對(duì)海虛警抑制的數(shù)據(jù)處理工程方法

馮俊濤 ，吳 昊

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088；2.海軍駐合肥地區(qū)軍事代表室，合肥 230088)

對(duì)海虛警抑制的數(shù)據(jù)處理工程方法

馮俊濤1，吳 昊2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088；2.海軍駐合肥地區(qū)軍事代表室，合肥 230088)

針對(duì)預(yù)警雷達(dá)對(duì)海處理時(shí)剩余海雜波多、虛警多、目標(biāo)分裂大的特點(diǎn)，提出利用在數(shù)據(jù)處理的點(diǎn)跡凝聚、相關(guān)處理、跟蹤濾波等階段，采用等效幅度加權(quán)點(diǎn)跡凝聚法、徑向頻率模糊反解法，實(shí)現(xiàn)對(duì)海虛警的抑制。

預(yù)警雷達(dá)；虛警抑制；數(shù)據(jù)處理；對(duì)海處理

0 引 言

雷達(dá)對(duì)海工作過程中面臨著復(fù)雜的工作環(huán)境，會(huì)出現(xiàn)大量的虛假點(diǎn)航跡。尤其是雜波的干擾，不僅不同海情下的分布具有極大的差異，而且還包含地雜波、氣象雜波等。這些都給海面目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤帶來困難。

在信號(hào)處理層面，一般采用動(dòng)目標(biāo)顯示技術(shù)(MTI)、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)(MTD)、脈壓、恒虛警檢測(cè)(CFAR)等來抑制雜波，具有一定的抑制效果，但并不能充分抑制雜波剩余，尤其在復(fù)雜、惡劣的環(huán)境下，會(huì)給后端帶來大量的雜波和虛警。對(duì)于一些MTD體制的雷達(dá)來說，由于其低重頻、寬波束特性，將更進(jìn)一步導(dǎo)致目標(biāo)的分裂，這些都對(duì)后端的數(shù)據(jù)處理帶來了很大的困擾。檢測(cè)前跟蹤(TBD)利用微弱目標(biāo)的相干積累和長(zhǎng)時(shí)間非相干積累，根據(jù)目標(biāo)的短時(shí)運(yùn)動(dòng)特性，累積目標(biāo)可能運(yùn)動(dòng)軌跡上的能量，來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)微弱目標(biāo)的方法。但是，算法的復(fù)雜度比較高，魯棒性比較差是TBD在工程實(shí)現(xiàn)上需要解決的一個(gè)問題。工程上也有一些利用數(shù)據(jù)處理抑制雜波虛警的研究，如利用回波的幅度、寬度、多普勒速度、雜波圖、改變起始準(zhǔn)則等方式去抑制信號(hào)處理泄露到后端的雜波，取得了一定的效果。

本文針對(duì)雷達(dá)對(duì)海工作過程中的特殊工作情況，提出等效幅度加權(quán)點(diǎn)跡凝聚、徑向頻率模糊反解、二次濾波等數(shù)據(jù)處理的方法，分別從數(shù)據(jù)處理的點(diǎn)跡凝聚、相關(guān)處理、跟蹤濾波等階段實(shí)現(xiàn)對(duì)虛警的抑制。實(shí)際工作證明，這些方法簡(jiǎn)單可行，能有效地實(shí)現(xiàn)一定程度上的虛警抑制。

1 抑制虛警的數(shù)據(jù)處理方法

1.1 等效幅度加權(quán)點(diǎn)跡凝聚法

原始目標(biāo)的點(diǎn)跡數(shù)據(jù)受雷達(dá)工作頻段、脈沖重復(fù)頻率、轉(zhuǎn)速、波瓣寬度等工作參數(shù)的影響，即使相同目標(biāo)，其目標(biāo)回波起伏、目標(biāo)機(jī)動(dòng)、姿態(tài)及航向的改變?cè)诓煌走_(dá)上表現(xiàn)也是有很大不同。通常，原始目標(biāo)的點(diǎn)跡數(shù)據(jù)主要來源有3類：(1)雜波剩余、噪聲虛警形成的虛假點(diǎn)跡；(2)真實(shí)目標(biāo)回波及距離旁瓣占據(jù)多個(gè)距離量化單元，并通過檢測(cè)門限形成多個(gè)點(diǎn)跡；(3)檢測(cè)準(zhǔn)則與水平波瓣的不匹配引起的目標(biāo)分裂、目標(biāo)方位旁瓣超過檢測(cè)門限等也可形成多個(gè)點(diǎn)跡。尤其對(duì)于一些機(jī)載預(yù)警雷達(dá)來說，對(duì)海面目標(biāo)的探測(cè)更多采用的是MTD，重頻低、波束寬、徑向速度等特征參數(shù)變化比較大、方位測(cè)角精度不高，目標(biāo)分裂嚴(yán)重。

傳統(tǒng)的點(diǎn)跡凝聚一般有3種：幅度峰值法、中心法和幅度加權(quán)質(zhì)心法。從理論上說，幅度加權(quán)質(zhì)心法是相對(duì)較優(yōu)的算法，它既考慮了幅度大的點(diǎn)跡可靠性更高，又考慮了多點(diǎn)信息的充分利用。以方位凝聚為例，其一般公式為

(1)

式中，n為點(diǎn)跡個(gè)數(shù)，adi、Ai分別為第i個(gè)點(diǎn)跡的回波幅度和方位值。但是，幅度加權(quán)質(zhì)心法對(duì)于幅度信息的體現(xiàn)上較峰值法又有所降低，比如有3個(gè)點(diǎn)，其幅度采樣并取對(duì)數(shù)的20倍后的值分別是60、60、80dB。那么，這3個(gè)點(diǎn)利用幅度加權(quán)質(zhì)心法所占有的比重將是6/20、6/20、8/20。從目標(biāo)采樣角度來說，很明顯兩個(gè)60dB的點(diǎn)跡所占比重過大。

實(shí)際上，在目標(biāo)分裂比較嚴(yán)重的情況下，幅度峰值法往往更接近于真實(shí)目標(biāo)。但是，幅度峰值法沒有充分利用多點(diǎn)信息，其原因主要在于幅度往往采用的是分貝值。它實(shí)際上是一種數(shù)學(xué)上的壓縮后的表達(dá)方式。因此，在本文中采用一種等效幅度加權(quán)質(zhì)心法的點(diǎn)跡凝聚方法，同時(shí)考慮到CPI脈沖數(shù)的不同也會(huì)造成幅度的不一致性，因此還需要結(jié)合脈沖數(shù)。不失一般性，下面的推導(dǎo)以方位凝聚來說明。

一般來說，方位凝聚有

(2)

(3)

其中ADi是目標(biāo)采樣的真實(shí)幅度。而一般來說，在點(diǎn)跡凝聚時(shí)所采用的幅度值是采樣后真實(shí)幅度的分貝值或分貝值的一定倍數(shù)，通常有

adi=20*logADi

這里adi是采樣幅度的分貝值。于是有

1/Stdi∝ADi=10adi/20

考慮到工程實(shí)現(xiàn)上點(diǎn)跡凝聚一般分為3個(gè)層次，即同波束內(nèi)距離凝聚、同波束內(nèi)方位凝聚和波束間點(diǎn)跡的距離方位凝聚。那么，在凝聚的時(shí)候就必須考慮兩個(gè)方面的影響因素：一是待凝聚的點(diǎn)跡可能本身就已經(jīng)是前面由多個(gè)點(diǎn)跡凝聚過后的點(diǎn)跡，一是由于對(duì)海視頻積累時(shí)由于目標(biāo)跨越不同fr(重復(fù)頻率)導(dǎo)致幅度積累的差異。

(1) 考慮每個(gè)點(diǎn)跡都是由ki個(gè)點(diǎn)跡凝聚而來(如沒有凝聚，則ki=1),其多點(diǎn)跡所帶來的得益一般為sqrt(ki)，于是有

(4)

因此，最后的等效幅度為

(5)

其中，1/Stdi=10adi/20，adi是信號(hào)處理給出的幅度分貝值，使用本公式的等效幅度E_ADi去代替公式普通質(zhì)心法中的adi即可得到點(diǎn)跡凝聚值。

(2) 對(duì)于第2個(gè)問題，如果此刻目標(biāo)正好跨越不同fr，由于脈沖數(shù)的不同，導(dǎo)致疊加積累，那么就極有可能出現(xiàn)在高fr波束上得到的等效E_AD要異常超出其他低fr的波束?？紤]不同的fr對(duì)幅度值進(jìn)行歸一化，可以將幾個(gè)波束上的目標(biāo)全部歸一到最小fr波束上，也可以統(tǒng)一全部歸一到一個(gè)指定假設(shè)fr的波束上，然后得到最終的等效E_AD。

1.2 徑向頻率模糊反解法

機(jī)載預(yù)警雷達(dá)的對(duì)海探測(cè)一般從信號(hào)處理較難獲得徑向頻率，即使取得徑向頻率的值，往往也出現(xiàn)失真。這是因?yàn)樵谇蠼饽繕?biāo)徑向頻率數(shù)據(jù)時(shí)，由于在多個(gè)頻道上都會(huì)有目標(biāo)，因此在求解徑向頻率的時(shí)候，只能通過求解比較多組方程組得到最終的徑向頻率。如果能在每個(gè)重頻的CPI中都能檢測(cè)到，那么求解就會(huì)精確，否則就可能會(huì)出現(xiàn)頻率跳變的現(xiàn)象。如果是多重頻(四重頻以上)雷達(dá)，即使有一些頻道上沒有檢測(cè)到，也可以通過3/4或3/5等準(zhǔn)則來獲得相對(duì)準(zhǔn)確的徑向頻率數(shù)據(jù)。而對(duì)于MTD雷達(dá)，這是較為困難的，這使在目標(biāo)相關(guān)的時(shí)候失去了一項(xiàng)重要的特征。

從探測(cè)的實(shí)際數(shù)據(jù)來看，徑向頻率出現(xiàn)跳變的現(xiàn)象可達(dá)到32%～60%。比如，對(duì)于一組三重頻的雷達(dá)來說，同一批目標(biāo)同一波束探測(cè)到的徑向頻率實(shí)際會(huì)出現(xiàn)多個(gè)值，如652 Hz和-743 Hz(下面涉及徑向頻率均為此單位)。

但是，通過分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)有很大一部分跳變的徑向頻率如果將它們對(duì)重頻求模后往往是有兩個(gè)值是接近的。比如上述所說的同批同波束探測(cè)到的目標(biāo)頻率值652和-743，如果按照重頻求模后，其值分別是186、94、286和189、94、355?？梢园l(fā)現(xiàn)，前兩個(gè)求模后的值是非常接近的。本來是兩個(gè)絕無可能相關(guān)在一起的數(shù)據(jù)，但通過求模反解后數(shù)據(jù)具有極大的關(guān)聯(lián)性。

針對(duì)這種情況，確定徑向頻率模糊反解法來計(jì)算是否具有相關(guān)性。通過處理的結(jié)果看，其徑向頻率錯(cuò)誤糾正率能夠得到60%～95%的提高。

根據(jù)相應(yīng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，確定求模反解徑向頻率的關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則：

(1) 按照2/3準(zhǔn)則判斷徑向頻率是否相關(guān)；

(2) 不相關(guān)，對(duì)徑向頻率求模反解，按照2/3準(zhǔn)則判斷徑向頻率是否相關(guān)；

(3) 仍舊不相關(guān)，利用頻道個(gè)數(shù)和第3條判別中相關(guān)個(gè)數(shù)給出這些相關(guān)頻率的可信度；

(4) 根據(jù)可信度，結(jié)合多幀內(nèi)其他波束探測(cè)的距離、方位，判斷是否相關(guān)；

(5) 沒有相關(guān)上就丟棄。相關(guān)上的頻率不再對(duì)頻率凝聚，而是根據(jù)各種條件選擇其中各項(xiàng)條件最好的值。

2 實(shí)際效果

下面以某次實(shí)際飛行探測(cè)的目標(biāo)為例。某型艦艇背站行駛，雷達(dá)背負(fù)在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，對(duì)艦艇探測(cè)跟蹤從84 km到128 km。由于艦艇運(yùn)動(dòng)速度慢而雷達(dá)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度快，目標(biāo)分裂較大，對(duì)探測(cè)跟蹤帶來了較大的難度。圖1～3分別為在采用等效幅度加權(quán)凝聚和常規(guī)點(diǎn)跡的凝聚跟蹤比較，以及徑向頻率和模糊后的分布情況。

圖1和圖2是針對(duì)目標(biāo)跟蹤分別在直角坐標(biāo)系和極坐標(biāo)系下的表述，其對(duì)應(yīng)關(guān)系是x、y求模后為距離、求atan后為角度。從圖中可以看出，由于目標(biāo)分裂，導(dǎo)致如果采用常規(guī)凝聚方法將導(dǎo)致波束中的探測(cè)信息較為分散，而采用等效幅度加權(quán)凝聚法，不僅兼顧了其他波束信息，同時(shí)凝聚后更集中于峰值較大的波束。

圖3是原始的徑向頻率和模糊后的徑向頻率分布，原始準(zhǔn)確率約在76.77%。采用低重頻雷達(dá)徑向頻率模糊反演法，系統(tǒng)的徑向頻率正確率提高到92.93%，錯(cuò)誤的徑向頻率中有69.56%可以修正過來。

圖1 直角坐標(biāo)系下目標(biāo)凝聚跟蹤

圖2 極坐標(biāo)系下目標(biāo)凝聚跟蹤

圖3 徑向頻率分布即模糊后的分布

3 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際工程中，雷達(dá)的剩余雜波和虛警是不可避免的問題，無論前端采取什么方法，尤其當(dāng)雷達(dá)的工作環(huán)境惡劣時(shí)更為明顯。因此，通過在數(shù)據(jù)處理階段進(jìn)行虛警抑制有著重要的意義。工作實(shí)踐表明，在某型預(yù)警雷達(dá)試驗(yàn)中，本文的方法能夠較好地抑制虛警，對(duì)航跡起始和跟蹤具有相應(yīng)的實(shí)際意思。

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Engineering methods of data processing of false alarm suppression for sea targets

FENG Jun-tao1, WU Hao2

(1.No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088;2.Military Representatives Office of the Chinese PLA Navy in Hefei, Hefei 230088)

In view of the characteristics that there are excessive clutters, false alarms and target split when the sea targets are processed for the early-warning radar, the equivalent weighted amplitude plot clotting method and the radial frequency fuzzy inverse solution are proposed to realize false alarm suppression in the stages of plot clotting, correlation processing, and tracking filter of data processing.

early-warning radar; false alarm suppression; data processing; processing for sea targets

2014-03-09；

2014-05-12

馮俊濤(1974-)，男，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)軟件體系結(jié)構(gòu)、雷達(dá)數(shù)據(jù)處理、目標(biāo)跟蹤、信息融合等；吳昊(1983-)，男，工程師，研究方向：信號(hào)處理等。

TN959.72

A

1009-0401(2014)02-0026-04