淺談雷達(dá)多目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)

（航空工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110850）

1 單雷達(dá)系統(tǒng)

雷達(dá)追蹤系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)處理和監(jiān)控目標(biāo)，并結(jié)合數(shù)學(xué)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在雷達(dá)追蹤系統(tǒng)中，多雷達(dá)數(shù)據(jù)主要是將雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)作為核心，只有將數(shù)據(jù)融合在一起對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分析才能發(fā)揮出多雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。圖1 為雷達(dá)目標(biāo)追蹤的示意圖。

圖1 雷達(dá)目標(biāo)追蹤系統(tǒng)圖

單雷達(dá)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理和航跡提取2 個(gè)部分組成。數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)中存在異常的去除掉，一些數(shù)據(jù)龐大的文件需要進(jìn)行壓縮處理并上傳，預(yù)處理的主要目的是將一些原始數(shù)據(jù)中會(huì)影響最終結(jié)果的誤差和干擾排除掉，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量，為后期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理奠定基礎(chǔ)。

單雷達(dá)系統(tǒng)追蹤主要依據(jù)地心坐標(biāo)系、笛卡爾坐標(biāo)系以及機(jī)載地理坐標(biāo)系。坐標(biāo)系用于檢測(cè)載體的質(zhì)心位置，主要的坐標(biāo)系有X 軸（縱軸上的正向），Y 軸（機(jī)載的右翼方向），Z 軸（根據(jù)右手螺旋定則確定）。

通過(guò)對(duì)雷達(dá)坐標(biāo)系的分析可以發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)系統(tǒng)和飛機(jī)使用的坐標(biāo)系不同，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理后得到的結(jié)果也不一樣。所以在處理數(shù)據(jù)的時(shí)候，需要對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換仿真。仿真數(shù)據(jù)為大地坐標(biāo)系下標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，利用經(jīng)度、緯度和高度的三維數(shù)據(jù)來(lái)表示被跟蹤目標(biāo)所在的位置。在航跡融合時(shí)需要在大地坐標(biāo)系與大地空間直角坐標(biāo)系之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如圖2 所示[1]。

雷達(dá)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，需要探測(cè)軌跡點(diǎn)，然后進(jìn)行采集。在監(jiān)控與探測(cè)時(shí)會(huì)用到聚類算法。聚類是對(duì)數(shù)據(jù)間的關(guān)系進(jìn)行分類和劃分，將相同的數(shù)據(jù)或者具有高相似度的數(shù)據(jù)歸為一類，將不同的數(shù)據(jù)或者彼此排斥的數(shù)據(jù)歸為另一類，由于雷達(dá)監(jiān)控目標(biāo)的數(shù)據(jù)信息量非常大，同時(shí)數(shù)據(jù)具有很高的實(shí)時(shí)性，所以使用聚類處理的方法很有必要[2]。

圖2 航跡坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換示意圖

對(duì)單雷達(dá)的軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行提取時(shí)，需要用到過(guò)濾系統(tǒng)。在飛機(jī)或者目標(biāo)進(jìn)入雷達(dá)監(jiān)控區(qū)域后，雷達(dá)會(huì)立即對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控并獲取該目標(biāo)的位置以及相關(guān)信息，對(duì)目標(biāo)的速度和姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。雷達(dá)會(huì)隨著該目標(biāo)在該區(qū)域的運(yùn)行軌跡和規(guī)律將數(shù)據(jù)傳輸回處理器中，形成一個(gè)數(shù)據(jù)集合。這個(gè)數(shù)據(jù)集合不斷更新，直到目標(biāo)消失或者離開雷達(dá)監(jiān)控區(qū)域，最終將數(shù)據(jù)上傳到融合中心。

數(shù)據(jù)上傳之后，計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)處理將目標(biāo)的軌跡繪制出來(lái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)有重疊或者雜亂的軌跡，這些異常的數(shù)據(jù)需要利用門限過(guò)濾系統(tǒng)進(jìn)行處理。門限過(guò)濾系統(tǒng)是通過(guò)門限對(duì)軌跡進(jìn)行過(guò)濾，將一些不必要的軌跡剔除，這其中也包含噪聲和干擾等數(shù)據(jù)。

單雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)聚類方法和門限過(guò)濾系統(tǒng)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這樣就可以得到最平滑的運(yùn)動(dòng)軌跡。雷達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)在軌跡提取的過(guò)程中，如果軌跡的間隔在300 s 以上，可以認(rèn)為這2 個(gè)軌跡不是同一個(gè)軌跡，同時(shí)在監(jiān)控的過(guò)程中，每個(gè)雷達(dá)的軌跡數(shù)據(jù)有10 個(gè)以上的不同點(diǎn)數(shù)，如果每個(gè)點(diǎn)數(shù)的時(shí)間在30 s 以上，也將這種軌跡視為不同的軌跡[3]。

2 多雷達(dá)系統(tǒng)

相對(duì)于單雷達(dá)系統(tǒng)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析而言，多雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)非常復(fù)雜。但是對(duì)于探測(cè)對(duì)象來(lái)說(shuō)，多雷達(dá)系統(tǒng)的監(jiān)控范圍更廣、精度要比單雷達(dá)系統(tǒng)要高。多雷達(dá)系統(tǒng)在對(duì)軌跡進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要對(duì)軌跡進(jìn)行一一比對(duì)，但是可以對(duì)不同雷達(dá)探測(cè)的對(duì)象進(jìn)行合一處理，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)之間的共享和最終的數(shù)據(jù)處理。在目標(biāo)運(yùn)動(dòng)到雷達(dá)監(jiān)控區(qū)域后，多個(gè)雷達(dá)同時(shí)對(duì)該目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，每個(gè)雷達(dá)會(huì)測(cè)量自己的數(shù)據(jù)，形成不同的軌跡，通過(guò)模糊理論和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型來(lái)完成航跡對(duì)的提取。

雷達(dá)在完成目標(biāo)采集后，可以通過(guò)不同雷達(dá)監(jiān)控軌跡的相似程度來(lái)判斷其是否為同一個(gè)目標(biāo)。在監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中，由于不同雷達(dá)之間存在精度差異，導(dǎo)致雷達(dá)數(shù)據(jù)之間的精度不同，測(cè)量間距也不同，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)存在明顯差異。

如果數(shù)據(jù)有很明顯的規(guī)律或者目標(biāo)在同一時(shí)間段、不同雷達(dá)上顯示的運(yùn)動(dòng)是相似的，那么就直接表明該目標(biāo)為同一個(gè)目標(biāo)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)模型的分析方法，可以對(duì)目標(biāo)的軌跡進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立常速運(yùn)動(dòng)和平面拋體運(yùn)動(dòng)2種模型。

建立目標(biāo)軌跡運(yùn)動(dòng)模型后，將一個(gè)時(shí)間設(shè)為搜索的中心，在該時(shí)間內(nèi)收集目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模型分析[4]。

在對(duì)模具進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，需要將噪聲加入勻速運(yùn)動(dòng)和平面拋體運(yùn)動(dòng)的模型中。在一定范圍內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)分布，建立搜索算法，以時(shí)間作為基準(zhǔn)得到最終的軌跡，這一過(guò)程主要包括5 個(gè)步驟。1）如果目標(biāo)出現(xiàn)在單個(gè)雷達(dá)的監(jiān)控區(qū)域時(shí)，需要對(duì)探測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間排序，再將數(shù)據(jù)鎖定在某一段時(shí)間內(nèi)，最終計(jì)算出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。2）當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入另一個(gè)雷達(dá)的監(jiān)控區(qū)域后，2 個(gè)雷達(dá)同時(shí)對(duì)同一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行鎖定，并將軌跡提取出來(lái)。3）將搜索到的軌跡與最相近時(shí)間段內(nèi)的軌跡數(shù)據(jù)提取出來(lái)，計(jì)算波動(dòng)參數(shù)，再進(jìn)行判斷。4）重復(fù)步驟1～3，直到將目標(biāo)系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡顯示出來(lái)。5）在顯示出運(yùn)動(dòng)軌跡之后，需要對(duì)軌跡進(jìn)行剔除處理，將數(shù)據(jù)中的偏離或者干擾數(shù)據(jù)刪除掉，最終形成一個(gè)完整的軌跡。

在多雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中，時(shí)間是一個(gè)非常重要的基準(zhǔn)，在處理數(shù)據(jù)時(shí)需要與時(shí)間匹配，這樣做的主要目的就是將不同雷達(dá)探測(cè)到的頻率整合到同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖3 所示。

圖3 軌跡與時(shí)間的關(guān)系圖

從圖3 中可以分析出雷達(dá)在同一時(shí)間內(nèi)完整的目標(biāo)軌跡。但是在某一段時(shí)間內(nèi)存在著受到干擾或者某些限制的另一個(gè)軌跡，如果在這種情況下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，只會(huì)顯示一個(gè)雷達(dá)數(shù)據(jù)，必須通過(guò)與時(shí)間匹配將另一條軌跡空白的位置補(bǔ)充上，軌跡融合的時(shí)間進(jìn)行匹配是必要的準(zhǔn)備工作，也是可以反映真實(shí)目標(biāo)的條件，配準(zhǔn)后的2 條航跡經(jīng)緯度時(shí)間歷程應(yīng)該相互對(duì)應(yīng)[5]。

3 結(jié)論

該文以航空雷達(dá)作為研究對(duì)象，對(duì)其數(shù)據(jù)處理方式進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)飛機(jī)的飛行過(guò)程進(jìn)行了研究，結(jié)合單雷達(dá)處理系統(tǒng)和多雷達(dá)處理系統(tǒng)，分析飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)和飛行軌跡，預(yù)測(cè)飛機(jī)的飛行方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)飛行軌跡的監(jiān)控，為飛機(jī)監(jiān)控和指揮提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，在對(duì)多目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行研究分析時(shí)，需要對(duì)目標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和航跡處理，通過(guò)這些研究和分析，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集，保證飛機(jī)的飛行安全。