一種低配硬件資源的雷達(dá)目標(biāo)點跡提取凝聚方法

邢永昌，洪 偉，孫 斌

(中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

當(dāng)前目標(biāo)點跡提取和凝聚主要有兩種方法：

一種是通過FPGA或DSP等芯片中的邏輯軟件實現(xiàn)點跡提取，計算機(jī)實現(xiàn)點跡凝聚與濾波跟蹤。該方法的特點是提取波門內(nèi)點跡，點跡組成往往只包含方位、距離和方位延伸值等基本信息。其優(yōu)點是可以通過邏輯軟件實現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的要求，只發(fā)送少部分?jǐn)?shù)據(jù)給計算機(jī)，計算機(jī)集中資源用于目標(biāo)的凝聚、跟蹤，可以釋放大量計算機(jī)資源用于人機(jī)交互和接口控制，能夠簡化雷達(dá)數(shù)據(jù)處理和顯示控制硬件架構(gòu)，節(jié)約實現(xiàn)成本；缺點是點跡凝聚精度不高，原因是計算機(jī)沒有實時接收大規(guī)模點跡數(shù)據(jù)的接口，點跡提取芯片不能進(jìn)行復(fù)雜的邏輯處理，因此往往利用點跡處理芯片進(jìn)行簡單的邏輯處理，把基本的目標(biāo)點跡數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機(jī)，計算機(jī)收到有限的點跡數(shù)據(jù)，只能采用幾何中心等方法進(jìn)行凝聚分裂并獲取目標(biāo)點跡中心，該方法僅適用于硬件配置低且對目標(biāo)精度要求不高的情況。

另一種是通過高速通道(如Rapid IO等)把整個雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機(jī)，由專用的計算機(jī)(一個或多個)實現(xiàn)目標(biāo)的點跡提取，然后送給專用計算機(jī)進(jìn)行目標(biāo)凝聚、目標(biāo)跟蹤和顯示控制。由于點跡提取過程處理數(shù)據(jù)量大，且要求實時性高，需要占用大量計算機(jī)資源，故該處理過程需要專用的計算機(jī)(往往需要多臺)用于點跡提??；目標(biāo)凝聚和目標(biāo)跟蹤處理也需要專用的計算機(jī)。該方法的優(yōu)點是點跡提取精度比較高，由于目標(biāo)點跡提取的輸出目標(biāo)點跡信息數(shù)據(jù)精細(xì)，目標(biāo)凝聚可以進(jìn)行高精度處理；缺點是需要多個與邏輯芯片之間的高速接口的計算機(jī)系統(tǒng)，該架構(gòu)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)復(fù)雜，因此硬件成本和研制成本相對第一種方法均大幅提高。

本文以上述兩種方法為基礎(chǔ)：基于第一種方法的硬件基礎(chǔ)，通過改進(jìn)點跡提取算法和目標(biāo)凝聚算法，能夠輸出接近甚至等同于第二種方法可實現(xiàn)的目標(biāo)跟蹤精度。點跡提取邏輯芯片僅需增加輸出每個點的幅度信息，在目標(biāo)凝聚算法中采用質(zhì)心法來獲取目標(biāo)的位置信息和時間信息。該方法在數(shù)據(jù)傳輸上增加的數(shù)據(jù)量為原來的一倍，完全可以實現(xiàn)第一種方案的硬、軟件架構(gòu)。測試驗證環(huán)境：在點跡提取芯片與計算機(jī)之間采用PCI總線；計算機(jī)硬件配置：單核CPU，主頻2.2 GHz；運行軟件包含的功能：目標(biāo)凝聚、跟蹤；雷達(dá)顯示控制；雷達(dá)操控與故障檢測；雷達(dá)對外接口等。

1 實現(xiàn)原理

本文提供一種低配硬件資源的雷達(dá)目標(biāo)點跡處理方法，該方法在點跡提取、輸出格式設(shè)計、點跡凝聚過程中進(jìn)行算法改進(jìn)，即可達(dá)到以較低的成本獲取較高精度的目標(biāo)航跡信息的效果；在保證目標(biāo)點跡精度的前提下，提取范圍要小、輸出數(shù)據(jù)要少、點跡凝聚的計算量要小。本方案實現(xiàn)步驟如下：

(1)點跡提取

針對每個脈沖回波數(shù)據(jù)，采用M-N檢測器，對同一個仰角層、相同距離相鄰脈沖視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行方位上滑窗提取。

針對每一個距離單元進(jìn)行門限過濾處理，脈沖數(shù)據(jù)過門限則開始記錄當(dāng)前脈沖的幅度值，如果記錄到第(N-M+2)個時，沒有出現(xiàn)第2個過門限值，則放棄記錄；當(dāng)記錄數(shù)據(jù)量超過N時，查看是否滿足M/N點跡起始條件(不低于M/N)，如果沒有滿足，則從第二個過門限點開始記錄數(shù)據(jù)，并丟棄前面記錄的數(shù)據(jù)；如果滿足，則結(jié)束條件(低于M/N)，方位延伸值從第一個記錄的超出門限值開始計算，到滿足結(jié)束標(biāo)志為止；滿足結(jié)束條件后，判斷是否滿足方位延伸值≥T(T值一般取一個波束寬度對應(yīng)點目標(biāo)主觸發(fā)個數(shù)的一半)，如果滿足，則判斷該起始與結(jié)束數(shù)據(jù)之間為一個完整點跡。判斷該點跡的位置是否在需要輸出的區(qū)域(以下稱為波門)中，如果在波門中，存入目標(biāo)點跡寄存器，用于待輸出；如果不在，則清除該數(shù)據(jù)，并繼續(xù)準(zhǔn)備下一個點跡的判斷。如果超過波門內(nèi)最大點跡的個數(shù)，且已檢測區(qū)域小于2/3波門區(qū)域(為了保證波門中心區(qū)域點跡能夠獲得提取，必須保證檢測區(qū)域不小于2/3波門區(qū)域)，則繼續(xù)提取點跡，并從第一個點跡開始覆蓋。具體處理流程如圖1所示。

圖1 點跡提取流程圖

(2)點跡輸出

輸出波門內(nèi)目標(biāo)點跡數(shù)據(jù)到計算機(jī)系統(tǒng)，包括當(dāng)前波門號；所處仰角值；波門內(nèi)的點跡個數(shù)；第n1個點跡的方位、距離、方位延伸值；第m個距離單元幅度值等，具體如表1所示。

(3)目標(biāo)點跡凝聚

計算機(jī)根據(jù)收到的目標(biāo)點跡信息(含有方位、距離、仰角、延伸值和方位延伸值對應(yīng)點的幅度信息)，采用式(1)～(5)可以分別計算出方位幅度和、距離幅度和、仰角幅度和，通過式(6)～(9)可以分別計算出獲取目標(biāo)的位置質(zhì)心。

根據(jù)目標(biāo)點的位置質(zhì)心和點跡延伸值連接性進(jìn)行凝聚處理，點跡凝聚后根據(jù)組成目標(biāo)的每個點跡對應(yīng)的數(shù)據(jù)分別累加，獲取凝聚后目標(biāo)點對應(yīng)的幅度和、方位幅度和、距離幅度和、仰角幅度和。通過式(6)計算出天線掃過目標(biāo)位置中心時刻的時戳質(zhì)量中心。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式(1)～(9)的均值針對某一個點跡，其中PAA為方位幅度和；PDA為距離幅度和；PEA為仰角幅度和；PTA為時間幅度和；PA為幅度和；Ampi為方位上第i點的幅度值；Disi為第i點的距離值；Elei為第i點仰角值；A為方位質(zhì)心點值；D為距離質(zhì)心點值；E為仰角質(zhì)心點值；T0為第0點的時戳值；TAN為天線掃描一個周期的時間；P0為第0點的方位值；T為時戳質(zhì)心點值。

2 實現(xiàn)過程

實施步驟如下：

首先通過邏輯軟件實現(xiàn)點跡提取，計算機(jī)實現(xiàn)目標(biāo)凝聚和檢測跟蹤的硬件環(huán)境，硬件環(huán)境邏輯圖如圖2所示。

圖2 硬件環(huán)境邏輯圖

采用M-N檢測器，根據(jù)實現(xiàn)原理中描述的具體方法劃窗提取點跡。方法的驗證試驗采用M=4，N=7(下文關(guān)于該取值僅指在該試驗中的取值)。針對每一個距離單元進(jìn)行門限過濾處理，有脈沖數(shù)據(jù)過門限，則開始記錄當(dāng)前脈沖的幅度值，如果記錄到第5個沒有出現(xiàn)第2個過門限值，則放棄記錄；當(dāng)記錄數(shù)據(jù)量超過7時，查看是否滿足4/7點跡起始條件，若不滿足，則從第2個過門限點開始記錄數(shù)據(jù)，并丟棄前面記錄的數(shù)據(jù)；如果滿足結(jié)束條件(低于4/7)，方位延伸值從第1個記錄的超出門限值開始計算，直到滿足結(jié)束標(biāo)志為止；滿足結(jié)束條件后，判斷方位延伸值是否大于等于5，如果滿足，則判斷該起始與結(jié)束數(shù)據(jù)之間為一個完整的點跡。判斷該點跡的位置是否在需要輸出的區(qū)域(波門)中，如果在波門中，則存入目標(biāo)點跡寄存器，用于待輸出；如果不是，則清除該數(shù)據(jù)，并繼續(xù)準(zhǔn)備下一個點跡的判斷。具體處理流程如圖3所示。

將波門內(nèi)目標(biāo)點跡數(shù)據(jù)輸出到計算機(jī)系統(tǒng)，點跡輸出數(shù)據(jù)的內(nèi)容和格式見表1；采用第1章描述的方法計算獲取目標(biāo)的位置質(zhì)心。

根據(jù)目標(biāo)點的位置質(zhì)心和點跡延伸值連接性進(jìn)行凝聚處理，點跡凝聚后根據(jù)組成目標(biāo)的每個點跡對應(yīng)的數(shù)據(jù)分別累加，獲取凝聚后目標(biāo)點跡對應(yīng)的幅度和、方位幅度和、距離幅度和、仰角幅度和。采用式(6)～(9)可以計算獲取目標(biāo)點跡參數(shù)的質(zhì)量中心。

計算機(jī)根據(jù)收到的目標(biāo)點跡信息(方位、距離、仰角、延伸值、點的幅度信息)，通過計算幅度和、方位幅度和、距離幅度和、仰角幅度和計算獲取目標(biāo)的質(zhì)量中心。具體計算公式如式(1)～(5)。

凝聚后目標(biāo)點跡信息發(fā)送至目標(biāo)跟蹤單元、顯示單元等，進(jìn)行目標(biāo)的外推和外推點跡信息顯示等。

3 實驗驗證

采用真實雷達(dá)目標(biāo)回波進(jìn)行測試后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)目標(biāo)中心位置偏離幾何中心時，該方法效果明顯。同樣的雷達(dá)回波分別采用幾何中心法和本文質(zhì)心法的測試結(jié)果表明，目標(biāo)的位置中心和時戳中心精度均得到明顯提高。

采用本文方法和傳統(tǒng)方法提取得到的目標(biāo)測量位置中心和時戳中心分別如圖4和圖5所示，其中白色十字標(biāo)志是根據(jù)邏輯軟件輸出的波門內(nèi)點跡數(shù)據(jù)提取的目標(biāo)位置。

圖4 采用本文方法提取的點跡位置圖

圖5 采用傳統(tǒng)方法獲取的目標(biāo)位置圖

4 結(jié)束語

隨著數(shù)據(jù)處理芯片中RAM容量的提高，邏輯軟件可以存儲更多的處理數(shù)據(jù)，這為利用硬件實現(xiàn)波門內(nèi)點跡提取軟件和實現(xiàn)目標(biāo)凝聚的方法提供了提高精度的必要條件。在該硬件條件下，本文方法在硬件簡化基礎(chǔ)上實現(xiàn)了目標(biāo)測量精度的提高，是一種低成本的雷達(dá)目標(biāo)測量精度提高方法。