù)大于兩次，則認(rèn)為該目標(biāo)為真實(shí)目標(biāo)，將其送出，并在點(diǎn)跡相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)里刪除該目標(biāo)。

進(jìn)行了點(diǎn)跡相關(guān)以后，可以剔除異步干擾，將有效的目標(biāo)信息提取出來(lái)。

流程圖如圖7所示。

圖7 點(diǎn)跡相關(guān)流程Fig.7 Flowchart of point track

點(diǎn)跡相關(guān)后的目標(biāo)用Matlab仿真，如圖8所示。

圖8 點(diǎn)跡相關(guān)后的目標(biāo)點(diǎn)跡Fig.8 Target′s point track after point track correlation

從圖8中可以看出，現(xiàn)在的目標(biāo)只有一個(gè)點(diǎn)了，利用這點(diǎn)單一的點(diǎn)跡，將每圈詢問(wèn)中相同應(yīng)答碼的目標(biāo)連起來(lái)，就可以很方便地為目標(biāo)建立航跡了。

5 實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)

把這種方法用在實(shí)際應(yīng)用中也可以很好地得到目標(biāo)的航跡。如圖9所示，二次雷達(dá)對(duì)空中多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，在二次雷達(dá)邊上有幾個(gè)高塔會(huì)造成反射，而且在50 m外還有另一個(gè)二次雷達(dá)會(huì)造成串?dāng)_。在這種多干擾的惡劣環(huán)境下使用本方法依然成功地剔除了各種干擾，并清晰形成了各自的航跡顯示在雷達(dá)的顯示屏上。

圖9 多目標(biāo)航跡Fig.9 Multi-target path

6 結(jié)束語(yǔ)

本文從信號(hào)脈沖入手，通過(guò)分析各種情況下的脈沖，結(jié)合二次雷達(dá)信號(hào)的特點(diǎn)，提出了一種自制的處理方法，該方法可以在非常復(fù)雜的環(huán)境中對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行處理，并在實(shí)際工程中得到了應(yīng)用和驗(yàn)證。由于多目標(biāo)的信號(hào)十分復(fù)雜，對(duì)于目標(biāo)信號(hào)完全重合等情況，在現(xiàn)階段還無(wú)法進(jìn)行處理，相信通過(guò)對(duì)接收機(jī)、AD處理的提高、信號(hào)調(diào)制方式的改進(jìn)以及在后期再加入航跡處理，將能處理更多更復(fù)雜的目標(biāo)。

［1］黃成芳.二次雷達(dá)信號(hào)處理［R］.成都：中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，2005.

HUANG Cheng-fang.Secondary Surveillance Radar Signal Process［R］.Chengdu：Southwest China Institute of Electronic Technology，2005.（in Chinese）

［2］ICAO.Manual on the Secondary Surveillance Radar（SSR）Systems［M］.［S.l.］：International Civil Aviation Organization，2004.

［3］賈一凡，謝俊好.傳統(tǒng)單脈沖角分辨力統(tǒng)計(jì)分析［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2009，25（4）：308-309.

JIA Yi-fan，XIE Jun-hao.Statistical Analysis of Angular Resolution for Monopulse［J］.Control and Automation，2009，25（4）：308-309.（in Chinese）

［4］趙恩來(lái)，改進(jìn)的基于密度的航跡聚類算法［J］.計(jì)算機(jī)工程，2011，37（9）：270-272.

ZHAO En-lai，Improved Track Clustering Algorithm Based on Density［J］.Computer Engineering，2011，37（9）：270-272.（in Chinese）

A Novel Multi-target Identification Method Based on DSP

TANG Da-yu
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

For meeting the requirement of modern war，avoiding interference and separating cross multi-target，a novel multi-target identification method is proposed.After analysing the cause of all kinds of interference，overlap signals are decoded with sun-minus ratio and amplitude discrepancy of forward-edge and backwardedge of signals pulse.Angle of each target is obtained accurately by single pulse angle-measurement technique.Finally，path of each target is gained by processing signals of multi-inquiring based on the technique of point track correlation.Engineering application has proven the effectiveness of this method.

multi-target identification；interference；single pulse angle-measurement；point track correlation

the B.S.degree in 2001.He is now an engineer. His research concerns the digital signal processing for the secondary radar systems.

1001-893X（2012）05-0699-05

2012-02-20；

2012-03-20

TN958.96

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.05.019

唐大宇（1978—），男，四川成都人，2001年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)槎卫走_(dá)數(shù)字信號(hào)處理。

Email：iceshadowcn＠163.com

TANG Da-yu was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1978.He