地面雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計 - 全文

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　　目前對雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的研究，特別是航跡處理部分，大多都是對付空中目標(biāo)和海上目標(biāo)的，這樣的目標(biāo)機(jī)動性不強(qiáng)，背景簡單，容易預(yù)測航跡。而地面目標(biāo)具有強(qiáng)機(jī)動性、情況復(fù)雜、目標(biāo)種類繁多、同一范圍內(nèi)目標(biāo)遮擋等環(huán)境干擾因素較多，這些對目標(biāo)的檢測、歸并、凝聚、建航都提出了高的要求。需要對以前在航空和航海領(lǐng)域應(yīng)用較多的航跡處理方法進(jìn)行發(fā)展和完善，發(fā)展出適合強(qiáng)機(jī)動目標(biāo)的改良算法。

　　隨著信息技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的研究有以下幾個發(fā)展方向：弱小目標(biāo)的自動跟蹤，可利用幀間濾波、檢測前跟蹤和先進(jìn)算法來提升自動跟蹤性能;高速計算與并行處理;多傳感器信息融合與控制一體化;搜索、跟蹤、引導(dǎo)、識別與指揮一體化。

　　1 數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)設(shè)計

　　雷達(dá)數(shù)據(jù)處理采用計算機(jī)作為載體，通過編寫數(shù)據(jù)處理軟件來實現(xiàn)，計算機(jī)能夠非常靈活地完成各種類型的數(shù)據(jù)處理工作;數(shù)據(jù)處理的軟件化也能使整個雷達(dá)系統(tǒng)的兼容性和可擴(kuò)展性更強(qiáng)，功能更完善，界面更友好。

　　數(shù)據(jù)處理軟件完成的功能主要包括：采集數(shù)據(jù)(信號處理的目標(biāo)數(shù)據(jù)、定北數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù))，對信號處理后的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、點跡凝聚等優(yōu)選目標(biāo)數(shù)據(jù)后形成更加準(zhǔn)確、精確的目標(biāo)點跡數(shù)據(jù);對點跡數(shù)據(jù)進(jìn)行航跡處理后形成目標(biāo)的航跡;把處理后的目標(biāo)點跡、航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。數(shù)據(jù)處理功能如圖1所示。

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　　在研究和參考已有雷達(dá)數(shù)據(jù)處理算法的基礎(chǔ)上，對模擬目標(biāo)數(shù)據(jù)、同類型其他雷達(dá)試驗中錄取的實際目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真處理，根據(jù)處理結(jié)果，對已有算法進(jìn)行修改完善，以適用本雷達(dá)技術(shù)特點和指標(biāo)的要求。

　　2 點跡形成的算法設(shè)計

　　由于雷達(dá)波束在連續(xù)掃描時，波束波瓣有一定寬度，至少有好幾個脈沖連續(xù)掃到目標(biāo)，每個脈沖都對應(yīng)一個方位值，同一目標(biāo)被捕捉到多次，多次捕獲目標(biāo)時的方位值都不同，這就造成了方位角的分裂程度較大。因此需要把一次掃描中同一目標(biāo)的多個點跡凝聚成一個點跡。先在距離上進(jìn)行凝聚，得到水平波瓣內(nèi)不同方位上的距離值;再在方位上凝聚，可獲得惟一方位估計值;然后把距離值進(jìn)行線性內(nèi)插獲得惟一的距離估計值。

　　(1)同一目標(biāo)在距離上的凝聚處理，需將在距離上連續(xù)或間隔一個量化單元的點跡按照式(1)求取質(zhì)心，將質(zhì)心作為目標(biāo)點跡的距離估計值：

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　　式中：n為目標(biāo)的點跡個數(shù);Ri，Vi分別為第i個目標(biāo)點跡的距離和回波幅度值。

　　(2)同一目標(biāo)在方位上的凝聚處理，需將在方位上相鄰的點跡按照式(2)求取質(zhì)心，將質(zhì)心作為目標(biāo)點跡的方位估計值，此值即目標(biāo)點跡的惟一估計值。

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　　式中：n為目標(biāo)的點跡個數(shù);Ai，Vi分別為第i個目標(biāo)點跡的方位和回波幅度值。

　　(3)用式(1)計算出目標(biāo)在各個方位上的距離值，并不是目標(biāo)點跡距離的惟一估計值，需要根據(jù)目標(biāo)方位估計值落入的位置來求距離惟一的估計值。設(shè)方位估計值在距離估計值的第i和i+1點之間，求距離惟一估計值的內(nèi)插公式為：

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　　式中：Ro'為目標(biāo)點跡距離的惟一估計值;Ao為目標(biāo)點跡方位的惟一估計值;Ri+1，Ri，Ai+1，Ai分別為第i+1和i點跡的距離及方位值。此時即獲得惟一的距離、方位估計值。

　　3 航跡處理的算法設(shè)計

　　單一而雜亂的目標(biāo)點跡數(shù)據(jù)不利于操作員的判讀，需要通過對目標(biāo)點跡進(jìn)行處理和預(yù)測后形成該目標(biāo)航跡，通過相關(guān)和航跡質(zhì)量管理等處理，降低虛警，提高雷達(dá)的綜合檢測能力。航跡的處理包括航跡的起始、航跡的預(yù)測、目標(biāo)航跡和新目標(biāo)點跡的相關(guān)、航跡的形成、航跡的終止。

　　3.1 航跡的起始

　　航跡起始的快速要求與較高的成功概率是相互矛盾的，滑窗檢測法由于具有計算量小和可用蒙特卡洛法進(jìn)行分析的優(yōu)點，因而被許多系統(tǒng)采用。在航跡起始反應(yīng)時間小于系統(tǒng)指標(biāo)的要求下，可采用m/n邏輯滑窗檢測法，即在n次掃描中至少應(yīng)該有m次和該暫時航跡相關(guān)的目標(biāo)點跡，常用準(zhǔn)則如表1所示。

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　　3.2 航跡預(yù)測和濾波算法

　　航跡預(yù)測是在本次航跡濾波值的基礎(chǔ)上根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動模型來估計目標(biāo)未來的狀態(tài)，濾波用來估計目標(biāo)當(dāng)前的運(yùn)動參數(shù)(方位、距離、速度、運(yùn)動方向、加速度等)，把本次互聯(lián)的目標(biāo)點跡和預(yù)測航跡估計合并進(jìn)行處理，以形成新的目標(biāo)運(yùn)動參數(shù)。

　　常用的濾波算法有最小二乘法、α—β濾波和Kal-man濾波算法。Kalman濾波是根據(jù)最小均方誤差準(zhǔn)則建立起來的估計方法，適用于有限觀測間隔的非平穩(wěn)過程。在目標(biāo)機(jī)動運(yùn)動時，Kalman濾波的性能就要優(yōu)于其他濾波方法，基于Kalman濾波的各種自適應(yīng)濾波與預(yù)測方法，包括重啟濾波增益序列、增大輸入噪聲方差、增加目標(biāo)狀態(tài)維數(shù)、在跟蹤濾波器之間切換等。

　　3.3 點跡和航跡相關(guān)處理

　　點跡是雷達(dá)獲取的目標(biāo)位置坐標(biāo)，可能是現(xiàn)有目標(biāo)航跡的新目標(biāo)數(shù)據(jù)、新目標(biāo)的第一次發(fā)現(xiàn)，甚至可能是虛假目標(biāo)。需要把這些點跡與已有的目標(biāo)航跡進(jìn)行相關(guān)處理，以確定這些點跡是現(xiàn)有目標(biāo)航跡的新數(shù)據(jù)，或是新目標(biāo)的第一次發(fā)現(xiàn)。

　　航跡相關(guān)算法中的兩個主要方面是確定正確的波門形狀大小和航跡相關(guān)配對算法。

　　(1)相關(guān)波門是以航跡的預(yù)測位置為中心，用來確認(rèn)該目標(biāo)點跡可能出現(xiàn)范圍的一塊區(qū)域，它的選擇直接影響到航跡質(zhì)量。確定相關(guān)波門大小應(yīng)該充分考慮各個相關(guān)因素，如目標(biāo)模型誤差、傳感器探測誤差、目標(biāo)的運(yùn)動速度和機(jī)動規(guī)律、雷達(dá)掃描周期，目標(biāo)航跡的質(zhì)量等。根據(jù)天線掃描參數(shù)確定得到目標(biāo)點跡數(shù)據(jù)的周期，再根據(jù)目標(biāo)航跡的較穩(wěn)定速度和點跡速度設(shè)計大、小兩個波門，并且在有新數(shù)據(jù)更新時動態(tài)調(diào)整。

　　(2)點跡和航跡相關(guān)配對的最靠近準(zhǔn)則規(guī)定，最靠近目標(biāo)預(yù)測位置的那個點跡與航跡相關(guān)的概率最大。假設(shè)P1，P2分別表示新接收的點跡，s1，s2分別表示航跡預(yù)測位置，那么可能的點跡和航跡關(guān)聯(lián)配對是(P1-s1，P2—s2)或者(P1—s2，P2—s1)。用vij=Pi—sj表示偏差，且表示標(biāo)準(zhǔn)偏差，則偏差具有零均值高斯概率密度，應(yīng)考慮如下檢驗：

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　　計算雷達(dá)在本次掃描中獲取點跡和航跡的距離，建立一個分配表，包括全部可能的點跡和航跡配對數(shù)據(jù);然后按分配表計算點跡和航跡的統(tǒng)計間隔等參數(shù)，去掉重復(fù)使用的點跡;最后根據(jù)最靠近準(zhǔn)則將航跡和點跡配對，以確定點跡與航跡是否相關(guān)。如果只有一個點跡位于航跡波門以內(nèi)，且該點跡沒有位于其他航跡波門之內(nèi)，則該點跡和該航跡相關(guān)，然后用該點跡更新航跡。如果多個點跡在航跡波門之內(nèi)，或者點跡位于多個波門之內(nèi)，則需要更進(jìn)一步地進(jìn)行相關(guān)邏輯處理，按照惟一性原則，即在一次掃描中，一個點跡只與一個航跡相關(guān)，一個航跡也只與一個點跡相關(guān)。處理方法為：航跡相關(guān)波門內(nèi)只有惟一點跡的直接相關(guān)，點跡只在一個相關(guān)波門內(nèi)的直接相關(guān)，這些航跡和點跡不再與剩余的點跡和航跡相關(guān);循環(huán)處理掉相關(guān)上的航跡和點跡，最后對剩余的航跡和點跡取最小距離的點跡和航跡與之相關(guān)。

　　如果新的目標(biāo)點跡能夠與已知目標(biāo)航跡相關(guān)，就要利用新的目標(biāo)點跡去更新和改善對目標(biāo)位置和速度的估計。

　　3.4 航跡管理

　　不能和已有航跡相關(guān)的目標(biāo)點跡如果能與自由點跡之間相關(guān)起來，可以起始成新的航跡，但這個航跡只是雛形，稱為暫時航跡。只有在足夠次數(shù)的新目標(biāo)點跡與該暫時航跡相關(guān)后，才將其屬性設(shè)置為穩(wěn)定航跡進(jìn)行正常處理。

　　目標(biāo)航跡的起始、維護(hù)、撤銷一般通過航跡編號來實現(xiàn)，與給定航跡相聯(lián)系的所有參數(shù)都以其航跡號作為參考，一方面在航跡管理中標(biāo)記航跡，用作航跡相關(guān)處理，另一方面可事后統(tǒng)計分析航跡處理效果，還能借助于航跡號的管理來描述戰(zhàn)場態(tài)勢。航跡的確認(rèn)過程使用航跡質(zhì)量為指標(biāo)進(jìn)行評估，選擇出最優(yōu)起始、刪除準(zhǔn)則后，可以將準(zhǔn)則制定成相應(yīng)的航跡質(zhì)量管理系統(tǒng)，然后用記分法表述。

　　航跡管理的設(shè)計：當(dāng)新目標(biāo)點跡不能和已有航跡相關(guān)，并能夠與自由點跡相關(guān)時，可以起始成新的航跡，并分配航跡號，賦予的航跡質(zhì)量為3;航跡質(zhì)量最大值為10;每次有新的點跡能和該航跡相關(guān)時質(zhì)量加1;一個掃描周期內(nèi)都沒有新點跡能和該航跡相關(guān)時質(zhì)量減1;航跡質(zhì)量超過5時，認(rèn)為是穩(wěn)定航跡，只有穩(wěn)定才輸出給操作員觀測;航跡質(zhì)量小于2時撤銷該航跡。航跡處理流程如圖2所示。

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　　4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　數(shù)據(jù)處理軟件的實現(xiàn)使用Visual C++進(jìn)行編碼。首先建立軟件項目工程，對軟件系統(tǒng)和配置文件等做一些初始化工作。內(nèi)容包括：得到可執(zhí)行程序存儲路徑、讀取最新設(shè)置的系統(tǒng)參數(shù)、讀取調(diào)試開關(guān)的值、讀取配置文件等。初始化硬件設(shè)備。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與雷達(dá)其他設(shè)備有硬件接口，需要與這些設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在正確使用這些設(shè)備前需要對其進(jìn)行初始化操作：包括電臺、電子地圖系統(tǒng)、信號處理板、衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)等。軟硬件初始化后即進(jìn)入目標(biāo)數(shù)據(jù)的處理模式，在該部分完成軟件的幾乎所有功能。數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

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　　5 結(jié)語

　　結(jié)合實際工作中的研制項目，通過對雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法的研究，設(shè)計了目標(biāo)數(shù)據(jù)預(yù)處理、點跡凝聚、點跡形成、航跡處理等算法。對數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實現(xiàn)的整個過程做了描述，包括系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方法。在Windows操作系統(tǒng)下，使用Visual C++6.0完成了雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件的開發(fā)，實現(xiàn)了該雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理功能，并通過參與雷達(dá)整機(jī)的一系列的試驗，驗證了這些數(shù)據(jù)處理方法能夠提高雷達(dá)的性能。