一種基于DSP的多目標(biāo)識別新方法?

唐大宇

一種基于DSP的多目標(biāo)識別新方法?

唐大宇

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

為了適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需求，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脈沖前后沿的幅度差對重疊信號進(jìn)行解碼，并采用單脈沖測角技術(shù)精確地得到各目標(biāo)的角度，最后采用點跡相關(guān)技術(shù)對多次詢問的信號進(jìn)行進(jìn)一步的處理，最終得到每個目標(biāo)的航跡。實際應(yīng)用驗證了該方法的有效性。

多目標(biāo)識別；干擾；單脈沖測角；點跡相關(guān)

1 引言

多目標(biāo)識別在軍事或民用領(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。對于現(xiàn)在越來越復(fù)雜的空中情況，信號中存在著各種干擾，如混擾、串?dāng)_［1］等，有效目標(biāo)信號出現(xiàn)交疊的情況也相對增多［2］。但通過對信號進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)干擾的和差比很小，而多目標(biāo)信號相交疊時，由于各目標(biāo)的距離不同，接收機(jī)收到的信號強(qiáng)度也不同。本文基于上述思想，在對信號進(jìn)行分析后，在DSP中設(shè)計了一種自制的識別方法，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分離交

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

2 信號的干擾

信號在空間中的干擾非常復(fù)雜，為了處理多個目標(biāo)，接收機(jī)的波門會開得比較大，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)詢問方位上有兩個以上目標(biāo)時，接收機(jī)將同步地收到兩組以上回答信號，當(dāng)目標(biāo)間距小于3 km時，這些回答信號將交叉在一起，產(chǎn)生脈沖重疊或交錯，這種干擾叫做混擾。

信號處理的目的就是要正確區(qū)分出這兩組信號，如圖1所示。

圖1 多組信號疊加并形成假目標(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）兩組回答信號相距小于20.3μs，同時有兩個脈沖相距20.3μs；

（2）兩組回答信號相距大于20.3μs，同時有兩個脈沖相距20.3μs；

（3）同一組信號的SPI脈沖和C2脈沖相距20.3μs，也會形成假目。

2.2串?dāng)_

當(dāng)某一目標(biāo)同時收到兩個以上的詢問機(jī)詢問時，每個詢問器除接收自己詢問的回答信號外，同時均會接收到目標(biāo)對其他詢問器的回答信號，對自己有用的回答信號造成干擾，這種干擾叫做串?dāng)_。

2.3旁瓣干擾

在詢問器旁瓣方位上的目標(biāo)，有時收到旁瓣幅射信號觸發(fā)，產(chǎn)生回答信號，從旁瓣進(jìn)入詢問造成干擾，將會誤認(rèn)為是主瓣方位上的有效信號，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)之間存在兩個或兩個以上信號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傳播時延小于脈沖寬度時，將造成信號衰落或波動；當(dāng)直射波與反射波傳播延時差大于脈沖寬度時，將造成干擾，這時接收機(jī)將收到兩組以上回答信號，這種干擾叫作多徑干擾；當(dāng)反射波通過在水平方向有傾斜角的地面上產(chǎn)生時，且當(dāng)直射波與反射波路徑差造成的信號傳播時延小于脈沖寬度時，將造成水平方向波束變形，這是最難解決的。

多徑干擾信號的特點是信號代碼完全相同、方位不同、反射路徑信號比直射信號弱且滯后。

3 信號處理

信號處理的目的就是從各種干擾中把有效的信號提取出來。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，和幅度（∑）大于差幅度（Δ），當(dāng)天線正對目標(biāo)時，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)天線正對目標(biāo)時SDR的值最大，當(dāng)干擾信號或者目標(biāo)不在雷達(dá)波束范圍內(nèi)時，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。

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目標(biāo)分離出來，實現(xiàn)多目標(biāo)的初步識別。

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時間（脈沖前沿時間）、脈沖寬度以及兩個幅度信息（一個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)為是兩個脈沖相疊加，并將其分為兩個脈沖，并給該脈沖一個低置信度。根據(jù)應(yīng)答信號的特點，判斷有無兩個脈沖相距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判斷兩個框架脈沖是否為交疊脈沖。如果交疊，將其分為兩個脈沖，并判斷哪個為框架脈沖。當(dāng)框架脈沖F1、F2幅度相差在允許范圍內(nèi)時，給它一個高置信度。如果相差較大，可以認(rèn)為有兩種情況：第一，不是一對框架脈沖；第二，其中一個框架脈沖被其他脈沖疊加。這時給它一個低置信度，暫時不對它解碼。

確定框架脈沖以后，查找相應(yīng)的時間位置上是否有脈沖，如果有再判斷這個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；如其中有一個或者一個以上的脈沖幅度和框架脈沖幅度相差過大，則碼位為低置信度。對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個脈沖時間點上有無脈沖（即距F1 10.15μs的位置上）。如果有，說明這不是一組應(yīng)答碼數(shù)據(jù)，刪除這組數(shù)據(jù)；如果沒有，繼續(xù)向下解碼。

解碼時，依次判斷相應(yīng)的時間點上有無對應(yīng)的脈沖，如果有，對應(yīng)的碼字為1，如果沒有，對應(yīng)的碼字為0，最后解出應(yīng)答碼。

對于有身份的應(yīng)答，如果是模式1，軍用識別應(yīng)答信號在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，即發(fā)射連續(xù)兩組應(yīng)答碼。如果是其他模式，應(yīng)答信號在F2脈沖之后4.35μs發(fā)射一個SPI脈沖。

對于有緊急的應(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單脈沖測角

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

圖5 一個詢問波束內(nèi)目標(biāo)點跡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)，詢問次數(shù)不止一次，所在目標(biāo)出現(xiàn)的點跡也不止一個，目標(biāo)仍然是以多個點的形式離散出現(xiàn)，這樣還不能滿足實際應(yīng)用的需要，在這里引入單脈沖測角的方法來對目標(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)天線沒有正對目標(biāo)時，和差的幅度以一定的比率變化，根據(jù)這個特性，把SDR值進(jìn)行查表以獲得OBA值，OBA值的正負(fù)可通過對∑、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)的實際角度。用Matlab仿真，如圖6所示。

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

4.2點跡相關(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)，但仍然是多個點，為了得到準(zhǔn)確的點跡，采用了一種基于密度點跡相關(guān)的方法來進(jìn)行凝聚。即在一定的范圍內(nèi)，如果同一個目標(biāo)出現(xiàn)的次數(shù)大于一個門限值，認(rèn)為這個目標(biāo)真實出現(xiàn)，將這些出現(xiàn)點進(jìn)行加權(quán)平均后，凝聚成一個點記錄下來，否則刪除這個目標(biāo)。

建立一個數(shù)據(jù)庫來進(jìn)行點跡相關(guān)存數(shù)（以下稱點跡相關(guān)數(shù)據(jù)庫），當(dāng)經(jīng)過信號處理后得到一個目標(biāo)時，先把這個目標(biāo)和點跡相關(guān)數(shù)據(jù)庫里的目標(biāo)比較，如果目標(biāo)與點跡相關(guān)數(shù)據(jù)庫里任何目標(biāo)的方位和距離都相差很大，則把當(dāng)前目標(biāo)當(dāng)作一個新目標(biāo)存入點跡相關(guān)數(shù)據(jù)庫；如果點跡相關(guān)數(shù)據(jù)庫存在一個目標(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有可能是同一個目標(biāo)。再比較當(dāng)前目標(biāo)與目標(biāo)N的各種詢問模式，如果詢問模式不同，則認(rèn)為當(dāng)前目標(biāo)與目標(biāo)N是同一個目標(biāo)的兩種不同詢問模式的結(jié)果，將其存入為目標(biāo)N下的一種新的詢問模式；如果和其中一種詢問模式相同，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，同時將該目標(biāo)出現(xiàn)的次數(shù)加1。如果一個碼位的兩個置信度都為高，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目標(biāo)。

在每次詢問結(jié)束后都對點跡相關(guān)數(shù)據(jù)庫里的目標(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)為真實目標(biāo)，將其送出，并在點跡相關(guān)數(shù)據(jù)庫里刪除該目標(biāo)。

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

流程圖如圖7所示。

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

點跡相關(guān)后的目標(biāo)用Matlab仿真，如圖8所示。

圖8 點跡相關(guān)后的目標(biāo)點跡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)只有一個點了，利用這點單一的點跡，將每圈詢問中相同應(yīng)答碼的目標(biāo)連起來，就可以很方便地為目標(biāo)建立航跡了。

5 實際應(yīng)用中的表現(xiàn)

把這種方法用在實際應(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)對空中多個目標(biāo)進(jìn)行識別，在二次雷達(dá)邊上有幾個高塔會造成反射，而且在50 m外還有另一個二次雷達(dá)會造成串?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

本文從信號脈沖入手，通過分析各種情況下的脈沖，結(jié)合二次雷達(dá)信號的特點，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)境中對多目標(biāo)進(jìn)行處理，并在實際工程中得到了應(yīng)用和驗證。由于多目標(biāo)的信號十分復(fù)雜，對于目標(biāo)信號完全重合等情況，在現(xiàn)階段還無法進(jìn)行處理，相信通過對接收機(jī)、AD處理的提高、信號調(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)信號處理［R］.成都：中國西南電子技術(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)計分析［J］.微計算機(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，改進(jìn)的基于密度的航跡聚類算法［J］.計算機(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，主要研究方向為二次雷達(dá)數(shù)字信號處理。

Email：iceshadowcn＠163.com

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