周志增 吳志建 顧榮軍 張聞琪

(中國人民解放軍63889部隊 河南孟州 454750 )

0 引言

雷達在對目標進行探測時,由于受到外界雜波、無源和有源干擾等因素的影響,在信號處理之后得到的虛假點跡進入雷達數(shù)據(jù)處理中,符合起批特性的點跡會建立起虛假航跡[1-2]。尤其是在未使用MTI、MTD等手段時,在雷達近區(qū)會形成大量的虛假航跡,嚴重影響對正確目標的判定。對于大功率雷達,即使采取抗干擾措施,雜波剩余也會影響對真實目標的發(fā)現(xiàn)。虛假航跡的出現(xiàn),一方面和系統(tǒng)信號處理有關,另一方面和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理的航跡處理算法,包括起始、濾波、質(zhì)量管理等環(huán)節(jié)有關。對于目前已投入使用的雷達設備,為降低虛假航跡對目標探測的影響,較為可行的方法就是提高數(shù)據(jù)處理的虛假航跡的抑制能力。

本項目以工程應用為目的,舍棄復雜的數(shù)據(jù)處理算法,基于現(xiàn)有雷達數(shù)據(jù)處理方法,針對不同應用場合,增加多種邏輯起始方法、對航跡進行速度、殘差濾波、進行航跡質(zhì)量管理,進一步提高數(shù)據(jù)處理抑制虛假航跡能力。

1 雷達數(shù)據(jù)處理方法

1.1 雷達多目標跟蹤算法

三坐標搜索雷達是一部方位機械掃描與仰角上電掃描的全相參脈沖多普勒雷達[3],其功能主要是對給定空域進行搜索,發(fā)現(xiàn)目標后進行敵我識別,對滿足既定準則的目標建立航跡跟蹤。其中多目標航跡跟蹤處理技術是技術關鍵,多目標跟蹤處理技術基于三維極坐標卡爾曼濾波技術,其處理框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理框圖

1.2 目標航跡的啟動

當測量值送入計算機后,即以測量值為基準建立相應的門。如果上一周有測量值落入相應的門內(nèi),該測量值就可以用來啟動一個新的跟蹤回路[4]。

用本次測量值建立對應門的優(yōu)點,是減少了所占用的內(nèi)存單元。

目標航跡的啟動過程見圖2所示。

圖2 目標航跡的啟動

目標進入的時間定義為計算機接收到目標測量值時刻,此時對應天線所在的實時位置。要求進入時間符合是為了避免同一天線旋轉周期內(nèi),兩個靠得近的目標被認為是同一目標在兩個天線旋轉周期進入的信號。

當計算機接收到目標測量值時,同時記下此單元的內(nèi)容,作為該目標的進入時間。兩個測量值的進入時間之差的絕對值必須大于某一常數(shù),就可以認為是不同天線旋轉周期進入的測量值。此常數(shù)與目標的方位角速度有關,選擇的余地很大。距離門和方位門的選擇主要根據(jù)目標的徑向速度、角速度和距離來選擇。距離門和方位門的選擇大小要合適,太大,容易產(chǎn)生虛假啟動,浪費時間;太小,使整個系統(tǒng)的快速性受到影響。例如,當目標的距離近、徑向速度大時,所選擇的門要大些,因為此時要快速給出目標的坐標,否則要貽誤戰(zhàn)機。相反對距離遠、徑向速度小的目標,門可以選擇得小些。搜索與指示雷達有很粗的仰角信息,所以在啟動跟蹤回路前,必須是仰角信息要符合才行。

1.3 多目標點跡航跡的互聯(lián)

每一個跟蹤回路以預報值為基準,形成相應的距離門[4],如果下一周期有測量值落入此門,則認為該測量值與此跟蹤回路互聯(lián)。門的大小一般可取為

互聯(lián)門大小的選擇靈活性很大,當取大時,目標丟失互聯(lián)的機會少,但分辨較困難,反之亦然。因此門的大小要折衷考慮。判別目標機動門,當目標的測量值落在此門之外,說明目標產(chǎn)生了大的機動,應使跟蹤回路的帶寬加大,來改善回路的機動性能?？梢钥闯?。此門要比互聯(lián)門小,其大小由目標的機動性確定。

2 算法總體考慮

2.1 實現(xiàn)依據(jù)

在雷達數(shù)據(jù)處理中,一方面要保證真實目標能正確、及時起批,另一方面還要有效降低虛假航跡的數(shù)量,兩者之間存在矛盾的地方,需要進行優(yōu)化處理。虛假航跡與真實航跡相比,其擬合誤差較高和航跡持續(xù)時間較短。針對虛假航跡所呈現(xiàn)的特性,可以在數(shù)據(jù)處理中結合多種濾波手段,本文從提高航跡起始約束條件開始、緊接著對航跡進行速度和殘差濾波、最后對航跡質(zhì)量進行管理,實現(xiàn)對雷達航跡的全壽命控制,從數(shù)據(jù)處理層面達到有效抑制虛假航跡的目的。

2.2 軟件設計

算法在Qt框架下實現(xiàn),采用多線程完成程序設計[5-6]。程序主要由WorkProccessing.cpp、process_thread.cpp、send_trace.cpp、workthread.cpp四個類完成數(shù)據(jù)處理主體功能。其中,workthread.cpp負責接收點跡;send_trace.cpp負責完成航跡發(fā)送;process_thread.cpp負責完成數(shù)據(jù)處理。WorkProccessing.cpp為數(shù)據(jù)處理主程序類,包含了航跡起始、關聯(lián)等相關處理函數(shù),后續(xù)相關虛假航跡抑制算法都在此類中進行添加。

虛假航跡抑制算法整體分為3個部分,分別為航跡啟動模塊、航跡濾波模塊、航跡質(zhì)量控制模塊,如圖3所示,3個模塊可分別使用,也可交互使用,可以更好地提高虛假航跡抑制能力。

圖3 算法總體流程

3 算法實現(xiàn)

3.1 多種邏輯起始方法

3.1.1 實現(xiàn)算法

邏輯法[7-8]簡述如下:

1)第一次測量值作為航跡初始位置,根據(jù)設置的初始波門大小對下一次落入該波門內(nèi)的測量值進行距離維和角度維關聯(lián),關聯(lián)成功則建立可能航跡;

2)根據(jù)目標速度和測量值進行航跡外推,得到外推點,以此為中心,以測量誤差為半徑確定關聯(lián)波門。對落入該波門的點跡進行關聯(lián),為簡便算法,直接去離中心最近的點;

3)重復2)步驟,如果后續(xù)沒有測量值進入外推波門,則撤銷此可能航跡;若有測量值落入外推波門,則進行更新航跡,直到航跡穩(wěn)定,航跡起始結束;

4)對于未與航跡關聯(lián)成功的點跡可作為新的航跡點進行起始處理。

在工程實現(xiàn)中存在兩種情況,第一種情況:假設已建立起航跡,在航跡表中存在待啟動點跡。在下一個周期,接收到點跡信息后,如圖4橢圓中所示。點跡首先和航跡進行關聯(lián)處理,利用關聯(lián)點跡對航跡進行更新,未關聯(lián)點跡存入待關聯(lián)點跡數(shù)組中,和待啟動點跡進行相關處理,存在關聯(lián)則啟動新航跡。否則,將待關聯(lián)點跡中的余下點跡存入航跡表中的待啟動點跡,清空前一周期的待啟動點跡。第二種情況:對于第一個周期的點跡,直接作為待啟動點跡和下周期的點跡進行關聯(lián)處理?？煽醋鞯谝环N情況的特殊情況。

圖4 點航關聯(lián)過程示意圖

使用邏輯法進行航跡起始,影響形成穩(wěn)定航跡的因素有很多,首先取決于算法的復雜程度、準確度和時效性。其次,取決于外界的干擾情況,雜波的分布程度和強度以及雷達的測量分辨率、測量誤差等等。對于不同類型的雷達,比如預警雷達,為快速起批,可降低掃描次數(shù),一般2～3次掃描。對于不同探測區(qū)域也需要區(qū)分,對于雜波區(qū)目標,可適當提高掃描次數(shù),一般為5～8次,對于清潔區(qū)目標,可降低掃描次數(shù),一般3～5次即可。常用的M/N邏輯法,就是在N次連續(xù)掃描中有不少于M次量測互聯(lián)成功就代表航跡起始成功。一般來說,M/N為3/4最為合適,提高N值對于系統(tǒng)的改善效果并不明顯。

在實際算法實現(xiàn)中,不僅要考慮算法的性能,還要考慮算法的復雜度。往往對于多次掃描,合適的M/N值是在[1/2,1]之間。M/N取值大于1/2表示關聯(lián)成功的數(shù)量超過一半,能提高航跡的可信度。若M/N取值為1,則表示要求每次都關聯(lián)成功,有可能會出現(xiàn)錯判。當2≤N≤5時,M的值可以為2、3、4。在工程實際中,往往選擇2/3和3/4。

在航跡起始算法中,添加多種邏輯起始方法。M/N值分別對應2/2、2/3、3/3、3/4、4/4、4/5,M/N邏輯法實現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 M/N邏輯法實現(xiàn)流程

其中, Count_1 代表掃描數(shù); Count_2 代表發(fā)現(xiàn)目標個數(shù);數(shù)組Count_3[] 記錄每次掃描中是否發(fā)現(xiàn)目標,發(fā)現(xiàn)計1,未發(fā)現(xiàn)計0。

3.1.2 數(shù)據(jù)處理結果

對同一組采集到的點跡數(shù)據(jù),分別采用M/N為2/2和4/4兩種邏輯法進行航跡處理。圖6為兩種結果的對比,從結果中可以看出,采用4/4可以明顯減少虛假航跡個數(shù),虛假航跡數(shù)由213個減少到136個。

3.2 速度濾波

1)實現(xiàn)算法

首先,根據(jù)目標運動特性,對目標速度最小值和最大值給出限定,然后根據(jù)航跡的速度濾波值和速度限定值進行比較,最后做出決策。對于雜波點來說,速度變化較大,而對于目標來說,速度一般比較平穩(wěn),兩者很容易區(qū)分。

圖6 M/N為2/2和4/4的航跡信息統(tǒng)計結果

圖7 速度濾波實現(xiàn)流程

2)數(shù)據(jù)處理結果

原數(shù)據(jù)處理未對速度進行濾波,現(xiàn)更改速度范圍為50～2000m/s,統(tǒng)計得到的航跡結果為增加速度濾波后,真實航跡數(shù)為12個,與實際值相差1個,可能是目標速度值跳動較大,其速度平均值落到速度范圍之外,導致航跡被舍棄。虛假航跡數(shù)從213個減少到128個,主要是對近區(qū)雜波點跡的濾除。速度濾波可以很直接地起到對虛假航跡的濾除效果,但首先是保證對目標測速穩(wěn)定,速度值跳動幅度小,否則容易被舍棄。其次是目標速度難以提前預知,只能設置一定的范圍,很難避免雜波點跡進入。如果速度值跳動較大幅度較大,所以在實際工作中,對速度進行濾波時范圍應設置較大,避免漏掉真實目標。

3.3 殘差濾波

1)算法實現(xiàn)

雷達測量信息是在極坐標下獲取的,其距離、方位、俯仰探測精度分別為σR、σA、σE,可通過信號處理后結果獲取。當殘差門限計算完成后,則可以將序列的殘差與門限進行比較,殘差門限為κσR、κσA、κσE,κ系數(shù)可根據(jù)實際情況進行調(diào)整。若小于門限,則正常起始航跡,若大于門限,則舍棄該航跡。具體標準如下:

如ER≤κσR且EA≤κσA且EE≤κσE,則航跡起始;

如ER≥κσR或EA≥κσA或EE≥κσE,則航跡舍棄。

采用該方法能保證在起始初期剔除一些雖然能相關成功,但質(zhì)量明顯較差的虛假航跡。整個算法流程如圖8所示。

圖8 殘差濾波實現(xiàn)流程

2)數(shù)據(jù)處理結果

對于殘差濾波,殘差計算是根據(jù)邏輯法中需要的點跡參數(shù)進行。因此,一般選擇較大的M值,此處,M=4。殘差系數(shù)分別為:距離系數(shù)κR=15;方位系數(shù)κA=5;俯仰系數(shù)κE=5。處理后的航跡信息顯示,虛假航跡數(shù)進一步減少,航跡正確率提高9%,但真實航跡數(shù)也與實際個數(shù)相差3個。由此可以看出,殘差濾波由于綜合多個點跡的距離、方位及俯仰信息,能有效過濾雜波點跡,對虛假航跡的生成具有較明顯的抑制作用。在實際使用過程中,由于點跡信息具有統(tǒng)計意義,要想取得較好的濾波效果,對雷達精度和殘差門限的設置都提出了很高的要求。

3.4 航跡質(zhì)量管控

在雜波密集區(qū)域,虛假航跡形成的概率較高,對于符合起始條件和濾波條件的虛假航跡來說,可以從航跡質(zhì)量進一步進行控制,從而盡可能縮短其生命周期。通常,我們認為經(jīng)過數(shù)據(jù)處理濾波得到的航跡點其可信度較高,相應的航跡質(zhì)量較高;而通過航跡外推得到的航跡點沒有測量值作為保證,可信度較低,航跡質(zhì)量較差。依據(jù)航跡濾波值和外推值來計算航跡質(zhì)量,通過設置門限值對航跡質(zhì)量進行管控,從而可盡早剔除航跡質(zhì)量不滿足要求的虛假航跡[10]。

第一種通過設置航跡質(zhì)量值對航跡質(zhì)量直接進行控制,第二種通過對雜波按照強度進行分區(qū),根據(jù)強度選擇航跡質(zhì)量。

對于第一種航跡質(zhì)量管控方法,通過對輸出航跡質(zhì)量進行累加計算,航跡正常進行濾波,航跡質(zhì)量+1。航跡進行外推,航跡質(zhì)量-1。通過選擇航跡質(zhì)量門限值,一旦航跡質(zhì)量大于門限,則輸出航跡。否則,認為航跡為虛假航跡,不進行后續(xù)處理。

對于通過雜波分區(qū)進行航跡質(zhì)量控制的實現(xiàn),先對空域按照距離和方位進行分區(qū)。在本算法中,在距離段上分為3段,分別是0～30km、30～70km、70～300km,在方位上分為2段,如圖9分區(qū)雜波示意圖所示,共劃分為5個分區(qū)。其次,通過滑窗對分區(qū)內(nèi)點跡進行統(tǒng)計,計算出點跡總數(shù)、分區(qū)點跡平均數(shù)。有兩種方式實施雜波分區(qū)對虛假航跡的抑制:

圖9 分區(qū)雜波示意圖

1)考慮到雷達探測近區(qū),如分區(qū)1和3,受雜波影響較大,設置航跡質(zhì)量門限值為Thres1,設置分區(qū)2和4航跡質(zhì)量門限值為Thres2,設置分區(qū)5航跡質(zhì)量門限值為Thres3,Thres1> Thres2> Thres3。

2)通過對分區(qū)點跡數(shù)和分區(qū)點跡平均數(shù)進行比較,選擇不同的航跡質(zhì)量門限值。

以上兩種方法,主要是對第一種航跡質(zhì)量管控方法的改善,根據(jù)分區(qū)雜波水平調(diào)整航跡質(zhì)量門限值,有針對性的加強對雜波點跡較多區(qū)域的虛假航跡抑制,同時減少遠區(qū)的航跡起始時間。

對于第一種航跡質(zhì)量管控方法,設置質(zhì)量值門限為4。對于基于雜波分區(qū)的航跡質(zhì)量管控方法,航跡結果如圖10所示。從圖10中可以看出,通過對航跡進行質(zhì)量控制,可以達到濾除虛假航跡的目的。

圖10 兩種質(zhì)量管控算法得到的航跡信息

4 應用策略

通過提高邏輯起始點數(shù)、增加速度濾波、殘差濾波、航跡質(zhì)量濾波的方法,實現(xiàn)對虛假航跡點的抑制,得出一些有用的結論,如下:

1)選擇M/N邏輯起始值,一般認為用3/4最為合適,M過小虛假航跡過多,過大影響建航時間,改進的效果并不明顯。

2)可靠進行速度濾波的前提是目標速度值穩(wěn)定,如果跳動幅度過大,很容易導致目標丟失。在實際使用中,可將范圍設置較寬,以免出現(xiàn)把真實點跡誤認為雜波點跡。同時,應選擇N值較大的邏輯起始方法,因為速度濾波是在邏輯起始基礎上再求速度平均,N值較大,有助于減少平均值誤差。

3)殘差濾波利用距離、方位、俯仰信息和雷達測量精度進行比較,采用該方法能保證在起始初期剔除一些雖然能相關成功,但質(zhì)量明顯較差的虛假航跡,抑制效果較好。在實際使用過程中,由于點跡信息具有一定的隨機性,要想取得不錯的濾波效果,應適當降低門限。

4)使用航跡質(zhì)量進行濾波時,可根據(jù)雜波分布調(diào)整雜波分區(qū)劃分和航跡質(zhì)量門限值,對雜波點跡密集的區(qū)域有針對性地進行濾波。

以上各種濾波方法可單獨使用,也可組合使用,組合使用時各濾波條件應相對放寬,以防出現(xiàn)漏警。

5 結束語

針對預警雷達易受虛假航跡影響這一問題,結合工程應用時效性、穩(wěn)定性等特點,開發(fā)了一套雷達數(shù)據(jù)處理方法。該方法針對不同應用場合,通過增加多種邏輯起始方法、對航跡進行速度和殘差濾波、對航跡質(zhì)量進行管理,一定程度上提高了數(shù)據(jù)處理的虛假航跡抑制能力。實測數(shù)據(jù)結果表明,該方法在保證對目標正確探測的基礎上,能有效降低虛假航跡的產(chǎn)生,有助于提高雷達適應復雜環(huán)境能力。