雷達(dá)目標(biāo)航跡建立和管理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭貴文

（海軍裝備部裝備采購中心）

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)系統(tǒng)對目標(biāo)信息處理的要求越來越高，僅僅采用普通信號處理技術(shù)進(jìn)行處理已經(jīng)無法滿足日益增長的應(yīng)用需求。雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其在雷達(dá)系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的基本任務(wù)，是將雷達(dá)探測到的信息處理成用戶可以直接應(yīng)用的情報(bào)信息[1]。其中，雷達(dá)目標(biāo)航跡建立和管理是雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的重要步驟之一。其重要意義在于，僅僅將原始雷達(dá)視頻回波經(jīng)過點(diǎn)跡凝聚處理，產(chǎn)生的單一點(diǎn)跡信息已經(jīng)不能滿足雷達(dá)系統(tǒng)和用戶對雷達(dá)目標(biāo)信息的要求，有必要在點(diǎn)跡凝聚和處理后對目標(biāo)的運(yùn)動軌跡等相關(guān)信息進(jìn)行更深層次的研究，而這正是雷達(dá)目標(biāo)航跡建立和管理所研究的核心內(nèi)容。

所謂航跡，是指對目標(biāo)的若干點(diǎn)跡進(jìn)行處理后連成的曲線。航跡建立和處理是將同一目標(biāo)的點(diǎn)跡連成航跡的處理過程[1]。通過航跡建立和管理，與僅提供點(diǎn)跡信息相比，用戶可以更直觀地獲取目標(biāo)的運(yùn)動軌跡、速度等運(yùn)動狀態(tài)信息[2]。

本文將結(jié)合航跡建立和管理在實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)，對航跡建立和管理的相關(guān)算法進(jìn)行研究和討論，給出一種工程實(shí)際中使用的航跡建立和管理的算法。

1 航跡建立和管理

對于雷達(dá)系統(tǒng)而言，一般會在雷達(dá)信號處理后得到目標(biāo)回波的原始視頻數(shù)據(jù)，隨后對原始視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)的點(diǎn)跡凝聚和處理。然而，對于現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)而言，僅僅獲取雷達(dá)目標(biāo)的點(diǎn)跡信息是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，用戶還需要得到目標(biāo)的運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度等有關(guān)航跡信息。通過對雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行互聯(lián)、跟蹤、濾波、平滑、預(yù)測等處理，能夠有效地消除雷達(dá)系統(tǒng)的隨機(jī)誤差，精確估計(jì)目標(biāo)的位置和相關(guān)的運(yùn)動參數(shù)，預(yù)測到目標(biāo)下一時刻的位置，并形成穩(wěn)定的目標(biāo)航跡，從而為用戶提供更為詳實(shí)的雷達(dá)目標(biāo)相關(guān)信息，這些都是航跡建立和管理無可替代的功能[3-5]。

航跡是由來自同一個目標(biāo)的量測集合所估計(jì)的目標(biāo)狀態(tài)形成的軌跡[2]，其可靠性可以通過航跡質(zhì)量來描述。根據(jù)航跡質(zhì)量的不同，在本文中將航跡按照質(zhì)量由高到低的順序依次分為可靠航跡、分支航跡以及暫時航跡?？煽亢桔E指的是經(jīng)過多次雷達(dá)掃描周期的相關(guān)錄取和處理后，依然能夠有穩(wěn)定輸出的航跡。分支航跡和可靠航跡是相對應(yīng)的關(guān)系，如果可靠航跡在某一雷達(dá)掃描周期內(nèi)未能錄取到點(diǎn)跡，而需要通過擴(kuò)大跟蹤波門來錄取到點(diǎn)跡，那么該點(diǎn)跡將作為新建的分支航跡的錄取點(diǎn)。暫時航跡是指航跡質(zhì)量不夠高，需要繼續(xù)錄取點(diǎn)跡的非確認(rèn)航跡。單個點(diǎn)跡，若其初始波門與新的點(diǎn)跡相關(guān)上，則轉(zhuǎn)化為暫時航跡。

圖1 雷達(dá)目標(biāo)航跡建立和管理流程圖

航跡的建立和管理，按照處理的順序依次包含了航跡起始、點(diǎn)跡-航跡相關(guān)、航跡的確認(rèn)和形成、航跡的濾波和預(yù)測、航跡的終止等流程。在整個過程中，通過不斷地對航跡的質(zhì)量進(jìn)行改變和管理，實(shí)現(xiàn)航跡由單個點(diǎn)跡向暫時航跡再到可靠航跡的轉(zhuǎn)換，最終到航跡消亡的全過程。在實(shí)際的工程實(shí)現(xiàn)中，由于可靠航跡與暫時航跡的優(yōu)先級高，因此，將首先進(jìn)行航跡的點(diǎn)跡-航跡相關(guān)處理工作；然后是航跡質(zhì)量管理，其中包括了航跡質(zhì)量的更新、航跡的確認(rèn)和刪除；接著是航跡的濾波和預(yù)測，根據(jù)航跡質(zhì)量的不同，采取不同的算法平滑目標(biāo)航跡信息并對下一時刻的狀態(tài)信息進(jìn)行預(yù)測；最后是剩余點(diǎn)跡的處理，包括了剩余點(diǎn)跡的相關(guān)和新航跡的起始。整個雷達(dá)目標(biāo)航跡建立和管理的流程如圖1所示。

1.1 點(diǎn)跡-航跡相關(guān)處理

點(diǎn)跡-航跡相關(guān)處理是將雷達(dá)點(diǎn)跡與已知的航跡進(jìn)行比較，確定配對的過程。在完成配對后，雷達(dá)目標(biāo)的航跡信息將會被更新。在這里，航跡包含了可靠航跡、暫時航跡以及分支航跡。具體的實(shí)現(xiàn)過程通過跟蹤波門判斷雷達(dá)點(diǎn)跡和已知航跡之間的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)。整個過程可以分為“粗相關(guān)”和“精相關(guān)”兩個步驟[3]?！按窒嚓P(guān)”指的是根據(jù)已知航跡上一雷達(dá)掃描周期的預(yù)測值為中心建立相關(guān)波門，波門的大小主要根據(jù)目標(biāo)的距離、方位、速度等信息而定，如果本雷達(dá)掃描周期點(diǎn)跡的觀測值落入波門內(nèi)，則說明點(diǎn)跡與航跡相關(guān)；“精相關(guān)”建立在“粗相關(guān)”的基礎(chǔ)上，指的是在“粗相關(guān)”的處理過程中，如果存在多個點(diǎn)跡與同一個已知航跡相關(guān)，則需要確定唯一的點(diǎn)跡作為該已知航跡的相關(guān)點(diǎn)。在本文中，選取雷達(dá)點(diǎn)跡中到已知航跡直線距離最短的那個點(diǎn)跡作為該已知航跡的相關(guān)點(diǎn)。整個點(diǎn)跡-航跡相關(guān)處理的流程如圖2所示。

1.2 航跡質(zhì)量管理

航跡質(zhì)量管理的主要目的是為了維護(hù)真航跡不被刪除的同時，及時、準(zhǔn)確地進(jìn)行不同類型航跡之間的轉(zhuǎn)換并刪除已建立的假航跡。本文中主要通過計(jì)分法對航跡質(zhì)量進(jìn)行打分來完成這一任務(wù)。所謂的計(jì)分法，主要是以雷達(dá)點(diǎn)跡與不同大小的波門相關(guān)與否來給出對應(yīng)的航跡質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并在整個過程中對航跡質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行更新。同時，由于存在航跡之間的轉(zhuǎn)換以及航跡的建立與刪除，因此，還需要根據(jù)航跡質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，實(shí)時對航跡質(zhì)量進(jìn)行管理。航跡質(zhì)量管理主要包括了分支航跡的質(zhì)量更新，可靠航跡以及暫時航跡質(zhì)量更新及確認(rèn)與刪除。本文中，將選取如下的方法對航跡進(jìn)行計(jì)分：對于所有的航跡，如果存在雷達(dá)點(diǎn)跡與小波門相關(guān)，則該航跡質(zhì)量加3分。否則，如果存在雷達(dá)點(diǎn)跡與中波門相關(guān)，則該航跡質(zhì)量加2分。若沒有點(diǎn)跡與中波門相關(guān)，則該航跡質(zhì)量減1分。航跡質(zhì)量分?jǐn)?shù)最多為12分，以后便不再增加。通過管理航跡質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，可以動態(tài)地實(shí)現(xiàn)航跡的轉(zhuǎn)換、確認(rèn)與刪除。

圖2 點(diǎn)跡-航跡相關(guān)處理流程圖

1.3 航跡的濾波和預(yù)測

航跡的濾波和預(yù)測主要完成兩個功能：一個是對當(dāng)前的測量值進(jìn)行濾波平滑，另一個是對下一個雷達(dá)掃描周期的航跡狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測?？紤]到工程實(shí)現(xiàn)的實(shí)時性，本文采用最小二乘法，其是在得不到準(zhǔn)確的量測及動態(tài)系統(tǒng)誤差統(tǒng)計(jì)特性情況下的一種數(shù)據(jù)處理方法。首先，對所有航跡的測量值進(jìn)行更新，然后，根據(jù)航跡的類型和目標(biāo)的機(jī)動特性，選取不同的濾波點(diǎn)數(shù)計(jì)算航跡的濾波值和預(yù)測值。對于可靠性高的可靠航跡，采用較多點(diǎn)數(shù)的濾波算法，而對于可靠性差的暫時航跡和分支航跡，采用較少點(diǎn)數(shù)的濾波算法。同樣的，對于不同機(jī)動屬性的目標(biāo)采用類似的方法，機(jī)動性強(qiáng)的目標(biāo)采用較少點(diǎn)數(shù)的濾波算法，機(jī)動性弱的目標(biāo)采用較多點(diǎn)數(shù)的濾波算法。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，證明了該方法的實(shí)用性和有效性。

1.4 剩余點(diǎn)跡的處理

剩余點(diǎn)跡的處理主要有三個方面的工作：其中，前兩個都是建立在用戶建立全域或者區(qū)域建航的前提下，第一個是在剩余點(diǎn)跡中，如果存在能夠被上一雷達(dá)掃描周期指定區(qū)域范圍內(nèi)點(diǎn)跡的初始波門錄取的點(diǎn)跡，則將建立起新的暫時航跡；第二個是將本雷達(dá)掃描周期內(nèi)，在該指定區(qū)域范圍內(nèi)的雷達(dá)點(diǎn)跡作為航跡起始的第一點(diǎn)并進(jìn)行存儲；第三個是將與前兩點(diǎn)無關(guān)的雷達(dá)點(diǎn)跡刪除，以減少算法和軟件的運(yùn)算量。在本文中，為了確保航跡正確和快速的起始，采用了邏輯滑窗檢測法中的3/3準(zhǔn)則來進(jìn)行航跡的起始，即在連續(xù)的三個雷達(dá)掃描周期內(nèi)都能相關(guān)上真實(shí)的雷達(dá)點(diǎn)跡，才會對該航跡進(jìn)行起始。整個剩余點(diǎn)跡的處理流程如圖3所示。

2 相關(guān)技術(shù)研究

2.1 半自動波門建航

在本雷達(dá)系統(tǒng)中，采用“壓一點(diǎn)”的方式來實(shí)現(xiàn)半自動波門，即在顯控界面上選取一點(diǎn)作為半自動波門的中心點(diǎn)。同時，整個雷達(dá)系統(tǒng)對建航的要求是三個雷達(dá)掃描周期建航。因此，在建立完半自動波門后，在第一個雷達(dá)掃描周期錄取點(diǎn)跡時，選取半自動波門范圍內(nèi)與所壓中心點(diǎn)直線距離最近的點(diǎn)跡作為航跡起始點(diǎn)；在第二個雷達(dá)掃描周期錄取點(diǎn)跡時，將對雷達(dá)點(diǎn)跡進(jìn)行排序以此來選取合適的點(diǎn)跡；在第三個雷達(dá)掃描周期錄取點(diǎn)跡時，將采用濾波外推來選取第三個點(diǎn)跡。

圖3 剩余點(diǎn)跡的處理流程圖

2.2 排序的原則

在本文2.1節(jié)中提到的關(guān)于半自動波門在第二個雷達(dá)掃描周期錄取點(diǎn)跡時將對雷達(dá)點(diǎn)跡進(jìn)行排序，由于本雷達(dá)系統(tǒng)，可以從點(diǎn)跡凝聚過程中得到有關(guān)雷達(dá)點(diǎn)跡的豐富相關(guān)信息，因此，本文將以點(diǎn)跡凝聚時，參與點(diǎn)跡凝聚的原始視頻點(diǎn)的個數(shù)進(jìn)行排序，從中選取與第一個雷達(dá)掃描周期的參與點(diǎn)跡凝聚的原始視頻點(diǎn)個數(shù)最為接近的雷達(dá)點(diǎn)跡作為首選。在實(shí)際的雷達(dá)工作過程中，驗(yàn)證了這樣排序選取雷達(dá)點(diǎn)跡的合理性。

2.3 航跡補(bǔ)點(diǎn)

在真實(shí)的雷達(dá)回波中，可能存在可靠航跡在某次雷達(dá)掃描中未能獲取真實(shí)相關(guān)點(diǎn)跡的情況，這時候就需要對雷達(dá)航跡進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)。航跡補(bǔ)點(diǎn)指的是根據(jù)該可靠航跡當(dāng)前的位置，運(yùn)用濾波理論進(jìn)行預(yù)測，用預(yù)測點(diǎn)更新可靠航跡。但是，航跡補(bǔ)點(diǎn)不能無限制地持續(xù)下去，本文采用對其航跡質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行減分的方式來體現(xiàn)這一狀況，即若是在連續(xù)的若干個雷達(dá)掃描周期內(nèi)都沒有真實(shí)點(diǎn)跡和該航跡相關(guān)，那么該航跡的質(zhì)量分?jǐn)?shù)就會不斷減少，這樣做的好處在于能夠充分反映雷達(dá)的真實(shí)工作狀態(tài)。

3 結(jié)束語

本文給出了一種工程化雷達(dá)目標(biāo)航跡建立和管理的算法，通過算法的討論、軟件實(shí)現(xiàn)以及經(jīng)過實(shí)際工程驗(yàn)證，該算法能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)航跡的實(shí)時建航，其各項(xiàng)指標(biāo)能夠滿足雷達(dá)系統(tǒng)對目標(biāo)穩(wěn)定精確跟蹤的要求。

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

[2]何友,修建娟,張晶煒,關(guān)欣等著.雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用（第二版）[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

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[4]蔣希帥.雷達(dá)目標(biāo)跟蹤濾波算法的研究[D].大連:大連海事大學(xué),2008.

[5]韓曉峰.雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及其實(shí)時性的研究與應(yīng)用[D].成都:四川大學(xué),2006.