基于跟蹤雷達(dá)低空小目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤的優(yōu)化

李耀南 張金鳳 鄭東衛(wèi)

(西安電子工程研究所 西安 710100)

基于跟蹤雷達(dá)低空小目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤的優(yōu)化

李耀南 張金鳳 鄭東衛(wèi)

(西安電子工程研究所 西安 710100)

由于某火控系統(tǒng)對(duì)低空小目標(biāo)精確打擊的需要，在其配套的火控跟蹤雷達(dá)上要實(shí)現(xiàn)對(duì)低空小目標(biāo)的穩(wěn)定精確跟蹤。然而低空意味著有很強(qiáng)的地雜波干擾，小目標(biāo)由于本身RCS反射截面積較小，往往容易被回波中強(qiáng)地雜波淹沒(méi)，從而造成跟蹤丟失，針對(duì)該情況提出了一系列優(yōu)化改進(jìn)措施，其中最為核心的便是二維恒虛警檢測(cè)與四維跟蹤。

跟蹤雷達(dá);低空小目標(biāo);二維恒虛警檢測(cè);四維跟蹤

0 引言

當(dāng)雷達(dá)波束主瓣指向低空時(shí)，往往大部分旁瓣會(huì)指向地物，這樣回波中就會(huì)多出很多地雜波，有時(shí)再加上多徑效應(yīng)的積累，往往地雜波的強(qiáng)度還要超過(guò)一些弱小目標(biāo)的信號(hào)強(qiáng)度。為了有效跟蹤低空小目標(biāo)(包括飛機(jī)和導(dǎo)彈)，就需要使用有效地抑制強(qiáng)地雜波。而使用傳統(tǒng)三維跟蹤(即距離跟蹤，俯仰角跟蹤和方位角跟蹤)無(wú)法滿足有效跟蹤低空小目標(biāo)的需求，這就需要火控跟蹤雷達(dá)專門(mén)針對(duì)抑制強(qiáng)地雜波來(lái)優(yōu)化檢測(cè)算法。

1 二維恒虛警檢測(cè)

在地雜波背景下，判斷目標(biāo)存在與否通常采用過(guò)門(mén)限檢測(cè)的方法，即幅度若超過(guò)設(shè)置的門(mén)限則被判定為目標(biāo)信號(hào)，否則為雜波信號(hào)。一般情況下目標(biāo)回波如果超過(guò)門(mén)限，那么目標(biāo)判定就正確;而機(jī)內(nèi)噪聲或隨機(jī)出現(xiàn)的雜波如果超過(guò)門(mén)限，那么目標(biāo)判定就會(huì)出現(xiàn)虛警(所謂虛警就是由虛假目標(biāo)引起的報(bào)警)。把在規(guī)定的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)虛警的概率稱為虛警概率［1］。因?yàn)殡s波干擾出現(xiàn)和變化的隨機(jī)性較強(qiáng)，所以虛警概率值也隨之變化起伏，而這就與雷達(dá)系統(tǒng)的期望值背道而馳。雷達(dá)系統(tǒng)期望的是，當(dāng)雜波的幅值變化時(shí)，雷達(dá)的檢測(cè)門(mén)限也隨之變化，以維持一個(gè)恒定的虛警率，這就是恒虛警率技術(shù)［2］。對(duì)雜波恒虛警率處理是根據(jù)雜波的概率分布和強(qiáng)度變化，自適應(yīng)地調(diào)整檢測(cè)門(mén)限，用以實(shí)現(xiàn)恒虛警率的目的，這樣在檢測(cè)目標(biāo)時(shí)就形成了隨雜波幅值的變化而變化的檢測(cè)門(mén)限(即自適應(yīng)門(mén)限)。

跟蹤雷達(dá)截獲目標(biāo)時(shí)，設(shè)置的恒虛警門(mén)限通常是13dB，而跟蹤時(shí)為了保證在目標(biāo)起伏時(shí)不丟失，往往還要降低6dB，這就帶來(lái)了更高的虛警概率。低空背景下的強(qiáng)地雜波，往往也會(huì)帶來(lái)很高的虛警概率，虛警多了以后很容易把虛警誤判成是目標(biāo)，從而造成跟錯(cuò)跟丟，這就需要適當(dāng)?shù)奶Ц吆闾摼T(mén)限系數(shù)來(lái)抑制通過(guò)檢測(cè)門(mén)限的虛警數(shù)量，而當(dāng)門(mén)限系數(shù)抬高時(shí)，很有可能起伏的弱小目標(biāo)就被抬高的恒虛警門(mén)限濾掉了，這就帶來(lái)了矛盾。

1.1 鄰近單元平均恒虛警(CA－CFAR)檢測(cè)器［3］

CA－CFAR是均值類恒虛警的處理方法之一，在均勻雜波背景下具有良好的檢測(cè)性能，但在出現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)或多個(gè)強(qiáng)干擾時(shí)檢測(cè)性能會(huì)嚴(yán)重下降。

由待檢測(cè)點(diǎn)前后沿鄰近參考單元求均值計(jì)算得到的平均雜波包絡(luò)估計(jì)與門(mén)限系數(shù)T值決定了CA－CFAR的判決門(mén)限。將與檢測(cè)單元最鄰近的幾個(gè)單元作為保護(hù)單元，是為了防止目標(biāo)能量泄露到參考單元影響檢測(cè)器對(duì)雜波功率的估計(jì)。具體算法如圖1所示。

1.2 二維恒虛警(2D－CFAR)檢測(cè)器［4］

上述的典型CFAR檢測(cè)器使用的參考窗為一維參考窗。研究發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)背景中的噪聲和雜波是在距離和多普勒域二維同時(shí)存在，并且局部噪聲在剔除異常值后，可以認(rèn)為是平穩(wěn)的高斯隨機(jī)過(guò)程。一般一維恒虛警檢測(cè)只是在距離單元上處理，以距離單元進(jìn)行單元平均，這樣做的好處是可以有效濾除部分距離維的噪聲雜波形成的虛警，但不足是對(duì)速度維的噪聲雜波形成的虛警基本是起不到抑制作用的。顯然，利用待檢單元附近二維空間上的單元作為參考單元獲得背景的包絡(luò)估計(jì)要更有效。

對(duì)此提出了二維的恒虛警參考窗結(jié)構(gòu)(2DCFAR)，可以分別在待檢單元所在的多普勒通道中

圖中，輸入信號(hào)xi被送到由(2L+2N+1)個(gè)延遲單元構(gòu)成的延遲線上，D是待檢測(cè)單元，D的兩側(cè)各有N個(gè)保護(hù)單元和L個(gè)參考單元。將所有參考單元中的值求和后再平均，最后乘以門(mén)限系數(shù)T就可以計(jì)算出判決門(mén)限。表達(dá)式如下:做一維距離單元恒虛警檢測(cè)和在待檢單元所在的距離單元通道中做一維多普勒單元恒虛警檢測(cè)，然后分別求出距離維的恒虛警參考窗和多普勒維的恒虛警參考窗，待檢測(cè)單元與之相比較，如果檢測(cè)單元的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量都超過(guò)分別由兩維虛警概率確定的參考窗門(mén)限，則判定檢測(cè)單元有目標(biāo)，否則就被判定為虛警。如圖2所示，其滑窗結(jié)構(gòu)具有二維特征。

圖2中，T為檢測(cè)單元，橫向R為距離維參考單元，縱向R為多普勒維參考單元。

2D－CFAR試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如圖3所示，

圖3中，由于大小受限只截取了1個(gè)距離單元通道的CFAR結(jié)果，其中點(diǎn)實(shí)線為待檢測(cè)單元，左邊幅度較高的點(diǎn)為零頻的地雜波，而坐標(biāo)為(x:3301，y:41.8)的點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，長(zhǎng)虛線為距離維恒虛警門(mén)限(由于該圖不是按距離單元線性排列的所以窗不明顯)，短虛線為多普勒維恒虛警門(mén)限(目標(biāo)的左窗右窗較為明顯)，點(diǎn)劃線為固定門(mén)限(只是濾除一些噪聲)。由圖可見(jiàn)，能超過(guò)這三個(gè)門(mén)限的虛警已經(jīng)很少了，包括零頻的巨大回波都被距離維恒虛警門(mén)限卡掉了，說(shuō)明二維恒虛警對(duì)抑制虛警的作用還是很明顯的。

2 四維跟蹤［5］

四維跟蹤是在距離維、速度維、俯仰角維、方位角維四個(gè)維度下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，與傳統(tǒng)三維跟蹤不同的是，增加了速度維(即多普勒維跟蹤)，火控跟蹤雷達(dá)往往跟蹤目標(biāo)的多普勒都不在零頻附近，通過(guò)MTI扣除零頻附近的回波信號(hào)可以有效的抑制靜止背景形成的地雜波，而一般情況下目標(biāo)運(yùn)動(dòng)背景的多普勒也不會(huì)剛好和目標(biāo)多普勒在相鄰的幾個(gè)多普勒通道中同時(shí)出現(xiàn)，通過(guò)以目標(biāo)多普勒為中心增加多普勒波門(mén)，將凝聚前的非目標(biāo)速度的回波剔除，便可又濾掉很多目標(biāo)多普勒以外的強(qiáng)地雜波;再加上原本就有的穩(wěn)定跟蹤時(shí)的距離小波門(mén)，也可以濾掉目標(biāo)所在距離單元以外的雜波干擾。綜上所述，就是要在距離多普勒二維平面上根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)置一個(gè)二維波門(mén)，來(lái)濾除恒虛警檢測(cè)后的整個(gè)距離多普勒平面上與目標(biāo)距離或速度較遠(yuǎn)的虛警。距離多普勒二維波門(mén)如圖4所示。

通過(guò)卡爾曼濾波或是α－β濾波估算出下一幀目標(biāo)所在距離單元和多普勒單元，以預(yù)測(cè)目標(biāo)為中心，在距離多普勒平面形成一個(gè)二維波門(mén)，只保留波門(mén)內(nèi)通過(guò)恒虛警門(mén)限的數(shù)據(jù)做目標(biāo)凝聚，可以有效地濾除一些通過(guò)恒虛警門(mén)限的虛警，減少凝聚后的“目標(biāo)”個(gè)數(shù)，降低誤判的概率，然后利用從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的正確性，不會(huì)誤跟到虛警從而導(dǎo)致目標(biāo)丟失。

試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)低空小目標(biāo)的錯(cuò)誤跟蹤概率大幅降低，跟蹤穩(wěn)定性得到了明顯的改善。如圖5所示。

3 結(jié)論

本論文提出的方法解決了輕型火控跟蹤雷達(dá)跟蹤低空小目標(biāo)需要解決的問(wèn)題，二維恒虛警抑制了強(qiáng)地雜波引起的虛警，四維跟蹤更是抑制了距離和速度維上的雜波干擾對(duì)跟蹤目標(biāo)的誤導(dǎo)，對(duì)工程設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。在工程實(shí)踐上應(yīng)用時(shí)，由于遠(yuǎn)近區(qū)波形切換時(shí)要注意二維波門(mén)的放大以免目標(biāo)由于抖動(dòng)被小波門(mén)卡掉，穩(wěn)定跟蹤時(shí)可以適當(dāng)縮小波門(mén)，同時(shí)還要注意針對(duì)盲速目標(biāo)時(shí)要使用脈沖重復(fù)周期參差。

［1］張劍.雷達(dá)海雜波背景下的恒虛警率目標(biāo)檢測(cè)方法研究及實(shí)現(xiàn)［D］.哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，2008.

［2］雷達(dá)系統(tǒng)中航雷達(dá)與電子設(shè)備研究院［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2006:312－319.

［3］何友，關(guān)鍵，彭應(yīng)寧，等.雷達(dá)自動(dòng)檢測(cè)與恒虛警處理［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1999:32－64.

［4］黃紅平，張曉玲.一種改進(jìn)型二維恒虛警參考窗［J］.航空兵器，2011.2(1):34－37.

［5］鄭建彬，黃振興.機(jī)載PD雷達(dá)四維跟蹤數(shù)據(jù)處理原理及實(shí)現(xiàn)［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24(11):90－92.

Optimization of Low-altitude Small Target Tracking Performance of Tracking Radar

Li Yaonan，Zhang Jinfeng，Zheng Dongwei
(Xi'an Electronic Engineering Research Institute，Xi'an 710100)

In order to meet requirement to precision engagement against low-altitude small target，tracing radar in a fire control system should be able to track low-altitude small target stably.Echo of the small target is likely drown due to strong ground clutter at lower level and small RCS of small target，which will lead to target losing.A series of improvement measures are presented，and the most important are 2D-CFAR detection and 4D-Tracking.

tracing radar;low-altitude small target;2D-CFAR;4D-Tracking

TN957

A

1008-8652(2017)01-029-03

2016-03-07

李耀南(1984－)，男，碩士(工程師)。研究方向?yàn)樾盘?hào)處理和波束控制機(jī)的FPGA及DSP的軟件開(kāi)發(fā)與調(diào)試。