雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 帥

（中國(guó)民航西北地區(qū)空中交通管理局寧夏分局，銀川 750001）

雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 帥

（中國(guó)民航西北地區(qū)空中交通管理局寧夏分局，銀川 750001）

本文對(duì)雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別與處理系統(tǒng)進(jìn)行了討論。

雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別；航跡處理；目標(biāo)顯示

1 引言

隨著我國(guó)民航事業(yè)發(fā)展，監(jiān)視技術(shù)航管監(jiān)視雷達(dá)，ADS-B，多點(diǎn)定位、場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)的日益完善和推廣使用，空中交通雷達(dá)管制方式對(duì)飛行器最小間隔、空域流量等提出了更高的要求，同時(shí)對(duì)監(jiān)視雷達(dá)的完好性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的依賴程度大大增加。這就要求對(duì)空管二次雷達(dá)目標(biāo)準(zhǔn)確性分析設(shè)備必須具有便攜性與及時(shí)性，要求系統(tǒng)使用方法和界面更加友好、易用。雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別與處理設(shè)備在雷達(dá)、自動(dòng)化系統(tǒng)的日常維護(hù)與定期檢修方面發(fā)揮更大的作用。

2 目標(biāo)識(shí)別與航跡平滑濾波

二次雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別與航跡處理是設(shè)計(jì)系統(tǒng)的關(guān)鍵，其包括點(diǎn)跡融合和航跡平滑濾波兩部分，其中航跡綜合處理細(xì)分為點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)、濾波處理及航跡管理[1]。處理流程如圖1所示。

圖1 目標(biāo)識(shí)別與航跡處理流程圖

2.1 目標(biāo)點(diǎn)跡融合

假設(shè)雷達(dá)掃描一周送出的目標(biāo)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)集DataSet＝{Set A，Set B}，其中Set A表示雷達(dá)A數(shù)據(jù)集，Set B表示雷達(dá)B數(shù)據(jù)集。A，B雷達(dá)數(shù)據(jù)合并時(shí)，首先選擇Set A中點(diǎn)跡PAi將其與數(shù)據(jù)集Set B中一點(diǎn)PBj比較，根據(jù)方位和距離計(jì)算關(guān)聯(lián)程度δij，當(dāng)δij小于關(guān)聯(lián)門(mén)限δ則認(rèn)為兩點(diǎn)可合并，將PBj列入點(diǎn)PAi關(guān)聯(lián)集合Set A中；否則，選擇在集合Set B中選取下一點(diǎn)進(jìn)行同樣計(jì)算。逐一遍歷Set B所有數(shù)據(jù)，完成集合Set A構(gòu)造。根據(jù)集合Set A中所有目標(biāo)關(guān)聯(lián)程度δij值，選擇與點(diǎn)PAi最接近的雷達(dá)B的數(shù)據(jù)PBm點(diǎn) 進(jìn)行合并，將目標(biāo)高度信息增加到對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)報(bào)文中。集合Set A中相同編號(hào)的多個(gè)點(diǎn)跡，直接根據(jù)目標(biāo)識(shí)別碼進(jìn)行合并。集合Set B中剩余的沒(méi)有分配到任何A模式點(diǎn)跡的目標(biāo)數(shù)據(jù)，統(tǒng)一歸入集合Set B2中進(jìn)行二次合并。首先，在Set B2中選取一點(diǎn)PB2i作為起始點(diǎn)，與集合中其它各點(diǎn)計(jì)算關(guān)聯(lián)程度，符合要求的Set B2數(shù)據(jù)列入集合Set B2i中，并對(duì)Set B2i中所有點(diǎn)進(jìn)行合并；否則作為新起始點(diǎn)，重新構(gòu)造集合Set B2i，直到遍歷所有點(diǎn)跡數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)目標(biāo)合并生成的數(shù)據(jù)報(bào)文，仍然包括有目標(biāo)識(shí)別碼和沒(méi)有目標(biāo)識(shí)別碼兩類。對(duì)于有目標(biāo)識(shí)別碼的點(diǎn)跡數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)充分利用目標(biāo)編號(hào)以加快處理速度，提高處理精度。因此，在報(bào)文存放過(guò)程中，對(duì)上述兩類數(shù)據(jù)需要分流、分別處理。

2.2 航跡平滑濾波

航跡平滑濾波包括點(diǎn)跡航跡配對(duì)關(guān)聯(lián)、濾波跟蹤以及航跡管理。點(diǎn)跡航跡關(guān)聯(lián)完成目標(biāo)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)矩陣，通過(guò)關(guān)聯(lián)矩陣建立點(diǎn)跡航跡關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)對(duì)。航跡更新利用卡爾曼濾波算法，根據(jù)已有航跡歷史和新點(diǎn)跡平滑生成目標(biāo)航跡。航跡管理根據(jù)點(diǎn)跡航跡關(guān)聯(lián)矩陣結(jié)果，完成獨(dú)立點(diǎn)跡判別，航跡初始化，航跡平滑和航跡終止周期。本文采用“惟一優(yōu)先性準(zhǔn)則”和“距離最近優(yōu)先準(zhǔn)則”[2]，首先根據(jù)所有航跡與落入各自航跡的點(diǎn)跡的統(tǒng)計(jì)距離計(jì)算距離矩陣，然后搜索矩陣以選擇距離最小處的點(diǎn)跡與該處的航跡配對(duì)，從分派矩陣中除去已配對(duì)點(diǎn)跡與航跡，對(duì)矩陣降秩，并重復(fù)上述操作，直至所有點(diǎn)跡分派到指定航跡或確定獨(dú)立于任何航跡。

3 雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別與處理系統(tǒng)通過(guò)軟硬件的結(jié)合，利用C#編程語(yǔ)言、MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)，通過(guò)多線程及線程間的通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信和處理，能夠?qū)崟r(shí)圖形化界面顯示雷達(dá)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，并保存相關(guān)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)通信模塊、雷達(dá)目標(biāo)點(diǎn)跡航跡處理模塊、顯示存儲(chǔ)模塊，整體軟件架構(gòu)如圖2所示。

3.2 通信模塊設(shè)計(jì)

雷達(dá)數(shù)據(jù)通信模塊主要完成同步HDLC，ASTERIX格式的雷達(dá)數(shù)據(jù)。ASTERIX為歐控組織制定的一種雷達(dá)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分由HDLC-UDP協(xié)議轉(zhuǎn)換器完成，采用雙FIFO實(shí)現(xiàn)無(wú)縫緩沖數(shù)據(jù)接收，并將接收到的數(shù)據(jù)一方面?zhèn)鬏數(shù)絽f(xié)議轉(zhuǎn)換板，另一方面將雷達(dá)數(shù)據(jù)封裝成UDP數(shù)據(jù)包，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸傳入到雷達(dá)數(shù)據(jù)解析模塊。該轉(zhuǎn)換器為可編程門(mén)陣列（FPGA）設(shè)計(jì)的高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制（HDLC）協(xié)議控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)HDLC串口與以太網(wǎng)之間的接口轉(zhuǎn)換，具有完善的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、協(xié)議轉(zhuǎn)換策略，實(shí)現(xiàn)HDLC幀與TCP/UDP/IP協(xié)議間的透明轉(zhuǎn)換，同時(shí)擴(kuò)展UDP協(xié)議轉(zhuǎn)為HDLC協(xié)議[3]。實(shí)現(xiàn)多播UDP Client，UDP Server網(wǎng)絡(luò)功能，給每部雷達(dá)分配惟一的組播地址和端口號(hào)，最終將輸入的雷達(dá)原始數(shù)據(jù)由HDLC傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換為UDP傳輸模式對(duì)外接入雷達(dá)數(shù)據(jù)解析軟件系統(tǒng)。通信模塊軟件部分利用.Net平臺(tái)提供的Sockets和Threading類，接收端多線程、套接字完成雷達(dá)數(shù)據(jù)接收。

3.3 雷達(dá)點(diǎn)跡/航跡處理系統(tǒng)

在解析雷達(dá)數(shù)據(jù)之前，在主程序中設(shè)置每一部雷達(dá)參數(shù)，諸如：IP組播地址、端口號(hào)、雷達(dá)型號(hào)、雷達(dá)數(shù)據(jù)格式、旋轉(zhuǎn)周期、發(fā)射功率、雷達(dá)編號(hào)，以便系統(tǒng)地接收線程獲取雷達(dá)UDP數(shù)據(jù)包。對(duì)接收到的雷達(dá)線程分別建立點(diǎn)跡合并類PlotDecode. cs、點(diǎn)跡航跡相關(guān)類TrackDecode.cs類，其中包括正則表達(dá)式、時(shí)間對(duì)準(zhǔn)、坐標(biāo)變換，使用Radarflag參數(shù)來(lái)區(qū)別雷達(dá)類型。解析完的雷達(dá)數(shù)據(jù)有CAT34服務(wù)信息、CAT48目標(biāo)信息。以INDRA雷達(dá)為例，CAT34的服務(wù)信息主要為：正北信息和扇區(qū)信息[4]。CAT48的目標(biāo)信息為：方位、距離、高度、速度；S模式數(shù)據(jù)，包括飛機(jī)地址碼、航班號(hào)、comm-A、comm-B、comm-C和comm-D。由于各個(gè)雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)配置不同，在數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)中對(duì)目標(biāo)點(diǎn)跡歸一化處理，形成統(tǒng)一格式標(biāo)準(zhǔn)，再采用卡爾曼濾波算法對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行平滑、預(yù)測(cè)，最終形成系統(tǒng)本地航跡，最后，將系統(tǒng)本地航跡根據(jù)自定義的格式存儲(chǔ)到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.4 顯示回放系統(tǒng)

顯示回放系統(tǒng)采用API接口，多圖層方式進(jìn)行繪制。圖層分別為地圖圖層、距離環(huán)圖層、扇區(qū)圖層、目標(biāo)實(shí)時(shí)顯示圖層和目標(biāo)信息圖層。嵌套了.NET框架中內(nèi)置的雙緩沖技術(shù)，利用顯卡前端緩沖區(qū)和內(nèi)存后端緩沖區(qū)可以減少或消除重繪顯示圖面時(shí)產(chǎn)生的閃爍[5]。在主程序收到解碼程序輸出的雷達(dá)數(shù)據(jù)后，存儲(chǔ)到定義好的一個(gè)容器中，該容器與顯示界面一一對(duì)應(yīng)，這樣采用雙緩沖技術(shù)，調(diào)用該容器中的數(shù)據(jù)，然后在圖層中繪制距離環(huán)、雷達(dá)位置、背景地圖、動(dòng)態(tài)目標(biāo)、扇區(qū)掃描等信息。系統(tǒng)回放功能利用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)完成雷達(dá)數(shù)據(jù)回放，回放時(shí)間段可由用戶自定義，支持7×24小時(shí)數(shù)據(jù)[6]。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

將此系統(tǒng)接入INDRA雷達(dá)系統(tǒng)，主程序記錄解析后的雷達(dá)數(shù)據(jù)（圖3），以時(shí)間為標(biāo)識(shí)，記錄時(shí)間精確到秒。30H開(kāi)頭的為雷達(dá)掃描到的目標(biāo)信息，22H開(kāi)頭的為雷達(dá)實(shí)時(shí)發(fā)出來(lái)的扇區(qū)信息。解析系統(tǒng)的顯示界面（圖4），實(shí)時(shí)顯示雷達(dá)掃描到動(dòng)態(tài)的目標(biāo)。小點(diǎn)表示位置，右下角顯示目標(biāo)信息。深色的半徑線模擬雷達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)測(cè)試，真實(shí)性比較高，可以作為判斷雷達(dá)是否故障導(dǎo)致停轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。經(jīng)分析，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)處理顯示真實(shí)的雷達(dá)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確。

圖3 解析后的雷達(dá)數(shù)據(jù)

圖4 雷達(dá)目標(biāo)顯示界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用硬件數(shù)據(jù)通信和.NET的開(kāi)發(fā)平臺(tái)的Sockets、GDI+、雙緩沖、多線程等技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別與處理系統(tǒng)，解決了近些年在空管技術(shù)單位缺乏S模式雷達(dá)數(shù)據(jù)分析設(shè)備的問(wèn)題。系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)頭處理器輸出的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解析識(shí)別，通過(guò)點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)、濾波跟蹤、航跡管理等綜合處理輸出目標(biāo)顯示，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)模塊和雷達(dá)目標(biāo)實(shí)時(shí)回放模塊。該系統(tǒng)已經(jīng)正式在線運(yùn)行到INDRA IRS 20MP/L Mode-s型雷達(dá)，運(yùn)行比較穩(wěn)定。

[1] 陳京華．航管二次雷達(dá)航跡和點(diǎn)跡相關(guān)的基本原理[J]．科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012(2):19-20

[2] 劉宇，聶健蓀，李永寧等．一種一二次雷達(dá)航跡相關(guān)的算法[J]．中國(guó)民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào)，2003,14(2):17-20

[3] 韓瑞新，劉小江，朱紅勝，祝笑舟．基于光柵掃描的雷達(dá)顯示系統(tǒng)仿真[J]．計(jì)算機(jī)仿真，2005(11)

[4] A Raster scan radar display with new scan converting scheme and advanced graphics. Radar, 1996. Proceedings. Wang Desheng,Ji Xiuquan,Pan Hao,Yu zhihong. CIE International Conference of . 1996

[5] 徐關(guān)勇，曹華．電子海圖與雷達(dá)圖像及二次目標(biāo)的疊加顯示研究[J]．艦船電子工程，2004(06)

[6] Thales ATM. NESACC EUROCAT-X System/Segment Specifcation[Z]. Thales Australia Air Systems 2004.

Design and Implementation of Radar Target Recognition and Processing System

Liu Shuai
(Northwest China Civil Aviation Air Traffic Management Bureau Ningxia Branch, Yinchuan, 750001)

Radar target recognition and processing system discussed in this paper.

radar target recognition; tracking processing; target display

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.03.004

TN95文獻(xiàn)標(biāo)示碼：B

1672-7274（2017）03-0013-03