二次監(jiān)視雷達目標點跡分裂分析與凝聚方法

四川九洲空管科技有限責任公司 何 川 李 璐

二次監(jiān)視雷達目標點跡分裂分析與凝聚方法

四川九洲空管科技有限責任公司 何 川 李 璐

二次監(jiān)視雷達點跡凝聚是二次監(jiān)視雷達信號處理的重要組成部分，合適的點跡凝聚方法，能有效的提高目標距離、方位探測精度。但是在復(fù)雜的情況影響下，會產(chǎn)生目標分裂狀況，對后續(xù)的航跡處理跟蹤的準確性產(chǎn)生直接影響，對二次監(jiān)視雷達的探測效果產(chǎn)生較大的影響，不利于監(jiān)視人員掌握空勤狀況。因此本文將分析二次雷達點跡分裂的原因及解決該問題的方法。

二次監(jiān)視雷達；點跡分裂；點跡凝聚

1.引言

在空中交通管制系統(tǒng)中，單脈沖航管二次監(jiān)視雷達可提供合作目標的方位、距離、高度和識別屬性等新息。由于探測距離遠、測量精度高、獲取信息多等優(yōu)點，航管二次雷達成為空中交通管制重要的感知系統(tǒng)和決策依據(jù)。然而，隨著航空運輸業(yè)的飛速發(fā)展，飛行密度日益增加，給航管二次雷達測量質(zhì)量提出了更高的要求[1]。更加復(fù)雜的電磁環(huán)境也給航管二次雷達的信號及數(shù)據(jù)處理帶來的新的挑戰(zhàn)。

在單脈沖二次監(jiān)視雷達設(shè)備中，點跡提起器（Plot Extractor）是各種類、各廠商航管二次雷達不可缺少的組成部分，它的主要功能是：凝聚目標的距離、方位，計算目標的識別代碼（M3/A、MC、MS代碼）等信息。點跡凝聚的處理精度及能力是二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)的一項重要技術(shù)指標。圖1給出了一般情況下，工程應(yīng)用中的點跡凝聚處理的框圖。

圖1 二 次雷達點跡處理框圖

常用的點跡凝聚方法在復(fù)雜的地形及各種干擾影響下，會產(chǎn)生目標分裂情況，對二次雷達的效果產(chǎn)生極大的影響。本文介紹的點跡凝聚的基本概念，并且通過對目標分裂現(xiàn)象的分析, 提出一種適合二次監(jiān)視雷達的點跡凝聚方法,以抑制目標分裂現(xiàn)象的發(fā)生, 提高雷達跟蹤目標的準確性[2]。

2.點跡分裂分析

2.1 點跡分裂的定義

所謂目標分裂是指雷達對同一目標的一次掃掠過程中，目標機的應(yīng)答信號經(jīng)信號處理后表現(xiàn)為兩個或兩個以上目標的現(xiàn)象,也就是說二次雷達把同一個目標判成幾個目標。目標分裂又可分為方位上分裂和距離上分裂兩種。方位分裂是指某一目標在同一距離, 不同方位上被判為多個目標; 距離分裂是指某一目標在同一方位, 不同距離上被判為多個目標。目標的分裂可只在距離或方位上出現(xiàn), 也可同時在方位和距離上出現(xiàn)[2-3]。

2.2 距離分裂的原因分析

二次雷達原始應(yīng)答信號在進行點跡凝聚之前，需要進行框架檢測、脈沖前沿后沿檢測、6dB檢測，用于提取目標的量化幅度及量化距離。ICAO附件10中的應(yīng)答器標準定義了應(yīng)答脈沖的前沿時間位置，其定義為應(yīng)答器應(yīng)答調(diào)制信號前沿的半壓點對應(yīng)的時間。ICAO附件10所允許的應(yīng)答機應(yīng)答脈沖持續(xù)時間在0.35-0.55us范圍內(nèi)，任何持續(xù)時間超過最大的0.55us的脈沖都可能是2個脈沖。所以當兩個應(yīng)答脈沖發(fā)生疊加時，脈沖寬度就會大于0.55us，脈沖應(yīng)答信號真實的前沿（ALE）被檢測出來，根據(jù)二次雷達信號處理的脈沖后沿反推檢測規(guī)則，會出現(xiàn)偽前沿（PLE）也被檢測出來[4-5]。

在設(shè)備連續(xù)波干擾、多路徑反射、異步應(yīng)答干擾、遠距離信號幅度迅速衰落等情況時，甚至在某些時候會出現(xiàn)3個或以上應(yīng)答前沿的情況，那么在臨近的距離單元會出現(xiàn)大量的虛假應(yīng)答。

由于現(xiàn)代二次雷達的測距精度及分辨力指標要求是相對很高一般是約幾十米，甚至更低，大多數(shù)的凝聚處理使用的距離凝聚窗都很小，因此由于距離因素引起的點跡分裂更易產(chǎn)生。距離上目標分裂示意圖如圖5所示。

圖2 距離目標分裂示意圖

2.3 方位分裂原因分析

在2.1章節(jié)中已經(jīng)說明了，安裝機械式天線的二次監(jiān)視雷達工作時，天線連續(xù)旋轉(zhuǎn)對周圍空域進行掃描時，能夠在方位上獲取同一目標掃描的N個應(yīng)答信號, 這些回波經(jīng)信號處理后形成目標原始點跡，攜帶目標的方位、距離、識別代碼、信號幅度等信息[2]。如果同一個目標在方位上的應(yīng)答因為某些原因間斷性或者連續(xù)性丟失，一旦丟失程度達到目標結(jié)束原則時，就會造成目標在方位上的分裂。

下面是幾個情況是造成目標丟失的可能原因：

a）詢問應(yīng)答信號之間的傳播路徑上的地物遮擋；

b）應(yīng)答機應(yīng)答率限制；

c）機載設(shè)備的相互抑制；

d）上下天線切換的限制；

e）異步干擾（FRUIT）；

f）應(yīng)答脈沖信號的重疊；

方位目標分裂示意圖如圖3所示。

圖3 方位目標分裂示意圖

在大多數(shù)情況下，點跡分裂是有距離和方位上的綜合因素造成的。如圖4所示。

圖4 常見的目標分裂情況

3.深度強相關(guān)和點跡間相關(guān)方法解決點跡分裂問題

在常規(guī)的點跡凝聚方法的基礎(chǔ)上，新增加了深度強相關(guān)和點跡間相關(guān)的方法，既保證了目標的分辨能力，也一定程度上處理了二次雷達點跡分裂的問題。方法基本流程圖如圖5所示。

圖5 點跡凝聚方法的基本流程圖

3.1 小門限凝聚（窄門限寬準則凝聚）

常規(guī)的方法采用距離和方位分別一次凝聚的方法，而該方法距離方位同時凝聚。并且由于該二次雷達采用單脈沖測角體制，測角的精度要求高，在兼并考慮分辨力的前提下，采用小距離-方位窗進行相關(guān)。

當點跡凝聚收到攜帶距離、方位、和差幅度值、相位、代碼信息的應(yīng)答信號后，如果該應(yīng)答是首次應(yīng)答，則創(chuàng)建一個候選點跡群組（candidate plot group），等待后續(xù)應(yīng)答信號與之相關(guān)。如果該點不是首次應(yīng)答則和所有已經(jīng)存在的候選點跡群組進行距離方位相關(guān)。相關(guān)時以候選點跡群組中上一次應(yīng)答的方位（PreA）和距離（PreR）為中心，以RG{rmin，rmax}、AG{amin，amax}為相關(guān)窗進行位置相關(guān)，相關(guān)窗計算公式為：

rmin= PreR - RStep

rmax= PreR + RStep

amin= PreA - AStep

amin= PreA + AStep

其中RStep為距離分辨力指標要求、AStep為距離分辨力指標要求，如AStep=0.6度、RStep=50米。小相關(guān)窗示意圖如圖6所示。

與該點跡候選群組能夠相關(guān)上的應(yīng)答，均將信息保存入該候選點跡群組。按照應(yīng)答數(shù)據(jù)的接收順序?qū)⒛繕藨?yīng)答依次相關(guān)，直到滿足相關(guān)結(jié)束準則，獲得候選點跡群組。同時所有未被相關(guān)的原始應(yīng)答均被存入剩余應(yīng)答組（remainder reply group），進入深度強凝聚。

圖6 小相關(guān)窗示意圖

3.2 深度強凝聚（寬門限嚴準則凝聚）

經(jīng)過小門限凝聚，雖然被凝聚的原始應(yīng)答相對可靠，但是有可能漏掉一定的應(yīng)答數(shù)據(jù)，漏掉的應(yīng)答數(shù)據(jù)，重新形成候選點跡群組，容易形成點跡分裂現(xiàn)象，因此我們根據(jù)二次雷達應(yīng)答信號的特點使用深度強凝聚，進行補充凝聚。

在上面的步驟中已經(jīng)得到了基本的候選應(yīng)答群組，現(xiàn)在將沒有相關(guān)上的應(yīng)答從剩余原始應(yīng)答群組依次提取出來，與所有候選點跡群組進行一個寬大窗的相關(guān)處理，RGS{rmin，rmax}、AGS{amin，amax}，RGS是可能出現(xiàn)的最大距離偏移值，AGS是可能出現(xiàn)的最大方位偏移值。在本次相關(guān)中，凡是被相關(guān)上的原始應(yīng)答，必須經(jīng)過代碼判斷，如果剩余應(yīng)答的識別代碼（如M3/A、MS地址等）與點跡組的應(yīng)答識別代碼相同，則將其重新加入候選點跡群組中。如果是高度應(yīng)答，相同的高度碼的剩余應(yīng)答也加入群組，根據(jù)高度應(yīng)答碼的變化規(guī)律，如果剩余高度碼與候選點跡的高度碼相差1個碼位的應(yīng)答，也加入點跡組群組。

該方法找回了有效的原始應(yīng)答，并且減少了剩余應(yīng)答的個數(shù)，從而的降低剩余應(yīng)答形成新的候選點跡群組的幾率。深度強凝聚示意圖如圖7所示。

圖7 深度相關(guān)示意圖

3.3 融合提取點跡

獲取了最終確認的候選點跡群組使用統(tǒng)計學的方法擬合出當前目標的精確坐標位置以及其他的信息，完成凝聚，提取出點跡。依據(jù)經(jīng)驗和實際情況，本文分別對各距離方位采取了不同的辦法進行計算。

a）計算距離（Range）

二次雷達的脈沖采樣時鐘一般較高，所以二次雷達系統(tǒng)測量的距離一般精度較高，所以直接采用“均值法”求得：

b）計算方位（Azimuth）

信號幅度越大的位置越接近目標的真實方位，所以采用“質(zhì)心法”，結(jié)合信號幅度信息進行計算：

c）獲取高度及其他參數(shù)

二次雷達探測的高度信息，是應(yīng)答信號的攜帶的高度編碼數(shù)據(jù)，因此按照高度編碼規(guī)則將高度數(shù)值進行解析，即可獲取目標準確的海拔高度數(shù)據(jù)。

同時為了后續(xù)航跡融合處理能夠有更好的效果，可以將波束寬度、目標幅度、有效應(yīng)答次數(shù)，等信息進行附帶統(tǒng)計，形成點跡數(shù)據(jù)準備送給航跡處理。

圖8 方法應(yīng)用前（左圖）與應(yīng)用后（右圖）效果對比

3.4 點跡間相關(guān)

通過以上處理后，點跡分裂的情況大為改善，但是在某些特定的電磁環(huán)境極其惡劣的場合仍然可能出現(xiàn)個別分裂點跡，在進行大量的數(shù)據(jù)分析以后，發(fā)現(xiàn)對于同一個目標分裂出的多個點跡，滿足點跡結(jié)束條件的時間很接近，因此點跡間相關(guān)的方法，做進一步的凝聚。

在所有點跡被上報給數(shù)據(jù)處理進行后續(xù)的航跡跟蹤之前，延時一定的時間，一般為3～5個觸發(fā)周期。在所有點跡群組中進行點跡間位置相關(guān)，如果發(fā)現(xiàn)位置靠近且代碼相同，高度相當?shù)狞c跡，立即進行幅度、距離比較，按照距離近優(yōu)先、幅度高優(yōu)先的原則，進行合并或剔除處理，最終僅保留一個最終點跡上報數(shù)據(jù)處理。

4.試驗對比

該方法在某型地面二次監(jiān)視雷達設(shè)備中進行了驗證試驗。將出現(xiàn)分裂的原始應(yīng)答進行回放，驗證點跡凝聚性能。點跡凝聚方法使用前和使用后的效果對比如圖8所示。點跡凝聚方法對點跡分裂有較好的抑制。

5.結(jié)束語

目標分裂造成二次雷達探測的點跡數(shù)量增加，影響二次雷達的點跡效果。同時分裂的點跡也加大了航跡相關(guān)處理的工作量，容易造成航跡處理過載，影響后續(xù)目標的正確處理, 以及二次雷達航跡對目標的跟蹤質(zhì)量，從而影響整個二次監(jiān)視雷達的性能。針對二次監(jiān)視雷達的點跡凝聚方法和點跡分裂原因，不少文件均未提到，本文介紹了二次監(jiān)視雷達點跡凝聚方法，分析了出現(xiàn)點跡分裂的原因，并且提出了一種實際可行的凝聚準則和方法，包括小門限凝聚、深度強凝聚方法及點跡間相關(guān)方法等。理論上，該方法合理可行。在實際應(yīng)用中，文中的方法已成功運用于多型號的二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)中，并取得了較好的效果。

[1]崔海歐,方詠秋．某航管二次雷達受擾問題定位及分析[J]．科協(xié)論壇,2013．

[2]劉樹峰．雷達目標點跡分裂與改進的點跡提取器設(shè)計[J]．電子技術(shù),2010年第23卷第Z1期．

[3]賀士廉．克服小滑窗檢測中目標分裂的方法[J]．雷達與對抗,1995(4)：156-159．

[4]Michael C．Stevens．Sencondary Surveillance Radar[M]．boston and london：Artech House,1998．

[5]張慰,徐炎祥．二次雷達遠離[M]．北京：國防工業(yè)出版社,2007．11