炮位偵校雷達(dá)數(shù)據(jù)處理一體化技術(shù)研究

摘" 要：針對傳統(tǒng)炮位偵校雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中跟蹤、識別、濾波各環(huán)節(jié)中存在信息交互能力差，對雷達(dá)濾波數(shù)據(jù)信息挖掘不充分的問題，提出數(shù)據(jù)處理一體化的技術(shù)思路。通過建立跟蹤、識別間的反饋，將識別信息反饋到跟蹤階段以調(diào)整跟蹤策略節(jié)約雷達(dá)時間資源;建立識別、濾波間的雙向反饋，根據(jù)不同的目標(biāo)選擇合適的濾波模型以提高外推精度?；谝陨纤悸罚Y(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提出一體化技術(shù)的可行性，具有一定工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：炮位偵校雷達(dá);數(shù)據(jù)處理;一體化技術(shù);跟蹤濾波;目標(biāo)識別

中圖分類號：TN957" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）18-0027-04

Abstract： Aiming at the poor information exchange ability of tracking， recognition and filtering in the traditional weapon locating radar data processing， and the insufficient data mining of radar filter， the technical idea of integrated data processing is put forward. By establishing the feedback between tracking and recognition， the identification information is fed back to the tracking stage to adjust the tracking strategy to save radar time resources. The bidirectional feedback between recognition and filtering is established， and the appropriate filtering model is selected according to different targets to improve the accuracy of extrapolation. Based on the above ideas， the feasibility of the proposed integration technology is verified by combining with simulation experiments， which has certain engineering application value.

Keywords： weapon locating radar; data processing; integration technology; tracking filtering; target recognition

炮位偵校雷達(dá)的主要作戰(zhàn)任務(wù)是偵察敵方火炮炮位和測定己方火炮彈著點(diǎn)，通過間接的方式完成對戰(zhàn)場有關(guān)目標(biāo)的偵察和定位[1]，在地面進(jìn)攻與防御作戰(zhàn)中仍具有不可替代的作用。數(shù)據(jù)處理方法是決定炮位偵校雷達(dá)性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。炮位偵校雷達(dá)數(shù)據(jù)處理是指終端數(shù)據(jù)處理軟件對彈丸目標(biāo)跟蹤濾波數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識別、彈道外推的過程。

近年來，有關(guān)炮位偵校雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的研究主要側(cè)重于利用基于彈道模型的非線性濾波估計(jì)算法和機(jī)器學(xué)習(xí)算法獲得彈道目標(biāo)的精確參數(shù)估計(jì)，提高彈道外推精度。文獻(xiàn)[2]采用考慮地球曲率的彈道模型，分析比較了最小二乘估計(jì)、擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）、無跡卡爾曼濾波（UKF）和粒子濾波（PF）等幾種濾波算法的性能，驗(yàn)證了各種算法的精度和可行性;文獻(xiàn)[3]在擴(kuò)展卡爾曼濾波基礎(chǔ)上提出一種基于反向擴(kuò)展卡爾曼濾波的彈道外推算法，將正向?yàn)V波的終點(diǎn)作為反向?yàn)V波的起點(diǎn)，旨在通過縮短外推距離來提升外推精度，取得一定成果;文獻(xiàn)[4]建立了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)2種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的彈道落點(diǎn)預(yù)測模型，并利用粒子群優(yōu)化算法對2種模型的參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，有助于快速準(zhǔn)確地預(yù)測彈道落點(diǎn);文獻(xiàn)[5]提出使用遺傳算法辨識出彈丸飛行中的姿態(tài)角度信息再進(jìn)行彈道外推，通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性，所提出的模型具有可擴(kuò)展性，可降低傳統(tǒng)外推算法中的模型誤差。

傳統(tǒng)炮位偵校雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中跟蹤、識別、濾波和外推是按時間順序進(jìn)行的，在具體實(shí)現(xiàn)時各部分也相互獨(dú)立，導(dǎo)致各環(huán)節(jié)中存在信息交互能力差，對雷達(dá)濾波數(shù)據(jù)信息挖掘不充分的問題。本文從數(shù)據(jù)處理一體化的角度出發(fā)，通過建立數(shù)據(jù)處理中各階段的信息反饋，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理流程，減少虛假目標(biāo)跟蹤、外推，達(dá)到節(jié)約雷達(dá)系統(tǒng)時間資源的目的。最后結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提一體化技術(shù)的可行性。

1" 炮位偵校雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理

1.1" 雷達(dá)系統(tǒng)組成

目前國內(nèi)外的炮位偵校雷達(dá)大多都采用相控陣體制，主要系統(tǒng)組成如圖1所示。雷達(dá)系統(tǒng)工作時，實(shí)時控制計(jì)算機(jī)自動控制雷達(dá)各分系統(tǒng)同步協(xié)調(diào)工作。雷達(dá)架設(shè)完畢后，工作流程大致為：通信分系統(tǒng)與上級指揮中心保持聯(lián)系，定位定向?qū)Ш椒窒到y(tǒng)確定雷達(dá)的位置，搜索屏覆蓋指定偵察區(qū)域，信號與信息處理系統(tǒng)抑制地面雜波、氣象雜波、鳥群雜波、有源和無源干擾信號，經(jīng)過信號處理、恒虛警檢測等處理后判斷是否發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，若發(fā)現(xiàn)目標(biāo)則把目標(biāo)的信號送到數(shù)據(jù)處理器形成量測數(shù)據(jù)，包括目標(biāo)的位置、速度，對量測數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)、跟蹤、濾波、平滑和預(yù)測等計(jì)算，抑制測量過程中的隨機(jī)誤差，并在顯控分系統(tǒng)的終端計(jì)算機(jī)上形成穩(wěn)定的目標(biāo)航跡，彈道外推程序根據(jù)濾波數(shù)據(jù)外推得到敵方炮位坐標(biāo)或己方火炮落點(diǎn)位置，最后將可靠性高的外推炮位坐標(biāo)上報(bào)給指揮中心或火炮武器平臺，完成一次作戰(zhàn)任務(wù)。

1.2" 數(shù)據(jù)處理流程介紹及分析

傳統(tǒng)炮位偵校雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。雷達(dá)以TAS（Track and Search，跟蹤加搜索）方式工作，當(dāng)搜索到有運(yùn)動目標(biāo)穿過搜索屏?xí)r，發(fā)射確認(rèn)、跟蹤波束，獲得目標(biāo)的距離、方位、俯仰和速度信息，以量測數(shù)據(jù)前兩點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到濾波初值，代入基于質(zhì)點(diǎn)彈道方程的擴(kuò)展卡爾曼濾波方程中，等到濾波器收斂后（跟蹤濾波點(diǎn)數(shù)一般為15～20個），將濾波終點(diǎn)作為彈道外推的起點(diǎn)，利用四階龍格-庫塔法從外推起點(diǎn)向彈道起點(diǎn)方向進(jìn)行彈道外推，得到外推炮位的坐標(biāo)，從外推起點(diǎn)向彈道落點(diǎn)方向進(jìn)行彈道外推，則得到炮彈落點(diǎn)坐標(biāo)。

當(dāng)目標(biāo)為真實(shí)彈道目標(biāo)時，以上數(shù)據(jù)處理流程可以順利運(yùn)行，并且在現(xiàn)有各種濾波、彈道外推算法的基礎(chǔ)上可得到較高的精度，然而當(dāng)飛機(jī)、無人機(jī)、地面車輛等非彈道目標(biāo)穿過搜索屏?xí)r，炮位偵校雷達(dá)同樣會發(fā)現(xiàn)并發(fā)射跟蹤波束，直到在跟蹤了若干點(diǎn)后才根據(jù)航跡判別為非彈道類目標(biāo)而結(jié)束跟蹤[6]，若無法根據(jù)航跡判斷，還會啟動后續(xù)的彈道外推程序，這樣一來，對虛假目標(biāo)的確認(rèn)、跟蹤、外推耗費(fèi)了大量的雷達(dá)時間資源，降低了搜索數(shù)據(jù)率，導(dǎo)致對真實(shí)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率下降，盡管跟蹤、濾波、外推的精度都做得很好也無濟(jì)于事。除此之外，跟蹤、濾波、外推是按時間順序結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，存在先后次序制約，在具體實(shí)現(xiàn)中各個技術(shù)手段都是單獨(dú)進(jìn)行，三者的信息關(guān)聯(lián)性沒有得到足夠重視，例如在跟蹤階段，可根據(jù)量測數(shù)據(jù)中的速度、俯仰角信息初步判斷目標(biāo)是否符合彈道目標(biāo)高速運(yùn)動、俯仰角大（低射角彈道除外）的運(yùn)動特征，對平飛、低速目標(biāo)可直接剔除或作其他處理。

2" 一體化技術(shù)原理

通過上面的分析，本文從數(shù)據(jù)處理一體化的角度出發(fā)，通過建立跟蹤、識別間的反饋，將識別信息反饋到跟蹤階段以調(diào)整跟蹤策略，節(jié)約雷達(dá)時間資源;建立識別、濾波間的雙向反饋，根據(jù)不同的目標(biāo)選擇合適的濾波模型以提高外推精度;通過對跟蹤濾波數(shù)據(jù)的精細(xì)化處理和深度挖掘，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理流程來提升雷達(dá)目標(biāo)識別、彈道外推的能力。一體化技術(shù)原理如圖3所示。

過程①為識別向跟蹤的前向反饋?；赥AS的跟蹤方式會對目標(biāo)發(fā)射確認(rèn)波束獲取更多信息，根據(jù)多普勒速度、俯仰角變化、垂直方向速度等運(yùn)動特征可初步判斷該目標(biāo)是否符合彈道類目標(biāo)基本運(yùn)動特征，若為非彈道類目標(biāo)，可根據(jù)雷達(dá)實(shí)際時間資源情況選擇結(jié)束跟蹤或者以較低的數(shù)據(jù)率跟蹤。

過程②為濾波向識別的反饋。經(jīng)過第一次目標(biāo)識別后，平動、低速運(yùn)動目標(biāo)已被剔除，若目標(biāo)為非彈道類目標(biāo)，如做上仰機(jī)動的飛機(jī)，則轉(zhuǎn)入濾波階段，將量測數(shù)據(jù)代入基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的彈道方程中，對量測數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。由于非彈道類目標(biāo)的運(yùn)動模型與彈道模型不符，量測值和濾波值的誤差會隨時間增加，嚴(yán)重時會導(dǎo)致濾波器發(fā)散[7]，由此可判定該目標(biāo)為非彈道類目標(biāo)，回到過程①，將識別結(jié)果反饋到跟蹤，不再啟動彈道外推程序。

過程③為識別向?yàn)V波的反饋，即根據(jù)不同的目標(biāo)選擇合適的濾波模型以降低模型誤差。目前，通過提取目標(biāo)彈道、軌跡、速度等特征可有效區(qū)分氣動類目標(biāo)和彈道類目標(biāo)，氣動類目標(biāo)常作為無效目標(biāo)進(jìn)行濾除，這里以典型的迫擊炮彈和遠(yuǎn)程火箭彈的運(yùn)動特征為例加以分析，迫擊炮彈多采用高射角發(fā)射，彈道軌跡彎曲大、射程近、彈體較小，速度在300 m/s左右;火箭彈常采用多管發(fā)射，助推段經(jīng)發(fā)動機(jī)點(diǎn)火后速度可達(dá)1 000 m/s，遠(yuǎn)程打擊射程可達(dá)100 km，且炮彈體積較大，雷達(dá)散射截面積（RCS）特征明顯。迫擊炮彈和火箭彈的速度、射程、彈道軌跡有明顯區(qū)別，針對遠(yuǎn)程火箭彈可采用考慮地球曲率的彈道方程[8]來提升外推精度。

通過以上分析，數(shù)據(jù)處理一體化技術(shù)對節(jié)約系統(tǒng)時間資源、提升彈道外推精度有一定幫助，其關(guān)鍵在于通過挖掘跟蹤、濾波信息來判斷是否為真實(shí)彈道類目標(biāo)。在跟蹤階段依據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動特征先對所檢測到的目標(biāo)做一個粗分類，對飛機(jī)、無人機(jī)、地面車輛等非彈道目標(biāo)進(jìn)行過濾和剔除，從而降低虛假目標(biāo)跟蹤建航的概率，保證對彈道類目標(biāo)的高優(yōu)先級處理，經(jīng)過層層篩選，具有彈道類目標(biāo)運(yùn)動特征的數(shù)據(jù)進(jìn)入后續(xù)的彈道外推處理環(huán)節(jié)。

3" 仿真實(shí)驗(yàn)

根據(jù)質(zhì)點(diǎn)彈道方程仿真生成一條全彈道數(shù)據(jù)如圖4所示，炮彈初速為560 m/s，彈道系數(shù)為0.5，射角為43°，橫坐標(biāo)為距離，縱坐標(biāo)為彈道高度;從實(shí)測數(shù)據(jù)中截取靶機(jī)做爬機(jī)運(yùn)動的一部分如圖5所示，橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)數(shù)，縱坐標(biāo)為飛行高度，靶機(jī)從1 900 m高度爬升約500 m后緩緩下降。

炮彈的仿真數(shù)據(jù)是以炮位為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系下生成的，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換才能得到以雷達(dá)為原點(diǎn)的極坐標(biāo)下的觀測值，假設(shè)雷達(dá)的隨機(jī)探測誤差服從零均值的正態(tài)分布，方位為1 mil，俯仰角為1.5 mil，距離為6.25 m，采樣時間為0.3 s。將炮彈上升段運(yùn)動和靶機(jī)爬升機(jī)動數(shù)據(jù)作為真值，加入高斯白噪聲形成量測值，代入以擴(kuò)展卡爾曼濾波為基礎(chǔ)的濾波方程中得到濾波值，濾波初值取前2個測量值的平均值，得到各自的X方向?yàn)V波平均距離誤差分別如圖6、圖7所示，橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)數(shù)，縱坐標(biāo)為平均距離誤差。

對比圖6、圖7可以看出，經(jīng)過對測量值的濾波處理，炮彈的濾波誤差逐漸減小并趨于穩(wěn)定，而靶機(jī)的濾波誤差逐漸增大，并且沒有收斂的趨勢，且炮彈的濾波誤差始終比靶機(jī)的小，這是由于非彈道類目標(biāo)的運(yùn)動模型與彈道模型失配引起的，即濾波效果或是否收斂可以作為目標(biāo)識別的判別方式之一。炮彈的上升段和飛行目標(biāo)的爬升雖從軌跡上有相似之處，但可以利用濾波信息中的濾波誤差加以區(qū)分，從而剔除“虛假”目標(biāo)，完成識別向跟蹤的反饋，節(jié)約雷達(dá)時間資源。以上仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了炮位偵校雷達(dá)數(shù)據(jù)處理一體化技術(shù)的可行性，有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

4" 結(jié)束語

近年來，信息化戰(zhàn)爭、電子戰(zhàn)等新型作戰(zhàn)方式的出現(xiàn)為現(xiàn)代戰(zhàn)爭提供了更多手段與選擇，然而傳統(tǒng)火炮憑借其實(shí)體打擊效果好、成本可控、通用性優(yōu)和可靠性高的特點(diǎn)，在各國陸軍炮兵部隊(duì)中占有一席之地，再加上無人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，大大增加了空中目標(biāo)識別的作戰(zhàn)壓力和復(fù)雜性。炮位偵校雷達(dá)作為陸軍炮兵偵察裝備之一，需要從眾多目標(biāo)中準(zhǔn)確、快速地完成彈道類目標(biāo)跟蹤、識別、外推，為反炮兵作戰(zhàn)贏得時間。

本文針對傳統(tǒng)炮位偵校雷達(dá)數(shù)據(jù)處理過程中跟蹤、濾波、識別和外推各環(huán)節(jié)信息交互能力差、跟蹤濾波數(shù)據(jù)信息利用不充分的問題，從數(shù)據(jù)處理一體化的角度出發(fā)，通過建立識別向跟蹤的前向反饋、識別與濾波的雙向反饋，進(jìn)一步降低對虛假目標(biāo)的跟蹤、外推概率，節(jié)約雷達(dá)時間資源，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性，具有一定工程應(yīng)用價(jià)值，為炮位偵校雷達(dá)在復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)精細(xì)化數(shù)據(jù)處理提供了新的思路。

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