一種基于三坐標雷達的點跡凝聚方法

周 喃

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭電子信息化的背景下，被稱為“千里眼、順風耳”的雷達日益重要。作為雷達系統(tǒng)的核心部分，信號處理越來越受到關(guān)注，技術(shù)指標要求也越來越高。雷達系統(tǒng)的主要任務(wù)就是判定目標是否存在，以及對多批次多目標進行精確的探測和跟蹤，而回波數(shù)據(jù)的點跡提取是這一切任務(wù)實現(xiàn)的基礎(chǔ)。性能良好的點跡提取系統(tǒng)能夠精確有效地提取目標，這對于雷達系統(tǒng)的性能有著至關(guān)重要的意義。

隨雷達系統(tǒng)的工作方式及參數(shù)不同，需要處理的數(shù)據(jù)內(nèi)容及具體方法也不相同。本文所述的點跡提取是針對典型三坐標雷達而言的，系統(tǒng)對回波數(shù)據(jù)進行采集，并以重復周期為單位進行數(shù)據(jù)的預處理、處理，提取出目標信息，送航跡處理和終端顯示。由于目標與雷達載機平臺的相對運動及雷達照射波束的主旁瓣關(guān)系，屬于同一目標的回波信號一般會在相鄰的距離、俯仰波束和方位分辨單元都有體現(xiàn)。因此，要提取準確、有效的目標信息，點跡提取系統(tǒng)解決的首要問題就是進行3個維度上的凝聚［1-2］。

1 點跡凝聚的技術(shù)概述

1.1 回波信號的特性及凝聚的意義

理想的目標回波在方位上應表現(xiàn)為雷達天線方向圖的展寬，而在距離上則取決于信號處理機所采用的脈沖壓縮波形。圖1 從距離、方位、俯仰角度三方面展示了回波的特性。如圖所示，經(jīng)典的三坐標雷達一般是機械掃描天線雷達，天線波束有一定的寬度，轉(zhuǎn)速較慢(一般是6 r/min），波束掃過目標時將獲得一串回波脈沖，所以一個點目標在可檢測方位上可能占據(jù)幾十甚至上百個主脈沖。同時，點目標回波信號經(jīng)過脈沖壓縮處理后，在距離方向上也同樣存在展寬，通常將雷達作用距離由近及遠等分成多個距離單元τ，每個τ代表150 m，意味著一個目標可能在相鄰的幾個距離單元上都產(chǎn)生過門限數(shù)據(jù)。另外，由于俯仰方向是接收多波束Bi(i=1…n，n為形成的俯仰波束個數(shù)），相鄰波束之間的交疊處Jik(i，k 是交疊的兩個波束號）信號強度要求不超過峰值的3 dB 衰減，從而確保俯仰全空域的探測覆蓋，但同時也造成了相鄰多個波束都能有效照射到目標，產(chǎn)生多個過門限信號［3-5］。

因此，回波信號經(jīng)前端處理以后，一個目標可能在不同距離、不同方位和不同俯仰波束同時輸出多個過門限的信號，若不經(jīng)過融合處理，就會在3個維度上產(chǎn)生多個點跡，這樣就很難滿足航跡處理一個目標在某一時刻只有一個點跡的要求。而且，點跡提取系統(tǒng)的設(shè)計者必須面對如何確定目標真實的距離中心、方位中心和俯仰角度的問題。對于三坐標雷達系統(tǒng)而言，這個問題尤為重要。點跡提取的精度必須足夠高，才能滿足雷達系統(tǒng)對距離、方位和高度分辨力的要求。所以，原始信號的融合處理——點跡凝聚(plots-centroid）理所當然地成為目標點跡提取的核心步驟。

圖1 目標回波在距離、方位、俯仰3個維度上的典型特性

1.2 凝聚前的原始數(shù)據(jù)預處理

有目標時雷達系統(tǒng)接收到的是目標信號加噪聲，而沒目標時接收到的只有噪聲。信噪比大小不同，進行目標檢測的難易程度也不同:信噪比大時目標檢測較容易，而信噪比小時目標檢測就比較困難。對雷達使用者來說，關(guān)心的不是信噪比的大小，而是直接判定目標是否存在的結(jié)果，所以目標信號是否能準確檢測出來對雷達系統(tǒng)至關(guān)重要。原始回波數(shù)據(jù)經(jīng)過前端脈沖壓縮、濾波、恒虛警等技術(shù)處理后，將以脈沖重復周期(FR）為單位，按照距離單元、俯仰波束依次分層排列的形式送至點跡提取系統(tǒng)。某距離單元中一個俯仰波束的信號就是點跡提取的基本操作單元(以下簡稱“提取單元”）。此時的輸入數(shù)據(jù)中還包括相當多的雜波數(shù)據(jù)和虛警。為減輕系統(tǒng)壓力，提高提取效率，必須要設(shè)定合適的門限濾除雜波數(shù)據(jù)。門限不可過高，否則很可能會無法檢測小目標或弱信號目標，也不可過低，否則就失去了設(shè)置門限的意義。因此，具體的門限值一般是根據(jù)經(jīng)驗劃定范圍，再根據(jù)實際的觀測效果調(diào)整得到［6-7］。

過門限檢測是點跡提取的入口操作。經(jīng)過門限檢測后，所有提取單元的信號分為0/1兩種狀態(tài)，后面的所有操作都只針對過門限(狀態(tài)為1）的提取單元進行。另外，對于前端進行了動目標檢測(MTD）處理的數(shù)據(jù)，每個原始的提取單元還會細分為多個頻道，這時需要首先進行頻道篩選(通常是幅度選大），取出一個頻道的數(shù)據(jù)作為實際的提取單元，進入下一步處理。

1.3 點跡提取——凝聚的基本處理流程

點跡凝聚的最終目的就是對3個維度上展寬了的目標信號進行融合，屬于同一目標的，進行“合并”，分屬兩個或多個目標的，進行“區(qū)分”。凝聚的過程中，可同時精確測算目標的距離、方位和仰角。由于前端數(shù)據(jù)是以FR為單位送來，因此點跡提取——凝聚操作也是以FR為周期由數(shù)據(jù)觸發(fā)，每個FR 全距離段處理一次，單次處理的具體流程如圖2所示。

圖2 點跡提取——凝聚的基本處理流程

2 關(guān)鍵技術(shù)和實現(xiàn)方法

2.1 FR 內(nèi)融合——距離和俯仰波束凝聚

距離/波束凝聚主要完成同一個FR 內(nèi)(同一方位）、不同距離單元以及俯仰波束的目標檢測，基本的方法是幅度選大提取，然后進行單脈沖參數(shù)測算處理。設(shè)計原理是首先對各個距離單元判別各俯仰波束幅度是否過門限，根據(jù)過門限的幅度值找出俯仰包絡(luò)峰值及當前包絡(luò)峰值所在波束。然后，將包絡(luò)峰值和相鄰距離單元(±1τ）上對應波束的幅度值相比較，如果此包絡(luò)峰值在距離上同時為極值，則認為找到一個疑似目標點，根據(jù)此包絡(luò)峰值的一些信息測算目標參數(shù)。

2.1.1 波束選大——取包絡(luò)“峰值”

波束選大是多個波束之間相互關(guān)聯(lián)的一種經(jīng)典處理算法。在俯仰接收多波束的情況下，對于同一脈沖重復周期、同一距離單元內(nèi)，比較各波束上過門限的信號幅度，取包絡(luò)峰值所在波束作為當前目標中心波束。根據(jù)實際經(jīng)驗，在一定仰角范圍(20°）內(nèi)，同一時刻同一距離單元出現(xiàn)不同高度的兩批目標概率極低(除非是特技飛行表演）。因此，比較幅度只取峰值點，而不是極值點。換句話說，一組接收多波束(由同一個發(fā)射波束形成）至多只會凝聚出一個目標。

如圖3所示，一個發(fā)射波束形成6個接收波束，信號幅度值分別是A1～A6，其中過門限的是2、4、5、6波束，整個包絡(luò)形成2個極值點A2和A5，經(jīng)過比較A5是峰值點，因此認為目標中心位于5波束，波束選大的結(jié)果為B5。

2.1.2 距離選大——取包絡(luò)“極值”

距離選大通常安排在波束選大之后進行，以波束選大的結(jié)果為對象考察其同波束信號在距離維上的狀況，主要目的是完成距離維幅度包絡(luò)極值點的提取，從而產(chǎn)生疑似目標點。根據(jù)各個距離段的幅度值不同，距離分辨力的高低，可以提取不同的包絡(luò)極值。在距離包絡(luò)中可能會遇到復雜的回波信號，如圖4所示(橫軸每一個刻度代表一個距離單元）?？梢钥吹剑?個τ(1200 m）的范圍內(nèi)，出現(xiàn)了3個極值，其中Ra、Rc較為明顯，基本可以確定為目標;Rb幅度偏低，可能是鄰近目標產(chǎn)生的距離副瓣，也可能是較弱的小目標。一般情況，若距離分辨力要求不低于500 m(＞3τ），可以只取Ra、Rc為兩個極值點為目標;若距離分辨力高一些(如≤300 m），可將Rb也定為目標。具體的情況要按照雷達的具體指標要求具體處理，權(quán)衡提高距離分辨力和降低虛警率的取舍。

圖4 距離-幅度變化示意

如果距離分辨力要求不高，那么經(jīng)過波束選大處理，在某距離單元Ri(i為距離單元序號）上得到結(jié)果Bk(k為波束選大得到的中心波束號），其幅度值為Aik，則只需考察其前后相鄰距離單元(Ri±1）上同波束k的幅度A(i±1）K的情況，前提是A(i±1）K過門限。若同時滿足如下2個條件①②(其中f(Rx）是過門限判定函數(shù)，若Rx過門限則取幅度原值A(chǔ)ix，不過則按為0處理），則認為Ri上得到的Bk是距離極值點，即產(chǎn)生一個疑似目標點，立即保存該提取單元的相關(guān)信息，建立相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進入下一步處理;否則，認為Bk不是距離包絡(luò)極值點，不會是目標，該提取單元處理結(jié)束。

如果要求的距離分辨力較高，則可視具體要求，增加考察的距離單元數(shù)，譬如前后兩個距離單元(Ri±2）的情況，操作步驟同上，考察條件由2個增加為4個即可。

3.1.3 單脈沖目標參數(shù)測算

經(jīng)過距離/波束凝聚后，可以得到疑似目標點，在進行多重復周期累積相關(guān)之前，需要測算出當前脈沖下該目標的具體參數(shù)，包括距離、方位、仰角以及其他一些點跡提取所需要的信息。

(1）距離R

可參照距離選大后的結(jié)果，由于在方位凝聚后還要進行二次融合提取，因此確定極值所在的距離單元為當前目標距離已基本足夠。若要進一步提高精度，可以取前后距離單元幅度值做3 點加權(quán)平均，求質(zhì)心距離，方法如下所示。

(2）方位角α

一般來說，在天線機械掃描的過程中，發(fā)射和接收波束中心線在水平面上和天線機械方位(法線方位）是一致的，因此經(jīng)典的算法是:當前目標方位α=當前天線法線方位Az+目標相對于波束中心偏角△Az。其中，Az 可以根據(jù)回波數(shù)據(jù)的參數(shù)字頭直接得到，而△Az 則需要利用方位上的和、差波束，進行“和差波束測角”得到(見圖5）。

圖5 和差波束測角示意

(3）仰角β

波束凝聚后可得到目標中心波束，每個波束的中心仰角是預設(shè)的，且各波束上的信號幅度已知，可以進行比幅測角。參照圖3，目標中心位于5 號波束，再根據(jù)相鄰的4、6 號波束幅度，進行三波束比幅測角，令β4、β5、β6分別為4、5、6波束的俯仰指向角，計算方法如下:

以上參數(shù)測算完畢后，要建立一個新的目標結(jié)構(gòu)體，存在指定的目標相關(guān)緩區(qū)中，為后面的方位凝聚作準備。

2.2 FR 間融合——方位凝聚提取點跡

如圖6所示，天線波束總是具有一定寬度△A，機械轉(zhuǎn)動時，目標從一側(cè)進入照射范圍到從另一側(cè)離開照射范圍，天線將正好轉(zhuǎn)過角度△A。同時，由于傳統(tǒng)三坐標雷達天線轉(zhuǎn)速通常不超過6 r/min，若發(fā)射重復周期為T，那么在此期間內(nèi)，將獲得n個回波脈沖:

可以看出，波束越寬，周期越短，轉(zhuǎn)速越慢，n的值就越大。通常一個正?；夭◤姸鹊狞c目標在可檢測方位上至少占據(jù)十幾個主脈沖。理想情況下，每個脈沖都會在同一距離、同一俯仰波束上檢測出疑似目標保存在指定的相關(guān)緩區(qū)中，而這n個可檢測脈沖對應的天線方位均不同，為了形成最終的點跡，必須再進行一次判別和凝聚，這就是脈沖間融合——方位凝聚。

2.2.1 目標檢測和判斷

為了剔除噪聲和干擾造成假目標，并盡可能多地收集有效脈沖參與積累融合，提高測算準確度，方位凝聚有一個關(guān)鍵的前提，就是疑似目標必須滿足真實目標的判定提取的條件。對于距離/波束凝聚得到的多個連續(xù)脈沖積累的疑似目標，為了判定是否是真實目標以及選擇提取點跡的時機，本文采用基于開始/結(jié)束準則判定的滑窗檢測法。

使用滑窗檢測法，要點是在距離/波束凝聚完成后，對首次檢測出的疑似目標，創(chuàng)建一個二進制位操作滑窗檢測標，初始值設(shè)為1，后面的每個脈沖都要對之前所有已存在的疑似目標進行錄取標定，若同距離同波束上本次脈沖也檢測到疑似目標點則將其檢測標左移加1，若沒檢測到則左移加0。同時，每個脈沖處理流程都要遍歷相關(guān)緩區(qū)內(nèi)所有疑似目標的滑窗檢測標，執(zhí)行如下操作:

(1）“開始”判定

截取滑窗檢測標后m 位為檢測窗，計算窗內(nèi)“1”的個數(shù)是否達到了n個，即執(zhí)行“n/m 開始”準則，判定真實目標起始，置起始標志為“1”，否則保留該點不作處理。

(2）“結(jié)束”判定

截取滑窗檢測標后k 位為檢測窗，考察窗內(nèi)是否全“0”，即執(zhí)行“k個0 結(jié)束”準則。如果不是全“0”，則認為目標尚未掃描結(jié)束，保留該點不做處理;如果全“0”，則再查看起始標志值，“1”表示該點是真實起始的目標，當前已結(jié)束，開始提取點跡，而“0”則表示尚未起始，非真實目標，直接丟棄該點。

使用滑窗檢測法，既可實現(xiàn)科學合理的判定目標，又可剔除大部分的噪聲和干擾。更加值得一提的是，上述準則中的“m”、“n”、“k”一般依經(jīng)驗事前設(shè)定，在實際操作過程中，可根據(jù)實際效果和需要隨時調(diào)整，靈活易用。

2.2.2 脈間融合提取點跡

脈間融合目的是完成凝聚，提取點跡，其主要設(shè)計原理是根據(jù)多個重復周期(FR）之間相關(guān)的疑似目標點參數(shù)信息，使用統(tǒng)計學的方法擬合出當前目標的精確三坐標參數(shù)以及其他的信息。

每個滿足開始/結(jié)束準則的目標點，其相關(guān)緩區(qū)都保留了n個FR的單脈沖參數(shù)Pi(Ri，αi，βi…）。此時要把所有的Pi進行二次融合，形成唯一的目標點P，完成方位凝聚，提取出點跡。常用的二次融合方法主要有“質(zhì)心法”(加權(quán)平均）、“中間值法”(算術(shù)平均）和“幅度取大法”等。依據(jù)經(jīng)驗和實際效果，本文分別對各參數(shù)采取了不同的辦法進行融合。

(1）距離R

單脈沖測的距離一般已經(jīng)較為精確，所以可以直接采用“中間值法”求得:

(2）方位α

信號幅度在方位上成一般呈高斯分布，故采用“質(zhì)心法”，結(jié)合信號幅度信息進行統(tǒng)計學擬合:

(3）仰角β 及其他參數(shù)

對于仰角β 及其他參數(shù)，經(jīng)驗表明，只要是有效照射到目標的脈沖，其測量結(jié)果基本可反映目標狀態(tài)，因此直接選用信號幅度最強(Amax）的脈沖的測量結(jié)果即可。

所有參數(shù)擬合完畢后，該目標的方位凝聚也就完成了。將計算的結(jié)果填入?yún)f(xié)議規(guī)定點跡數(shù)據(jù)包，即可作為最終結(jié)果提交系統(tǒng)。

3 結(jié)束語

本文基于三坐標雷達的原理，根據(jù)實際目標回波信號在距離、方位、仰角3個維度上存在展寬現(xiàn)象的典型特性，進行了較為深入的分析，提出了一種實際可行的凝聚準則和算法。同時，將各種統(tǒng)計學的方法靈活運用在距離、方位、仰角的三維凝聚和參數(shù)測算中，提高了目標提取的真實可信度和點跡參數(shù)的精度。該方法已在現(xiàn)實產(chǎn)品中成功得以應用，充分證明了其在工程上的實用性。

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