基于多幀相關(guān)算法的稀布陣?yán)走_(dá)目標(biāo)航跡檢測

陸 迪，張 遠(yuǎn)

(中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所數(shù)字技術(shù)部，安徽合肥 230031)

為提高稀布陣脈沖孔徑雷達(dá)探測威力和小目標(biāo)的檢測能力，常通過降低檢測門限，在原檢測門限下的小信號被檢測出后，虛警數(shù)量會呈幾何級數(shù)增長，雷達(dá)終端數(shù)據(jù)處理采用常規(guī)處理方法，已無法從虛警中正確得到目標(biāo)航跡。TBD(Tracking Before Detection)技術(shù)是一種在低信噪比下對目標(biāo)進(jìn)行檢測與跟蹤的技術(shù)，與一般的檢測方法不同，雷達(dá)終端收到雷達(dá)每次探測的點跡數(shù)據(jù)后，并不作檢測輸出，而是將其進(jìn)行存儲，對幀間數(shù)據(jù)的相關(guān)處理，通過數(shù)幀的積累，將目標(biāo)航跡被估計出來后，檢測結(jié)果與目標(biāo)航跡同時宣布。目前常用的TBD方法主要有多幀相關(guān)法、粒子濾波法、Hough變換法、動態(tài)規(guī)劃方法等［1］。稀布陣綜合脈沖孔徑雷達(dá)采用全向收發(fā)、全數(shù)字波束形成、長相干積累等處理手段［2］，具有多普勒頻道多、速度分辨率高、數(shù)據(jù)率快、數(shù)據(jù)量大的特點，傳統(tǒng)TBD方法由于計算量大、實時性無法滿足該雷達(dá)的處理要求，根據(jù)稀布陣綜合脈沖孔徑雷達(dá)的特點，采用多幀相關(guān)處理方法進(jìn)行高虛警條件下的目標(biāo)檢測和跟蹤處理，提供了一種新的目標(biāo)檢測方法。通過仿真和雷達(dá)的校飛結(jié)果比對，證明該方法能在各種復(fù)雜背景條件下有效地解決高虛警條件下的目標(biāo)自動檢測、目標(biāo)自動起始準(zhǔn)確率高、計算量小、實時性高。

1 原理

多幀相關(guān)處理原理如圖1所示。多幀相關(guān)處理區(qū)的原始點跡首先經(jīng)過多幀積累，達(dá)到一定幀數(shù)后，數(shù)據(jù)作檢測處理［3］。在積累多幀數(shù)據(jù)的滑窗內(nèi)，將首幀的數(shù)據(jù)按照距離波門、方位波門、高度波門、多普勒速度波門等多維門限，對幀間數(shù)據(jù)進(jìn)行多維相關(guān)處理，處理完畢后，作簡單判決。若首幀點跡數(shù)據(jù)與其他幀數(shù)據(jù)有某一幀數(shù)以上數(shù)據(jù)相關(guān)，則認(rèn)為滿足這一條件的點跡為目標(biāo)真實點跡，一方面將真實點跡輸出，另一方面將其點跡串聯(lián)形成的運動軌跡，作為目標(biāo)起始航跡。此時，航跡的起始與目標(biāo)的檢測同時完成。若首幀點跡數(shù)據(jù)與其他幀數(shù)據(jù)的相關(guān)幀數(shù)小于某一幀數(shù)，則認(rèn)為此數(shù)據(jù)為雷達(dá)的虛警點跡數(shù)據(jù)，將其作丟棄處理，以減少虛警概率。

圖1 多幀相關(guān)檢測處理流程

2 多幀相關(guān)實現(xiàn)

2.1 新幀數(shù)據(jù)的判別

對于新進(jìn)的第k幀數(shù)據(jù)，首先將該數(shù)據(jù)的幅度值與設(shè)定的幅度波門相比較，這里的波門可設(shè)定較高，若超過門限，點跡直接輸出，低于門限，則與多幀相關(guān)處理區(qū)域內(nèi)起始的可靠航跡進(jìn)行相關(guān)，如果相關(guān)成功，則此點跡也作為直接輸出處理，對于未相關(guān)成功的點跡，進(jìn)行多幀相關(guān)處理。新幀數(shù)據(jù)的處理流程如圖2所示。

圖2 新幀數(shù)據(jù)處理流程

2.2 多幀相關(guān)處理過程

采用3/7起始準(zhǔn)則進(jìn)行驗證說明。以k－6幀到第k幀數(shù)據(jù)進(jìn)行多幀相關(guān)處理。假定選擇k幀的第i個數(shù)據(jù)，假定相關(guān)成功數(shù)目為Nc=0，按目標(biāo)最大速度2馬赫計算，可得k－1幀相關(guān)距離波門，若相關(guān)波門中存在點跡，則進(jìn)一步作多維網(wǎng)格相關(guān)判斷。網(wǎng)格圖的建立包含預(yù)測目標(biāo)的位置和機(jī)動情況。預(yù)測位置為一個多維窗、有距離－多普勒窗、距離－方位窗等［4］。

對于第k－5幀數(shù)據(jù)，落入波門內(nèi)的點跡均為虛警點，相關(guān)不成功，此時相關(guān)成功數(shù)據(jù)依然為Nc=0，處理k－4幀相關(guān)數(shù)據(jù)時，波門進(jìn)一步增大，此時有相關(guān)上的點跡，則相關(guān)成功數(shù)目為Nc=1。可在下一幀相關(guān)時，添加航向波門信息，進(jìn)一步增加相關(guān)的準(zhǔn)確度，其他幀數(shù)據(jù)，也做類似相關(guān)處理。對于Nc≥2的情況，可以作濾波處理，以便提高其跟蹤性能。如果前一個過門限的點跡落入后一個過門限點跡的相關(guān)窗內(nèi)，則兩者相關(guān)，通過相關(guān)網(wǎng)格，進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)處理的計算量，提高數(shù)據(jù)處理性能。要補(bǔ)充說明的是，為解決區(qū)域交叉航跡起始的問題，對于落入波門的其他目標(biāo)真實點跡，作恒虛警處理。

圖5 多幀相關(guān)示意圖

2.3 檢測判決

多幀相關(guān)處理完成后，對于與k－6幀數(shù)據(jù)的成功相關(guān)數(shù)目，分為以下兩種情況:

(1)Nc≥2，多幀內(nèi)相關(guān)點跡≥3，符合3/7起始準(zhǔn)則，可判定此點為真實目標(biāo)點跡，將此點與相關(guān)點跡都進(jìn)行輸出，另一方面將其點跡串聯(lián)形成的運動軌跡，作為起始航跡，航跡的起始與目標(biāo)的檢測同時完成。

(2)Nc＜2，多幀內(nèi)相關(guān)點跡＜3，不符合3/7起始準(zhǔn)則，則判定此點為雷達(dá)的虛警點跡，作丟棄處理。第k+1幀數(shù)據(jù)的到來，幀內(nèi)的數(shù)據(jù)作一次調(diào)整，此時相關(guān)的幀為k－5～k+1，多幀相關(guān)做滑窗處理，完成后續(xù)幀數(shù)據(jù)的多幀相關(guān)處理。如果目標(biāo)點跡情況較好，在N(N＜7)幀內(nèi)已經(jīng)積累3幀數(shù)據(jù)，可動態(tài)調(diào)整起始準(zhǔn)則，如3/4，3/5，/3/6等，以加快目標(biāo)航跡的起始，縮短起始時間。

2.4 起始準(zhǔn)則的確定

在多幀相關(guān)處理區(qū)，按照M/N的起始準(zhǔn)則多幀相關(guān)后，目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率P'd和虛警概率Pt的計算公式如式(1)和式(2)所示。

對目標(biāo)的多普勒速度，如果按2馬赫計算，精度按0.6 m/s計算，假設(shè)目標(biāo)已經(jīng)過距離和方位相關(guān)，在此處相關(guān)區(qū)域內(nèi)，虛警數(shù)最多為4個，單個虛警的模糊多普勒最多為3，兩點間錯誤相關(guān)概率Pc=0.6×4×3/(340×2)=0.010 6，按上述公式計算可得表1。

表1 各起始準(zhǔn)則下的發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率

綜合雷達(dá)的虛警概率要求、發(fā)現(xiàn)概率要求與起始時間考慮，起始準(zhǔn)則選擇為3/7合適。

3 算法結(jié)果

在稀布陣?yán)走_(dá)實際探測數(shù)據(jù)中，按上述算法進(jìn)行目標(biāo)航跡自動起始的結(jié)果如圖6所示。

圖6 虛警概率10－3的條件下算法檢測結(jié)果

從圖6中可以看出，在20 000點/每幀的虛警條件下，該算法能正確進(jìn)行目標(biāo)航跡的檢測，無虛假航跡產(chǎn)生。經(jīng)與ADS－B的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，ADS－B能發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)都能被該算法檢測出來。實際結(jié)果表明，該算法能在實際應(yīng)用環(huán)境中滿足稀布陣?yán)走_(dá)高虛警條件下的目標(biāo)航跡自動檢測需求，具有檢測概率高的優(yōu)點［5］。

4 結(jié)束語

采用多幀相關(guān)技術(shù)的TBD處理方法，在高輸入虛警概率條件下，距離－多普勒坐標(biāo)系和距離－方位坐標(biāo)系中基于多幀相關(guān)積累的TBD算法，采用速度搜索、距離搜索和方位搜索的方法，有效利用了稀布陣?yán)走_(dá)的數(shù)據(jù)特性，通過多幀相關(guān)處理，降低了目標(biāo)的虛警概率，同時完成目標(biāo)航跡的全自動起始和跟蹤，該方法在雷達(dá)實際應(yīng)用中也驗證了有效性，成功完成雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理。

［1］荊丹，王俊.基于粒子濾波理論的雷達(dá)多目標(biāo)TBD檢測［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)技術(shù)，2008(1):48－51.

［2］趙光輝.基于SIAR體制的稀布陣米波雷達(dá)若干問題研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2008.

［3］韓婧.微波稀布陣?yán)走_(dá)目標(biāo)檢測技術(shù)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2010.

［4］吳順君，梅曉春.雷達(dá)信號處理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)［J］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［5］龐潔，王增福，楊峰.基于VTA的超視距雷達(dá)海面目標(biāo)檢測前跟蹤算法［M］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35(9):4－6，9.