一種搜索雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)的實時處理與實現(xiàn)

李 龍

(中國電子科技集團(tuán)公司第20研究所雷達(dá)部，陜西西安 710068)

在搜索雷達(dá)系統(tǒng)中，由于雷達(dá)的威力大、搜索范圍廣，雷達(dá)的回波數(shù)據(jù)即使經(jīng)過信號處理系統(tǒng)處理后，還會有大量的雜波存在［1］。在眾多的雜波中找到有效的目標(biāo)信號，并獲得其運動狀態(tài)等信息就顯得非常重要。雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)處理技術(shù)在此要求下應(yīng)運而生，其在整個雷達(dá)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的作用。雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)處理主要是將通過信號處理系統(tǒng)處理后的雷達(dá)回波視頻數(shù)據(jù)，在中心機(jī)等系統(tǒng)中對其進(jìn)行更高層次的處理，即對雷達(dá)回波視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行點跡凝聚、航跡建立及管理等處理。通過處理，不僅可以得到所需目標(biāo)的準(zhǔn)確位置信息，還能得到其運動軌跡、速度等運動狀態(tài)信息［2］。由于現(xiàn)代雷達(dá)回波視頻數(shù)據(jù)量大而且雷達(dá)系統(tǒng)對軟件算法的實時性要求較高，因此在文中將偏重于算法的實時性和軟件可實現(xiàn)性，結(jié)合某型搜索雷達(dá)系統(tǒng)，對雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)的實時處理即點跡凝聚和航跡建立及管理等相關(guān)算法進(jìn)行討論。

1 點跡凝聚

點跡凝聚的實質(zhì)是為了在復(fù)雜的雷達(dá)回波視頻中，排除各種雜波的干擾以及目標(biāo)可能出現(xiàn)分裂等影響，按照一定的算法，對信號處理系統(tǒng)送來的回波視頻進(jìn)行點跡合并和剔除的過程，以此來提高對目標(biāo)的檢測精度。點跡凝聚性能的好壞不僅直接關(guān)系到自身對目標(biāo)檢測的效果，還對后續(xù)的航跡建立和管理的精度和穩(wěn)定度產(chǎn)生重要影響。二維點跡凝聚算法一般分為兩部分:一個是方位上的凝聚;另一個是距離上的凝聚。大多數(shù)文獻(xiàn)都是采用先對原始雷達(dá)回波視頻進(jìn)行距離上的凝聚，然后進(jìn)行方位上的凝聚的辦法［3］。由于考慮到雷達(dá)波束在對實際目標(biāo)進(jìn)行掃描時，波束的波瓣會有一定的寬度，導(dǎo)致同一個目標(biāo)被多個波束掃描到，體現(xiàn)在數(shù)據(jù)中就是一個目標(biāo)會有很多個方位值，因此在本雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)處理中將采取先方位上凝聚，后距離上凝聚的處理。這樣處理的優(yōu)點在于，一般而言，在雷達(dá)系統(tǒng)中，大多數(shù)目標(biāo)在方位上的分布要比距離上的分布寬，因此若采用先方位上凝聚，可以一次性將目標(biāo)的數(shù)據(jù)量進(jìn)行壓縮，而且還可以將非相參積累應(yīng)用于方位上的凝聚，有利于整體算法復(fù)雜度的降低。

點跡凝聚算法的過程大致如下:首先對當(dāng)前距離的方位數(shù)據(jù)進(jìn)行方位上的檢測，錄取目標(biāo)的方位信息，然后再對前一距離或后一距離的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，并對合并后的目標(biāo)距離數(shù)據(jù)進(jìn)行距離上的檢測，距離方向檢測后輸出符合要求的有效目標(biāo)點跡，并錄取其位置參數(shù)信息。整個點跡凝聚處理的算法流程如圖1所示。

圖1 點跡凝聚處理的算法流程圖

1.1 方位上的點跡凝聚

對于方位上的點跡凝聚而言，其主要任務(wù)是對回波視頻采用過門限檢測，并在方位單元上進(jìn)行有選擇地合并，且對方位信息進(jìn)行記錄。主要是確定目標(biāo)起始方位、目標(biāo)終止方位。通過邏輯滑窗檢測法以非相參積累準(zhǔn)則如4/7準(zhǔn)則等對目標(biāo)進(jìn)行判斷，如果滿足準(zhǔn)則，則判斷其為目標(biāo)，并對其進(jìn)行相應(yīng)的計算。

1.2 距離上的點跡凝聚

距離上的點跡凝聚過程是在方位上的合并檢測與凝聚的基礎(chǔ)上進(jìn)行，主要采用以下兩方面的處理:一是如果當(dāng)前距離上已經(jīng)有目標(biāo)，需要判斷此目標(biāo)是一個新目標(biāo)的起始，還是舊目標(biāo)在當(dāng)前距離上的延續(xù)。二是前一個或后一個距離單元上如果有目標(biāo)且當(dāng)前距離上沒有此目標(biāo)的延續(xù)，就判斷此目標(biāo)終止。最后，還需要根據(jù)目標(biāo)的最小和最大寬度限制，對待選目標(biāo)進(jìn)行判斷，如果滿足條件則計算目標(biāo)的方位和距離估值并輸出目標(biāo)參數(shù)信息，否則刪除此目標(biāo)信息。

1.3 目標(biāo)參數(shù)估值與錄取

目標(biāo)參數(shù)估值與錄取是點跡凝聚進(jìn)行目標(biāo)檢測與合并之后的處理環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)是對點跡的距離和方位信息進(jìn)行估值與錄取，即計算點跡的距離和方位估值。本文采用質(zhì)心算法求取點跡的質(zhì)心以表示點跡的位置信息，即在方位和距離上的計算中都通過幅度加權(quán)來求取目標(biāo)信息。

2 航跡建立和管理

對于搜索雷達(dá)系統(tǒng)而言，僅建立起雷達(dá)目標(biāo)的點跡信息是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，其不利于觀察目標(biāo)的運動軌跡、運動速度等相關(guān)信息。由于航跡信息包含了目標(biāo)運動的距離、方位、運動趨勢、速度等信息，有助于決策者更好地掌控雷達(dá)作用范圍內(nèi)各類目標(biāo)的運動狀態(tài)，能夠為雷達(dá)系統(tǒng)提供實時的決策信息。同時，航跡管理還能將人為感興趣區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)航跡從眾多雷達(dá)點跡中單獨提取出來，找出不同目標(biāo)的運動軌跡并對其進(jìn)行分析和處理，這都是航跡建立和管理的作用［4－7］。

本文將航跡按照其可靠性高低依次分為可靠航跡、分支航跡和暫時航跡。其中，可靠航跡指的是經(jīng)過雷達(dá)多個周期的錄取，能夠有穩(wěn)定輸出的航跡。分支航跡和可靠航跡是一一對應(yīng)的關(guān)系，當(dāng)可靠航跡某一周期未錄取上點跡時，將通過擴(kuò)大跟蹤波門錄取到的點作為新建分支航跡的錄取點。暫時航跡是指可靠度不夠高，還需要繼續(xù)錄取點跡的非確認(rèn)航跡。已錄取的自由點跡，若初始波門與新的點跡相關(guān)上，則轉(zhuǎn)化為暫時航跡。

航跡建立和管理從處理流程上來說，依次包含了航跡的起始、目標(biāo)航跡和待選點跡的相關(guān)、航跡的形成、航跡的預(yù)測、航跡的終止等過程。同時，通過對建立起的航跡使用計分法進(jìn)行航跡質(zhì)量的管理，實現(xiàn)航跡由自由點向暫時航跡再到可靠航跡的轉(zhuǎn)換。實際的軟件實現(xiàn)中，由于可靠航跡與暫時航跡的優(yōu)先級高，因此，在軟件的設(shè)計過程中首先進(jìn)行航跡的相關(guān)錄取工作，即通過航跡與點跡之間的“粗相關(guān)”和“精相關(guān)”來錄取相關(guān)點跡;然后是航跡質(zhì)量管理，其中包括了航跡質(zhì)量的更新、確認(rèn)和刪除;隨后是航跡濾波外推，對目標(biāo)航跡信息進(jìn)行平滑并預(yù)測下一時刻的狀態(tài)信息;最后是自由點相關(guān)，包括了新航跡的建立和自由點的錄取。整個航跡處理軟件流程如圖2所示。

圖2 航跡處理軟件流程示意圖

2.1 航跡相關(guān)錄取

航跡相關(guān)錄取指的是對可靠航跡、暫時航跡以及分支航跡與待選點跡進(jìn)行相關(guān)錄取，其主要通過跟蹤波門來判斷待選點跡和航跡之間的關(guān)系。整個過程可以分為“粗相關(guān)”和“精相關(guān)”兩個步驟［4］?！按窒嚓P(guān)”指的是根據(jù)航跡上一周期的預(yù)測值為中心建立扇形相關(guān)波門，波門的大小主要根據(jù)目標(biāo)的距離、速度、方位等信息而定，如果本周期點跡的觀測值落入波門內(nèi)，則說明點跡與航跡相關(guān)上;“精相關(guān)”指由于在“粗相關(guān)”的處理過程中，有可能存在多個點跡與一個航跡相關(guān)，因此，需要確定唯一的點跡作為該航跡的相關(guān)點。本文選取待選點跡到航跡直線距離最小的點作為該航跡的錄取點。整個算法的流程如圖3所示。

圖3 航跡相關(guān)錄取流程示意圖

2.2 航跡質(zhì)量管理

航跡質(zhì)量管理主要以計分法對航跡質(zhì)量進(jìn)行打分，并在整個過程中對航跡質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行更新。同時，由于存在航跡之間的轉(zhuǎn)換以及航跡的建立與刪除，因此，需要實時對航跡質(zhì)量進(jìn)行管理。

2.3 航跡濾波外推

航跡濾波外推主要實現(xiàn)兩個功能:一是對當(dāng)前測量值進(jìn)行平滑;二是對下一周期的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測?？紤]到算法實施的實時性，本系統(tǒng)采用最小二乘法，首先對所有航跡的測量值進(jìn)行更新，然后根據(jù)航跡的類型，選取不同的濾波點數(shù)計算航跡的濾波值和外推值。

2.4 自由點相關(guān)

自由點相關(guān)完成兩項工作:一項是對上一周期的自由點跡的初始波門錄取，建立起分支航跡;另一項是在航跡起始區(qū)域范圍的限制下，對本周期的自由點進(jìn)行存儲，實現(xiàn)區(qū)域建航的目的。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 優(yōu)先錄取的實現(xiàn)

由于該搜索雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大，因此在實際的數(shù)據(jù)傳輸和處理過程中，將整屏的數(shù)據(jù)依據(jù)角度值平均劃分為32個卦限處理。天線每轉(zhuǎn)過一個卦限，就將當(dāng)前卦限數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)內(nèi)?？紤]到航跡種類的優(yōu)先級，設(shè)立了5個卦限的緩沖區(qū)，分別對各類航跡及自由點進(jìn)行處理，確保每卦限的點跡優(yōu)先被航跡錄取，然后剩余的自由點才可能錄取為新建航跡的首點。

3.2 非相參積累

在方位上的點跡凝聚過程中，由于雷達(dá)重頻和天線轉(zhuǎn)速的不同，導(dǎo)致即便是同一目標(biāo)，其在不同的雷達(dá)重頻和天線轉(zhuǎn)速下，在雷達(dá)回波視頻中所占據(jù)的方位寬度也不同。因此，在進(jìn)行非相參積累時，需要根據(jù)不同雷達(dá)重頻和天線轉(zhuǎn)速，對符合目標(biāo)特征的參數(shù)進(jìn)行估算，從而采用不同的m/n準(zhǔn)則，如4/7準(zhǔn)則、3/5準(zhǔn)則等。

3.3 固定目標(biāo)問題

對于固定目標(biāo)，由于雷達(dá)系統(tǒng)存在測量誤差，因此固定目標(biāo)的測量值存在不定方向的搖擺情況。同時，由于跟蹤波門進(jìn)行相關(guān)錄取時，引入了航向偏差角的概念，即以雷達(dá)上一周期的濾波值為頂點，其與本周期的測量值和上一周期的外推值形成的射線為邊所成的夾角。航向偏差角的限制，給固定點的錄取帶來了困難?？紤]到一般運動目標(biāo)錄取的航向偏差角不會太大，因此本文采用一種動態(tài)航向偏差角對波門進(jìn)行限制，即如果小的航向偏差角未能錄取到點，則將航向偏差角成倍數(shù)放大，直到錄取到點或者達(dá)到有效角度的最大值，實際測試證明了這種方法的實用性。

3.4 濾波算法

根據(jù)航跡的不同類型以及目標(biāo)機(jī)動性的不同，濾波算法也需要做出針對性的改變。對于暫時航跡而言，由于其參與濾波的點數(shù)有限，因此采用較少點數(shù)的濾波算法，而對于可靠航跡，由于其能夠參與濾波的點數(shù)相對較多，因此采用較多點數(shù)的濾波算法。同時，綜合考慮到可靠航跡的機(jī)動性，在機(jī)動性判定之后，對機(jī)動性強(qiáng)的目標(biāo)采用較少點數(shù)的濾波算法，對機(jī)動性弱的目標(biāo)采用較多點數(shù)的濾波算法。對于可靠航跡對應(yīng)的分支航跡，由于其是在可靠航跡丟點的情況下建立，這種情況有可能是由于目標(biāo)機(jī)動引起的，所以對分支航跡也采用較少點數(shù)的濾波算法。

4 軟件實現(xiàn)和測試

雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)處理算法在VxWorks操作系統(tǒng)下通過C++實現(xiàn)。軟件設(shè)計流程如下:定時板定時產(chǎn)生卦限中斷，發(fā)起主動DMA傳送，信號處理系統(tǒng)向數(shù)據(jù)處理軟件指定內(nèi)存區(qū)域傳送上一卦限的雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理軟件響應(yīng)該中斷，啟動點跡凝聚算法，對雷達(dá)搜索區(qū)域內(nèi)的回波視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行凝聚，得到凝聚后的點跡，然后對凝聚后的點跡進(jìn)行航跡建立和管理，由此實現(xiàn)雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)的處理。軟件流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理軟件流程示意圖

通過軟件的實現(xiàn)，并在實際環(huán)境下對軟件性能進(jìn)行測試，得到每一卦限數(shù)據(jù)處理軟件實現(xiàn)點跡凝聚功能的時間在30 ms以內(nèi)，實現(xiàn)航跡建立和管理功能的時間在20 ms以內(nèi)，能夠滿足雷達(dá)系統(tǒng)對視頻數(shù)據(jù)處理算法的要求。

5 結(jié)束語

本文給出了一種實時的點跡凝聚、航跡建立和管理的算法，通過軟件實現(xiàn)以及經(jīng)過外場試驗驗證，該算法凝聚成的點跡與原始回波視頻數(shù)據(jù)的吻合度高，航跡能夠快速起批，也能對雷達(dá)顯控臺發(fā)出的其它有關(guān)點跡和航跡的指令做出及時和正確的響應(yīng)，其各項指標(biāo)能夠滿足雷達(dá)系統(tǒng)的要求。

［1］丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［2］何友，修建娟，張晶煒，等.雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［3］宇忠源.船舶導(dǎo)航雷達(dá)目標(biāo)檢測算法研究及程序開發(fā)［D］.大連:大連海事大學(xué)，2010.

［4］管樺.邊掃邊跟蹤(TWS)雷達(dá)航跡跟蹤算法的研究［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2003.

［5］鄭光海.基于機(jī)載雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理算法仿真研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2010.

［6］馬玲.邊掃描邊跟蹤雷達(dá)航跡跟蹤算法的研究［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2004.

［7］劉宇.雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中的航跡相關(guān)［D］.成都:四川大學(xué)，2003.