基于目標(biāo)特征信息的航跡處理

張發(fā)兵，沈洪寧，李 敬，洪 偉

（1.江蘇科技大學(xué)，鎮(zhèn)江212003；2.船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州225001）

0 引 言

航跡處理［1，2，3］的目的是將無序的點跡數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)成航跡，為控制系統(tǒng)建立目標(biāo)引導(dǎo)。航跡處理要求目標(biāo)快速準(zhǔn)確地建航和維持低的虛警概率。然而這是一個相互矛盾的過程，尤其是在復(fù)雜背景條件下，如果波門門限放寬，往往會出現(xiàn)虛警航跡過多，直接影響真實航跡起批。如果門限過小，虛警航跡減少，但真實航跡起始也困難，且不穩(wěn)定，容易斷航。為解決這一問題，對航跡處理在坐標(biāo)系的使用、濾波模型、關(guān)聯(lián)方式以及各種變換等方面進(jìn)行了深入的研究，但效果并不明顯。

對航跡處理來說無論使用哪種方法，輸入的傳感器參數(shù)只有距離、方位和仰角，無論是一種或多種方法組合都是對這幾個參數(shù)的誤差比較，對點跡的選取比較都是相對的，只是在比較單位上有所變化而已，尤其在工程實現(xiàn)上，除了系統(tǒng)誤差還有工程實現(xiàn)時帶來的隨機(jī)誤差，這些都會導(dǎo)致理論模型在工程實踐上并不實用。最好的辦法是從目標(biāo)特性入手，提取更多的目標(biāo)信息，為航跡的起始和維持提供更充分的證據(jù)。

本文根據(jù)工程實踐的經(jīng)驗，從點跡提取入手，對目標(biāo)特性進(jìn)行分析，提取更多的目標(biāo)信息，為航跡處理提供依據(jù)。

1 目標(biāo)特征信息提取

目標(biāo)回波波形攜帶了與目標(biāo)密切相關(guān)的信息，而這種目標(biāo)特征信息很難直觀地表示出目標(biāo)與特征的對應(yīng)關(guān)系，但可以利用參數(shù)方法對目標(biāo)進(jìn)行分析。比較常用的回波特征信息包括動態(tài)過程中呈現(xiàn)漸變或者相對穩(wěn)定的狀態(tài)特征，還有在時間上變化的特性以及顯著的特征信息［4］。這些穩(wěn)態(tài)特征參數(shù)信息主要有：目標(biāo)回波個數(shù)、目標(biāo)回波幅度、目標(biāo)分裂度等。

1.1 回波個數(shù)

對于機(jī)械掃描雷達(dá)，天線勻速掃描，掃描到目標(biāo)時接收到脈沖的回波個數(shù)，通過過門限提取可以得到該參數(shù)。具體實現(xiàn)是應(yīng)用滑窗檢測器在同一距離單元上從檢測器輸出超過第2門限的回波起始到回到第2門限之下的回波終止，輸出這段期間內(nèi)的回波個數(shù)n。公式（1）反映了目標(biāo)回波個數(shù)與目標(biāo)距離以及目標(biāo)尺寸的關(guān)系：

式中：θ0.5為半功率點波瓣寬度；Ωa為天線轉(zhuǎn)速；fr為脈沖重復(fù)頻率為點目標(biāo)產(chǎn)生的脈沖積累數(shù)；RRCS為目標(biāo)的尺寸；Km為一個線性函數(shù)。

從公式（1）可以看出目標(biāo)的回波個數(shù)是1個穩(wěn)態(tài)參數(shù)，尤其對靜止的地物雜波，回波個數(shù)相對穩(wěn)定，不會出現(xiàn)大的跳躍。實際測試對運(yùn)動目標(biāo)像飛機(jī)等由于其起伏特性和自身運(yùn)動，回波個數(shù)不是很穩(wěn)定，即使不穩(wěn)定，其回波個數(shù)的變化也是相對的，具有一定的穩(wěn)態(tài)性。

圖1為某次對空測試錄到的點跡數(shù)據(jù)圖，波門內(nèi)的目標(biāo)是民航飛機(jī)，圖2為民航飛機(jī)回波個數(shù)隨時間變化的分布圖，方差為7.859 1。

圖3為某次測試地物目標(biāo)錄到的點跡數(shù)據(jù)圖，圖4為波門內(nèi)的地物目標(biāo)回波個數(shù)隨時間變化的分布圖，方差為1.256 2。從圖2可以看出，即使目標(biāo)有起伏和角閃爍特性，其回波個數(shù)的變化還是穩(wěn)態(tài)的。而對島嶼等地物目標(biāo)，其回波個數(shù)比較穩(wěn)定，這對航跡處理時剔除地物雜波點、降低航跡虛警率很有效果。

圖1 對空點跡數(shù)據(jù)圖

圖2 飛機(jī)的回波個數(shù)隨時間的變化關(guān)系

圖3 地物點跡數(shù)據(jù)圖

圖4 地物的回波個數(shù)隨時間的變化關(guān)系

1.2 回波幅度

雷達(dá)運(yùn)動目標(biāo)回波的強(qiáng)弱主要取決于雷達(dá)散射截面積（RCS）σ的大小。目標(biāo)波形峰值與形狀可以反映目標(biāo)的回波幅度和目標(biāo)RCS值的特性。目標(biāo)回波的幅度是1個復(fù)雜函數(shù)，主要涉及2個方面：

（1）與雷達(dá)探測的關(guān)系，如雷達(dá)站位置、發(fā)射功率、天線增益、天線轉(zhuǎn)速、脈沖重頻和水平／垂直波束形狀等；

（2）與動目標(biāo)散射特性的關(guān)系，運(yùn)動目標(biāo)散射回波本身就是頻率、極化、時間和姿態(tài)的復(fù)雜函數(shù)。

回波幅度是1個漸變的數(shù)值，在目標(biāo)距離雷達(dá)越來越遠(yuǎn)時，回波能量相對原來越小。對靜止的地物雜波而言，回波幅度的變化是比較平穩(wěn)的，不會有太大的突跳。而對像飛機(jī)、導(dǎo)彈等運(yùn)動目標(biāo)，由于其具有閃爍特性和起伏特性，它的回波幅度具有不均勻和穩(wěn)定變化的特點。圖5和圖6分別為飛機(jī)的回波幅度分布圖和地物的回波幅度分布圖。

圖5 飛機(jī)的回波幅度隨時間的變化關(guān)系

圖6 地物的回波幅度隨時間的變化關(guān)系

比較圖5和圖6可得，飛機(jī)的回波幅度變化比較明顯，方差為281.990 0，而地物的回波幅度相對而言比較平穩(wěn)，方差為9.869 8，通過分析回波幅度對航跡處理時剔除地物雜波點，可以有效地降低航跡虛警率。

1.3 分裂度

從雷達(dá)數(shù)據(jù)處理要求的角度來說，人們希望1個點只有1組點跡數(shù)據(jù)，但實際上雷達(dá)錄取的單個目標(biāo)點跡數(shù)據(jù)為多組，在距離上和方位上都不是單值，產(chǎn)生了目標(biāo)分裂，因而影響了對目標(biāo)實際位置的估計。目標(biāo)的分裂度主要是針對點跡提取時點跡的凝聚而言的，雖然目標(biāo)分裂對點跡數(shù)據(jù)提取造成了困難，但另一方面卻也反應(yīng)了目標(biāo)的尺寸和大小。

對于運(yùn)動目標(biāo)來說，由于目標(biāo)運(yùn)動形成的附加相位項導(dǎo)致目標(biāo)距離像的游動，游動量的大小和目標(biāo)的運(yùn)動速度成正比，這樣一個占據(jù)多個距離分辨單元的目標(biāo)的一維距離像將分布于一次綜合波形的兩端，在距離上分成2個目標(biāo)，即為“目標(biāo)分裂”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在目標(biāo)的尺寸比較大，其散射點分布在幾個連續(xù)的不模糊距離窗內(nèi)時的危害更大。

除此之外，動目標(biāo)檢測（MTD）處理時，對快速傅里葉（FFT）點數(shù)比較少、頻域分辨率不夠的情況，目標(biāo)出現(xiàn)切向運(yùn)動時，濾波通道位置會比較模糊，處理不好就不是穩(wěn)態(tài)參數(shù)了。

2 航跡相關(guān)與處理

前面介紹了一些目標(biāo)新的特征參數(shù)的提取，將這些特征參數(shù)［5］用在航跡相關(guān)上可以改善航跡處理的情況，大大降低航跡虛警率，提高航跡起始速度和航跡處理質(zhì)量。

進(jìn)行航跡處理時，首先對點跡目標(biāo)進(jìn)行常規(guī)相關(guān)，即對航跡目標(biāo)位置（包括距離、方位、仰角）相關(guān)，然后在此基礎(chǔ)上增加目標(biāo)特征信息的相關(guān)，包括回波個數(shù)相關(guān)、回波幅度相關(guān)等，這些相關(guān)對航跡經(jīng)過雜波密集區(qū)和出現(xiàn)大的機(jī)動時，會有很大改善。

2.1 回波個數(shù)的相關(guān)準(zhǔn)則

在進(jìn)行回波個數(shù)相關(guān)匹配時遵循的原則是設(shè)K－1時刻某目標(biāo)的回波個數(shù)為f（k－1），K時刻某目標(biāo)的回波個數(shù)為f（k），目標(biāo)相鄰時刻的回波個數(shù)差為，若滿足2 M＜f（k），則近似認(rèn)為是同一批目標(biāo)或者同類目標(biāo)，

2.2 回波幅度的相關(guān)準(zhǔn)則

設(shè)K－1時刻某目標(biāo)的回波幅度為f（k－1），K時刻某目標(biāo)的回波幅度為f（k），目標(biāo)相鄰時刻的回波幅度差為，由于回波幅度與目標(biāo)距離相關(guān)，則假設(shè)K－1時刻的目標(biāo)位置距離為Sk－1，K時刻的目標(biāo)位置距離為Sk，R ＝ （Sk－Sk－1）4，由：

則當(dāng)滿足MR＞2（1－R）2時，近似滿足2 M＜f（k），認(rèn)為2點屬于同類目標(biāo)。

進(jìn)行航跡處理時，首先進(jìn)行航跡分類，即將航跡按真實性的大小分成3類：

第1類：確認(rèn)航跡（即可靠性航跡），已判定為真實目標(biāo)的航跡；

第2類：非確認(rèn)航跡，新建航跡或未判定為真實性航跡的航跡；

第3類：自由點跡，上一個天線周期內(nèi)沒有被錄用的點跡。

3 結(jié)果分析

對以上3類航跡，在相關(guān)順序上首先為確認(rèn)航跡進(jìn)行初始相關(guān)和特征信息相關(guān)，即點跡的錄用優(yōu)先權(quán)首先是確認(rèn)航跡，然后是對非確認(rèn)航跡的初始相關(guān)和特征信息相關(guān)，最后是自由點跡的自由相關(guān)。對確認(rèn)航跡和非確認(rèn)航跡首先進(jìn)行常規(guī)相關(guān)，當(dāng)相關(guān)波門內(nèi)錄到的點跡不止1個時，就要考慮特征信息參數(shù)，通過最優(yōu)匹配找到最相關(guān)的點跡。自由點相關(guān)時，起始航跡后要進(jìn)行特征信息相關(guān)，以避免虛警航跡的起始［6］。

圖7是未用參考特征信息進(jìn)行的航跡處理，圖8是參考特征信息后進(jìn)行的航跡處理。

圖7 常規(guī)航跡相關(guān)

圖中，未用參考特征信息進(jìn)行的航跡處理有9條可能航跡（包括虛假航跡和真實航跡，標(biāo)號①到⑨），而用參考特征信息后進(jìn)行的航跡處理的航跡只有一條真實航跡（標(biāo)號①），從圖7和圖8可以看出圖8加入了特征參數(shù)信息的相關(guān)，航跡虛警明顯減少，而且航跡起始較快，具有較好的工程應(yīng)用前景。

圖8 加入特征信息的航跡相關(guān)

4 結(jié)束語

本文采取的是用提取目標(biāo)特征的增值信息來進(jìn)行航跡處理，這些特征參數(shù)用在航跡相關(guān)上可以大大降低航跡虛警率，提高航跡起始速度和航跡處理質(zhì)量。仿真實驗表明：該方法不僅有效地減少了計算量和計算時間，而且減少了虛假航跡的占有率，保證了航跡的質(zhì)量，運(yùn)算實時性顯著提高，具有較好的工程應(yīng)用前景。

［1］何友，修建娟.雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［2］丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

［3］鄒津，權(quán)太范.雷達(dá)航跡處理研究［J］.無線電工程，1992，22（4）：20－26.

［4］唐自力，馬彩文.基于航跡和特征的目標(biāo)識別技術(shù)在多目標(biāo)跟 蹤 中 的 應(yīng) 用 ［J］.光 子 學(xué) 報，2010，39（2）：375－378.

［5］李正周，彭素靜.基于假設(shè)檢驗的小弱運(yùn)動目標(biāo)航跡起始［J］.光子學(xué)報，2008，37（3）：613－617.

［6］李鋼，李霄九，張仁斌.TWS雷達(dá)航跡跟蹤仿真系統(tǒng)研究與設(shè) 計 ［J］.合 肥 工 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報，2008，31（5）：721－723.