一種基于目標(biāo)點跡關(guān)聯(lián)的艦載多雷達數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)

陳敬軍

(海軍駐上海地區(qū)第七軍事代表室，上海 201108)

0 引 言

為了適應(yīng)現(xiàn)代信息技術(shù)和戰(zhàn)爭形態(tài)的發(fā)展，近二十年來，多傳感器信息融合技術(shù)發(fā)展迅速[1-10]。數(shù)據(jù)融合是為了充分利用不同時間與空間的多傳感器資源，把來自不同平臺傳感器的在空間和時間上冗余或互補的數(shù)據(jù)信息依據(jù)某種準則進行組合，以獲得被測對象一致性的描述和理解，使該系統(tǒng)較其各個子系統(tǒng)具有更加優(yōu)越的性能，從而做出更加準確、可靠、穩(wěn)定的決策。

現(xiàn)代艦艇都配備了多部雷達，但每部雷達只能提供一定空間和時間的目標(biāo)信息，多雷達數(shù)據(jù)融合將有效提高平臺的目標(biāo)檢測、跟蹤、定位性能和態(tài)勢評估能力[11-16]。受硬件等因素的制約，國內(nèi)多雷達數(shù)據(jù)融合研究和應(yīng)用重點是航跡級融合技術(shù)，而點跡和信號級融合技術(shù)研究得相對較少。在公共計算平臺加速推進的大背景下，本文給出了一種工程化的新型艦載多雷達點跡融合系統(tǒng)方案，簡單介紹了點跡融合技術(shù)的實現(xiàn)方法，并對提出的多雷達點跡融合系統(tǒng)的性能進行了討論。

1 總體方案

1.1 點跡級融合優(yōu)勢

多雷達數(shù)據(jù)融合可以選擇對信號、點跡和航跡三個層次的數(shù)據(jù)進行融合：信號級融合處理雷達的回波信號；點跡級融合處理各個雷達經(jīng)目標(biāo)檢測處理后得到的點跡信息；航跡級融合處理各個雷達經(jīng)檢測跟蹤處理后得到的航跡信息[9]。

信息提取過程往往會損失部分原始信號信息，通常每經(jīng)歷一次信息提取就會損失一部分原始信號信息。信號級融合的層次最低，因為信息提取帶來的信息損失最少，能夠最大限度地利用原始信息，可實現(xiàn)檢測、成像等更多樣的融合處理，但是時空配準要求高，通信與信息處理代價最大，實現(xiàn)復(fù)雜度最高。航跡級融合的層次最高，但各雷達在形成目標(biāo)航跡的處理過程中已經(jīng)丟失了大量的原始信息，通過航跡融合大幅提高系統(tǒng)性能會有一定的限制，但是融合處理實現(xiàn)最簡單，只需要各雷達輸出目標(biāo)航跡等數(shù)據(jù)即可，通信和信息處理的代價最小，基本上無需改動現(xiàn)有的雷達硬件。

點跡級融合的層次居中，付出的代價不大，但能明顯提升系統(tǒng)的性能。點跡融合的點跡信息量非常豐富，目標(biāo)點跡是各雷達目標(biāo)檢測的結(jié)果，卻是目標(biāo)跟蹤、軌跡提取等后續(xù)處理的輸入[1]。在點跡級融合，除了無法形成原始圖像外，系統(tǒng)不僅可以充分利用各雷達點跡包含的豐富信息來提高目標(biāo)檢測概率、定位精度和空間覆蓋能力，而且可從多個方面提高目標(biāo)跟蹤性能。通過對多雷達點跡串行處理，目標(biāo)點跡更新速率加快，從而大大提高航跡起始速度和對機動目標(biāo)的跟蹤能力。在點跡級融合不需要傳輸各雷達之間的海量原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通信量少，實時性要求相對較低；同時可以支持各雷達單元獨立并行處理，在不影響現(xiàn)有多雷達系統(tǒng)主要架構(gòu)的情況下完成點跡信息的融合，具有在系統(tǒng)改動較小的情況下充分利用點跡信息融合大幅提高系統(tǒng)性能的潛力。在大力推行艦船網(wǎng)絡(luò)一體化和公共計算平臺的背景下，在點跡級進行多雷達數(shù)據(jù)融合是可行的理想選擇。

1.2 系統(tǒng)總體方案

圖1給出了艦載平臺的多雷達點跡融合系統(tǒng)的信號流程：系統(tǒng)首先對接收到的各個雷達的點跡數(shù)據(jù)進行空間配準，統(tǒng)一測量坐標(biāo)系。如果雷達數(shù)據(jù)包含目標(biāo)多普勒速度，則利用外推法進行時間配準，接著將時空配準后的點跡數(shù)據(jù)進行目標(biāo)點跡融合，然后利用融合后的目標(biāo)點跡進行航跡起始、航跡關(guān)聯(lián)、航跡濾波更新，并輸出最終航跡跟蹤結(jié)果。如果雷達數(shù)據(jù)不包含目標(biāo)多普勒速度，則根據(jù)多雷達測量值的時標(biāo)進行排序，依次利用多雷達測量值進行航跡起始、航跡關(guān)聯(lián)、航跡濾波更新，并輸出最終航跡跟蹤結(jié)果。

圖1 整體實現(xiàn)方案

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 空間配準

(1)

(2)

(3)

易得直角坐標(biāo)系下的多普勒分量為

(4)

2.2 時間配準

時間配準是將多部雷達的時間對準到一個時間基準上[1]。時間基準的選擇可以根據(jù)實際情況確定，但通常以融合中心的時間作為時間基準。時間配準方法有多項式插值法、外推法等。

多項式插值法的基本原理是利用有限的點跡數(shù)據(jù)對目標(biāo)短時間內(nèi)的運動軌跡進行逼近：先將目標(biāo)多個時刻的數(shù)據(jù)擬合得到一條曲線，然后計算出曲線上時間基準對應(yīng)的點上的數(shù)值。多項式插值法需要多幀點跡的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，相當(dāng)于點跡時間配準前進行航跡起始的處理，使得時間配準復(fù)雜度相對較高，并且時間配準具有一定的滯后性。為了避免時間滯后和航跡起始問題，系統(tǒng)只對有多普勒速度的點跡數(shù)據(jù)利用外推法進行時間配準。

外推法是一種簡單易操作的時間配準技術(shù)。以兩部雷達為例，設(shè)雷達1、2的采樣周期分別為T1、T2，融合中心的處理周期為T(T可以選T1或T2)，則外推法的處理步驟如下：

(1)在當(dāng)前融合中心處理時刻t，取所有未處理的雷達1、2的空間配準后的點跡；

(2)將所有未處理的雷達1、2的點跡外推，得到當(dāng)前融合中心處理時刻的時間配準點跡。

(5)

(6)

由此得到點跡t時刻的坐標(biāo)為[x,y]。

需要注意的是，由于一般只能得到點跡的多普勒速度信息，即以測量雷達為坐標(biāo)原點的徑向速度信息，無法得到準確的速度信息，上述外推法只能得到目標(biāo)的徑向位移，目標(biāo)的角度假設(shè)不變。在對準時利用多普勒信息估計目標(biāo)的運動速度，由于多普勒速度存在模糊，利用多假設(shè)方法進行配對，再根據(jù)匹配結(jié)果進行外推。

2.3 關(guān)聯(lián)算法

關(guān)聯(lián)算法包含不同雷達點跡之間的關(guān)聯(lián)和融合后點跡與航跡的關(guān)聯(lián)兩部分。

不同雷達點跡之間的關(guān)聯(lián)用于判斷同一時刻多雷達的點跡是否屬于同一目標(biāo)，主要利用目標(biāo)點跡之間的位置關(guān)系。不同雷達所觀測的同一目標(biāo)的點跡都分布在目標(biāo)真值附近，相距較近。不同雷達的作用距離和定位精度是不同的，即使是同一雷達在不同距離上的定位精度也是不同的。在多雷達點跡關(guān)聯(lián)過程中要考慮各雷達的監(jiān)控區(qū)域、定位精度和作用距離以及點跡的空間位置等因素。雷達性能已知的情況下，可以把定位精度高的雷達點跡優(yōu)先假設(shè)為目標(biāo)點跡，然后利用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法將其他點跡與目標(biāo)點跡互聯(lián)，直至所有點跡關(guān)聯(lián)完畢?？紤]能夠得到實時互聯(lián)結(jié)果，同一目標(biāo)對應(yīng)的多雷達點跡數(shù)據(jù)互聯(lián)方法可選用最近鄰方法和全局最近鄰方法。

融合后點跡與航跡的關(guān)聯(lián)采用聯(lián)合概率數(shù)據(jù)互聯(lián)算法(JPDA)，根據(jù)不同雷達的測量協(xié)方差矩陣，采用橢圓關(guān)聯(lián)波門，并按照卡方分布概率密度函數(shù)以及設(shè)定的概率門限進行設(shè)置。

2.4 點跡融合

將多雷達的目標(biāo)點跡與目標(biāo)關(guān)聯(lián)以后，后續(xù)目標(biāo)跟蹤方法可以分為兩大類：一類將同一目標(biāo)的多雷達點跡數(shù)據(jù)進行合并壓縮和/或串行處理，然后利用單雷達目標(biāo)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法進行處理[13]；另一類利用在單傳感器數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法基礎(chǔ)上發(fā)展出來的多傳感器聯(lián)合概率數(shù)據(jù)互聯(lián)算法(MSJPDA)等，直接處理同一目標(biāo)的多雷達點跡數(shù)據(jù)。

(7)

2.5 航跡起始和刪除

利用點跡與點跡的互聯(lián)實現(xiàn)航跡起始。常用的航跡起始方法有直觀法和邏輯法等[1]，其中直觀法是最簡單的航跡起始方式，只利用速度限制和加速度限制來起始航跡；邏輯法不僅利用速度信息起始航跡，而且利用航跡和點跡的誤差信息進一步確定起始航跡。邏輯法步驟如下：

(1)用第一次掃描得到的點跡作為航跡根節(jié)點，并通過目標(biāo)可能的速度等建立相關(guān)波門，對落入初始相關(guān)波門內(nèi)的第二次掃描點，均建立可能航跡；

(2)對每個可能的航跡進行外推，以外推點為中心，根據(jù)航跡外推誤差協(xié)方差矩陣建立相關(guān)波門，波門內(nèi)與外推點距離最近的第三次掃描點跡作為該航跡關(guān)聯(lián)點跡；

(3)繼續(xù)步驟2，掃描n次后判斷是否形成了穩(wěn)定航跡，若穩(wěn)定航跡存在，則繼續(xù)跟蹤。對不滿足穩(wěn)定航跡邏輯的航跡，做刪除處理。

判斷穩(wěn)定航跡一般采用m/n邏輯方法，在連續(xù)n次掃描中超過m次存在點跡時，便宣告航跡起始成功。

3 系統(tǒng)性能分析

首先利用仿真數(shù)據(jù)驗證通過多雷達點跡融合后系統(tǒng)能否提升目標(biāo)跟蹤精度。以性能相同的兩部雷達點跡為例，雷達的脈沖重復(fù)間隔為1 010 μs，每一圈發(fā)射脈沖2 400個，測距誤差為75 m，測量角度誤差為0.4，雷達系統(tǒng)的檢測概率為0.85，系統(tǒng)采用壓縮合并方法進行目標(biāo)點跡融合，采用JPDA算法進行跟蹤。目標(biāo)以速度[-100，-100] m/s做勻速直線運動，初始位置[63，63] km。圖2～圖5給出了各雷達以及點跡融合后的一次目標(biāo)跟蹤全程距離、角度、航速和航向的變化情況，全程雷達掃描120圈，每圈約為2.4 s。表1給出了進行1 000次蒙特卡洛仿真得到的各雷達誤差統(tǒng)計結(jié)果，可以看出該點跡融合系統(tǒng)能夠有效提高跟蹤精度。

表1 航跡誤差統(tǒng)計結(jié)果

圖2 全程段距離誤差

圖3 全程段角度誤差

圖4 全程段航速誤差

圖5 全程段航向誤差

多雷達點跡合并壓縮通過改善點跡質(zhì)量提高了目標(biāo)的跟蹤定位精度。通過串行處理后，兩部相同的雷達的點跡合成后數(shù)據(jù)率可以提高一倍，兩次目標(biāo)檢測的時間縮短一半，對應(yīng)的目標(biāo)機動距離同樣會大幅減小，若利用與單部雷達相同的目標(biāo)跟蹤參數(shù)，確認航跡起始的時間會縮短一半，并可跟蹤到機動性能更大的目標(biāo)。多雷達點跡串行處理可以加快航跡起始和提高跟蹤機動目標(biāo)的性能。

由于桅桿遮擋等原因，單部雷達可能存在一定范圍的盲區(qū)。為了解決盲區(qū)問題，大型艦艇都裝備兩部以上的導(dǎo)航雷達。根據(jù)本文提出的點跡融合方案，導(dǎo)航雷達采用無目標(biāo)多普勒速度情況下的處理流程。由于多部導(dǎo)航雷達的采樣周期基本相同且采樣周期較短，加上導(dǎo)航雷達感興趣的目標(biāo)機動性小等，因采樣時間差異引入的誤差很小，導(dǎo)航雷達通過點跡融合可以提高目標(biāo)跟蹤精度。對導(dǎo)航雷達系統(tǒng)而言，通過只對目標(biāo)兩個以上的點跡合并處理，只要有一部雷達檢測到目標(biāo)，就有目標(biāo)對應(yīng)的點跡送入到后續(xù)目標(biāo)檢測跟蹤處理，融合后的系統(tǒng)與單部雷達相比擴大了觀測范圍，可檢測到位于其中一部雷達盲區(qū)內(nèi)的目標(biāo)。

當(dāng)兩部雷達的采樣周期不同，且雷達和目標(biāo)之間的相對運動較快時，時間配準過程對融合結(jié)果會產(chǎn)生較大的影響。由于外推法只利用了一個點跡位置和多普勒速度信息，外推法進行時間對準所得點跡的誤差比較大。相對于多項式插值法，由于使用的信息較少，外推法的誤差也較大。為了降低時間配準誤差，可考慮航跡確認前采用本文給出的處理流程，采用如下方法在目標(biāo)航跡輸出后計算新點跡時間對準的位置：一是用估計的目標(biāo)運動參數(shù)代替目標(biāo)多普勒速度，利用外推法進行計算；二是利用屬于同一目標(biāo)航跡上的最近雷達檢測到的三個點跡的位置數(shù)據(jù)，再用多項式插值法進行計算。

4 結(jié)束語

本文給出了一種艦載多雷達點跡融合系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，并結(jié)合雙導(dǎo)航雷達點跡融合的具體情況對系統(tǒng)的性能進行了討論。分析結(jié)果表明該多雷達點跡融合處理系統(tǒng)能顯著提高目標(biāo)的跟蹤精度，數(shù)據(jù)融合后的目標(biāo)跟蹤性能優(yōu)于單部雷達設(shè)備的跟蹤性能。該融合系統(tǒng)的框架可以支持各雷達單元的獨立并行處理，在不影響現(xiàn)有多雷達系統(tǒng)主要架構(gòu)的情況下完成點跡信息融合，具有在系統(tǒng)改動較小情況下充分利用點跡信息融合大幅提高系統(tǒng)性能的潛力。在加速推進公共計算平臺的大背景下，點跡級多雷達數(shù)據(jù)融合是一種非常可行的工程方案。但是多雷達點跡融合處理目前存在較大的技術(shù)難點和一定的技術(shù)風(fēng)險，在后續(xù)工作中還需要根據(jù)雷達的實際情況和跟蹤精度要求，不斷優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)，持續(xù)提高目標(biāo)跟蹤性能。