一種海面虛假航跡的分析與抑制

代 霞，方 睿

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088；2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230088)

0 引 言

海面態(tài)勢感知是海戰(zhàn)場綜合信息系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)和組成部分，其面臨的挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展趨勢需要海面探測設(shè)備不斷地提升能力。由于機載雷達具有平臺高度和機動優(yōu)勢，能夠靈活實現(xiàn)對非固定海面的大范圍偵察、監(jiān)視，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前機載海面監(jiān)視雷達已經(jīng)成為各國海軍的必備偵察手段，在各類軍事/非軍事任務中得到廣泛應用。

海面?zhèn)刹斓奈锢憝h(huán)境和電磁環(huán)境都比較復雜，雜波、干擾、雷達體制等一系列因素都對機載海面監(jiān)視雷達的目標有效跟蹤提出了嚴峻挑戰(zhàn)。副瓣干擾是一種典型的干擾情況，點源干擾或海面地物強反射目標回波從雷達副瓣進入后，會影響甚至淹沒雷達主瓣接收的目標回波信號。

通常雷達會在信號處理域采用副瓣對消、副瓣匿影等方式進行抗干擾，但當天線性能或處理效果不佳時，進入副瓣的干擾信號難以得到有效抑制和過濾，往往被誤檢測為目標。由于平臺運動，雷達和副瓣干擾信號源之間的相互位置不斷發(fā)生變化，從而產(chǎn)生這種由副瓣“折疊”到主瓣目標的運動假象，形成虛假航跡。

因此，機載監(jiān)視雷達目標跟蹤處理需要能夠有效識別這些虛假航跡，并進行抑制和剔除，提升系統(tǒng)的抗干擾能力。

1 副瓣干擾引起的海面虛假航跡

圖1是一次機載雷達仿真實驗過程中的部分結(jié)果場景，其中連續(xù)點表示對目標跟蹤形成的航跡，航跡最新的位置點附著文字標牌，顯示航跡的批號和速度。

圖1 部分實驗結(jié)果場景

從圖中可以看出，實驗過程出現(xiàn)了大量虛假航跡，對真實目標的跟蹤效果產(chǎn)生了干擾。虛假航跡不僅分布密集，而且方向和速度都非常穩(wěn)定，呈勻速直線運動狀態(tài)。此外，虛假航跡還表現(xiàn)出分組的特征，每一組航跡方向幾乎一致，直觀上看類似幾組平行線。

經(jīng)排查分析，虛假航跡定位為副瓣干擾和載機運動共同作用產(chǎn)生的結(jié)果。一方面當副瓣內(nèi)的干擾或強反射被誤檢測到后，會“折疊”到對應主瓣產(chǎn)生虛警；另一方面，隨著載機本身的運動，主、副瓣相對反射源的角度和位置關(guān)系也在發(fā)生變化，導致每幀探測的虛警位置也不相同，從而產(chǎn)生運動假象，形成虛假航跡。

2 特征分析

2.1 建模分析

為提取特征給后續(xù)識別和抑制提供參考，進一步對虛假航跡進行定量分析，根據(jù)成因建立相應模型。

如圖 2所示，選擇載機和副瓣干擾所在平面建立慣性直角坐標系，其中表示載機，表示副瓣干擾(點源干擾或海面地物強反射目標等，假定固定，位置不隨時間發(fā)生變化)。干擾從副瓣“折疊”到主瓣引起虛警的過程可以抽象為圍繞，從副瓣旋轉(zhuǎn)角度到主瓣，產(chǎn)生虛假目標檢測點′。

圖2 虛假航跡成因模型

假設(shè)各點坐標為((),())、(,)、′(′(),′())，其中表示時間。根據(jù)旋轉(zhuǎn)公式可得：

′()=(-())·cos-

(-())·sin+()

(1)

′()=(-())·sin+

(-())·cos+()

(2)

令上述兩式對時間求導，可得：

(3)

(4)

對上述兩式分別平方并求和，可得：

(5)

即：

(6)

因此，對于虛假航跡，可以先通過式(6)，根據(jù)航跡速度和載機速度計算，進一步代入式(3)、式(4)即可預測其運動速度與方向(通過2個速度分量的比值)。

2.2 實測數(shù)據(jù)分析

為驗證上述模型的合理性，采用圖1對應的原始數(shù)據(jù)進行分析。

分別人工選擇4條虛假航跡和真實航跡作為樣本，對于航跡的每一幀數(shù)據(jù)，首先通過式(6)和(3)、(4)計算得到模型預測的虛假航跡方向速度分量_，然后計算其與真實速度分量的相對誤差Δ，計算公式為：

Δ=(-_)

(7)

分析結(jié)果如圖 3所示，可以看出：虛假航跡的相對誤差明顯較小，絕大部分都在±30%以內(nèi)，而且比較穩(wěn)定，幾乎不隨時間改變，與模型符合；反之，真實航跡的相對誤差波動明顯，呈現(xiàn)出隨機性，且數(shù)值范圍較大。

圖3 原始數(shù)據(jù)分析結(jié)果

理論上，虛假航跡速度分量的相對誤差應為0，但實際工作中由于波束形態(tài)、測量誤差、隨機噪聲等因素的存在，通常是難以達到的。

3 識別和抑制方法

3.1 方法流程

基于前文的特征分析結(jié)果，由副瓣干擾引起的虛假航跡識別和抑制方法流程設(shè)計如下：

(1) 獲取航跡狀態(tài)數(shù)據(jù)

取一條航跡個最近更新點的狀態(tài)數(shù)據(jù)，的取值范圍一般為[2,5]，數(shù)據(jù)包括載機和航跡分別在慣性直角坐標系下、2個方向上的運動速度分量，具體可通過慣導信息、目標地速、運動方向等計算得到。

之所以取多個點，是為了通過信息累積消除偶然因素的影響，防止因誤差或噪聲引起誤判。

(2) 計算相對誤差Δ

按照2.2節(jié)的過程計算每個更新點對應的相對誤差，得到一組共計個Δ。

需要注意的是，由于航跡每次更新只增加一個點，重新計算一次即可，另外-1個相對誤差值可以保存沿用前面的計算結(jié)果。

(3) 識別抑制虛假航跡

基于每組Δ，綜合對每條航跡是否虛假進行識別。

首先，設(shè)置相對誤差的合理值域[-,](為范圍調(diào)節(jié)參數(shù)，恒正，根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗一般可取0.5)，判斷若個Δ是否均處于該范圍內(nèi)；

其次，設(shè)和分別表示個Δ的方差和均值，判斷<0.1是否成立。

如果上述2個條件都滿足，即該航跡多個更新點的速度分量相對誤差既靠近0又穩(wěn)定一致，與模型特性符合，則判斷其為虛假航跡，進行刪除處理；否則，航跡保留，繼續(xù)觀察。

從上述流程可以看出，該方法對于每條航跡而言，只需要額外存儲幾個計算過程值，在每幀航跡更新時進行一次簡單計算即可，時間和空間資源開銷都非常小，不會對目標跟蹤正常的處理流程產(chǎn)生影響。

3.2 方法效果

分別在采用和不采用本文方法的情況下，回放同一段原始數(shù)據(jù)，保持其他目標跟蹤處理流程不變，進行對比實驗。不失一般性，實驗選取了若干不同區(qū)域。

如圖4所示，其中每組子圖對應同一個區(qū)域，左側(cè)為原始處理效果，右側(cè)為采用方法后的對比處理效果。

圖4 對比實驗結(jié)果

可以看出，采用本文方法后，虛假航跡普遍得到了有效識別和抑制，抗干擾效果明顯。此外，原本的真實航跡依然可以正常處理，跟蹤效果和實時性得以保證。

4 結(jié)束語

本文在分析副瓣干擾引起虛假航跡過程的基礎(chǔ)上，建立了相關(guān)的成因模型，對虛假航跡的特征進行了定量分析，進一步提出一種識別和抑制此類虛假航跡的方法。該方法首先假設(shè)待處理的航跡為虛假航跡，根據(jù)航跡的狀態(tài)數(shù)據(jù)計算若干最近更新點的預測速度分量，然后與實際速度分量對比得到1組相對誤差，通過值域范圍和一致性2個維度對其進行檢驗，判定虛假航跡的假設(shè)通過與否，并分別進行相應處理。實測數(shù)據(jù)的對比實驗結(jié)果表明，該方法抑制虛假航跡的效果明顯，且不會對正常航跡產(chǎn)生影響，能夠提升系統(tǒng)的抗干擾能力。

后續(xù)可以將干擾源的時變信息、雷達波束形態(tài)等因素納入研究范疇，進一步提高理論模型與實際情況的符合程度，以便對虛假航跡的特性進行更加精確的分析與預測。