航管一次雷達精細化點跡處理設計與實現(xiàn)?

韓 燕,雷遠宏

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所數(shù)字陣列技術重點實驗室,安徽合肥230088; 2.中國電子科技集團公司第三十八研究所智能情報處理重點實驗室,安徽合肥230088)

0 引言

隨著航管雷達對出行旅游的影響力越來越重要,對雷達新功能的要求伴隨著新技術、新體制的不斷發(fā)展而發(fā)生變化。新一代的航管雷達除了保障民航飛機的正常飛行外,還要對復雜多變的空間環(huán)境做出響應,并采取不同的措施進行有效處理[1]。航管一次雷達精細化點跡處理在距離、方位、幅度上通過對信號檢測回波參數(shù)信息的分析,提取出一組目標參數(shù)信息;然后根據(jù)目標的一些特征參數(shù)信息,進行目標的點跡質量判別、固定回波/干擾回波/慢動回波等有效抑制[2],得到最佳的目標參數(shù)信息。點跡處理流程包括初始回波處理、點跡凝聚、點跡濾波。

1 點跡處理設計與實現(xiàn)

1.1 初始回波處理算法分析

初始回波處理是點跡處理的前級,通過控制送往點跡凝聚的回波參數(shù)總量,防止點跡處理器過載,確保目標點跡的準確檢測。初始回波處理將雷達威力圖按距離和方位劃分為若干個子單元,對應每個雷達子單元,計算其輸出的過門限回波數(shù)(EP數(shù))。然后根據(jù)初始目標處理使能控制參數(shù),判別子單元的EP密度是否大于最大密度門限,大于則根據(jù)EP的歸一化幅度(即幅度與雜波的比值)門限進行EP濾波處理。即子單元內幅度大于最大幅度或小于最小幅度的EP首先被消除,確保子單元內的EP數(shù)保持在一定范圍內,從而防止個別子單元由于存在大量EP而形成虛假點跡[2]。圖1給出了初始回波處理的流程圖。

圖1 初始回波處理算法流程圖

1.2 點跡凝聚處理算法分析

點跡凝聚處理在初始回波處理后進行,通過分析雷達威力圖上的EP數(shù)分布,建立一個基于初始回波在距離、方位、幅度上的相關模型,采取相應的算法設計,從而提取一組目標參數(shù)信息。在實現(xiàn)方法上,通過設計一套通用的軟件架構將這些算法有效地串聯(lián)起來[3],并將這些算法細分為多個軟件模塊。

點跡凝聚設計思想源于雷達系統(tǒng)設計中,已有一套比較成熟的算法,主要涉及到在距離項上的距離凝聚處理、方位項上的方位凝聚處理、仰角項上的目標測高處理、速度項上的解速度模糊處理[3-7]。圖2給出了點跡凝聚處理的流程圖。

1.3 點跡濾波處理算法分析

點跡處理完成點跡凝聚后,點跡需經過干擾點跡抑制、固定回波點跡抑制、慢動回波點跡抑制和點跡門限四級濾波處理[1],方能形成最終的一次雷達點跡,而后再送往數(shù)據(jù)處理。點跡濾波的目的是濾除虛假EP所形成的點跡。干擾區(qū)點跡抑制是在一定的判斷和濾波準則(即干擾區(qū)參數(shù))約束下,檢查是否存在干擾點跡,并將其濾除。固定回波點跡抑制和慢動回波點跡抑制與此類似,按照一定的準則濾除上述虛假點跡。最后一級為點跡門限處理,依據(jù)雷達威力范圍內點跡進行點跡質量判別,對低質量點跡進行最后一次有效濾波。圖3給出了點跡濾波處理整個流程圖。在實際工程中,由于雷達功能需求不同,對于以上四級濾波處理,可以通過裁減、組合來滿足雷達系統(tǒng)工程應用。

圖2 點跡凝聚處理算法流程圖

圖3 點跡濾波處理算法流程圖

1.3.1 干擾點跡抑制處理

干擾點跡抑制主要目的是減少同頻段相鄰雷達干擾所造成的虛假點跡數(shù)和其他異步干擾所形成的虛假點跡數(shù),在雷達終端界面上按距離和方位劃分若干的扇形區(qū)域,計算扇區(qū)內點跡數(shù)量,并與兩個門限(即干擾數(shù)目的最小值/最大值參數(shù))進行比較。當點跡數(shù)大于最大值門限,在該區(qū)域內檢測到的點跡將自動刪除;當點跡數(shù)小于最小值門限,該區(qū)域內的點跡正常處理;點跡數(shù)介于二者之間,點跡將被標識為“干擾點跡”,并在終端界面上顯示但不用于航跡處理;當航跡跟蹤窗與干擾區(qū)重疊時,重疊區(qū)域內的點跡將被保留,并用于航跡相關處理,點跡抑制功能可根據(jù)實際情況決定是否啟用。

1.3.2 固定回波點跡抑制處理

固定回波點跡抑制主要消除固定雜波區(qū)內地物雜波剩余,固定回波點跡的形成主要是由靠近雷達站附近的地面雜波、城市雜波以及高山反射回波等組成,表現(xiàn)的特征為在固定回波出現(xiàn)的位置信息(距離和方位)基本不變或變化很小,而且不是每幀都出現(xiàn)。針對這樣的特性,在對某些位置出現(xiàn)的固定雜波進行幀間匹配,如果能夠匹配上則進行幀間計數(shù),然后按照幀間滑窗的方式進行準則提取,滿足一定準則范圍的雜波目標可以判定為固定雜波,當航跡跟蹤窗與固定回波重疊時,重疊區(qū)域內的點跡可以用作航跡相關處理,但需要標注為“固定回波點跡”。

1.3.3 慢動回波點跡抑制處理

慢動回波點跡抑制主要對公路車輛目標點跡、氣象雜波點跡、海洋湖泊船舶點跡等慢速目標進行優(yōu)化處理,其中氣象雜波點跡可以依據(jù)氣象信息來獲取氣象位置信息進行抑制處理,其他慢速目標點跡可以通過人工劃分區(qū)域來進行抑制處理,其步驟為在雷達終端界面上按距離和方位劃分若干的慢速目標扇區(qū),對扇區(qū)內每個目標點跡參照形成點跡的EP數(shù)、點跡的相對幅度、點跡的方位寬度等三要素進行點跡質量評估,判別目標點跡參數(shù)是否符合質量評估范圍,符合的點跡被標識為“慢動回波點跡”。

1.3.4 點跡門限處理

當雷達的局部空域由于點跡過多,影響航跡相關處理并產生虛假航跡,且通過干擾區(qū)、固定雜波區(qū)和慢動回波區(qū)點跡抑制效果不明顯時,可啟動點跡門限處理。首先將有效處理空域分為若干環(huán)狀扇區(qū)的子單元,然后依據(jù)每個子單元點跡的密度啟動點跡門限處理功能,按照相應的準則進行點跡濾波優(yōu)化處理。點跡門限處理依據(jù)點跡的質量等級特征參數(shù)(包括EP數(shù)等級、相對幅度等級和方位寬度等級等),動態(tài)調整上述扇區(qū)的點跡濾波參數(shù)或準則,從而降低虛假點跡數(shù)及其對航跡相關處理的影響。點跡門限處理是最后一級點跡濾波單元,其目的是減少虛假回波所產生的虛假點跡數(shù),并最終降低雷達的虛警率。點跡門限處理功能啟動與否主要取決于扇區(qū)內的點跡密度。

2 點跡處理算法驗證

點跡處理算法的設計可以通過多種方式進行驗證,其中最直觀的方式是通過顯示終端判別算法實施的有效性,通過對比可以觀察點跡處理輸入前/后的目標回波變化。圖4給出了信號處理檢測后的輸入回波圖,圖5給出了點跡處理后的輸出回波圖。通過上述兩幅圖的對比可以發(fā)現(xiàn),經過初始回波處理、點跡凝聚和點跡濾波三級處理后的回波數(shù)量明顯減少,并且該方法能夠有效地剔除由干擾回波、固定回波和慢動回波等引起的低質量等級點跡,從而提高點跡質量。

圖4 信號處理檢測后的輸入回波圖

3 結束語

本文介紹了航管一次雷達下一種精細化點跡處理算法,結合該算法的應用,可以對回波目標以及周邊環(huán)境參數(shù)進行有效特征提取,提高復雜環(huán)境下的目標發(fā)現(xiàn)和檢測概率,能為工程應用提供必要的參考。另外,本文中的一些關鍵技術已通過航管一次雷達的驗證,可以通過裁減、組合來滿足雷達系統(tǒng)工程應用。

圖5 點跡處理后的輸出回波圖

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