雷達(dá)目標(biāo)點(diǎn)跡分裂與改進(jìn)的點(diǎn)跡提取器設(shè)計(jì)

劉樹鋒

(中國船舶重工集團(tuán)第 723研究所,江蘇揚(yáng)州 225001)

隨著雷達(dá)技術(shù)的飛速發(fā)展,對(duì)雷達(dá)目標(biāo)信息錄取的要求也越來越高,要求雷達(dá)能在復(fù)雜的環(huán)境下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確判別和穩(wěn)定跟蹤,而這一工作與雷達(dá)目標(biāo)的點(diǎn)跡提取息息相關(guān),點(diǎn)跡提取是雷達(dá)工作的重要組成部分,其主要功能是對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行門限判別,產(chǎn)生距離、方位的估值,估值結(jié)果錄取到緩存后送至后續(xù)設(shè)備進(jìn)行態(tài)勢顯示[1]。點(diǎn)跡提取工作的好壞,直接影響后級(jí)數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)對(duì)目標(biāo)的跟蹤的準(zhǔn)確性。對(duì)于某特體雷達(dá)而言,其點(diǎn)跡提取器的設(shè)計(jì)功能單一,僅具備門限判別的功能,而未考慮對(duì)目標(biāo)點(diǎn)跡的凝聚處理,導(dǎo)致在終端顯示設(shè)備上觀察目標(biāo)時(shí)目標(biāo)分裂的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,影響雷達(dá)對(duì)目標(biāo)位置的準(zhǔn)確判別。本文通過對(duì)目標(biāo)分裂現(xiàn)象的分析,提出一種適合該雷達(dá)的點(diǎn)跡提取器的設(shè)計(jì)方法,以抑制目標(biāo)分裂現(xiàn)象的發(fā)生,提高雷達(dá)跟蹤目標(biāo)的準(zhǔn)確性。

1 目標(biāo)分裂分析

所謂目標(biāo)分裂是指雷達(dá)對(duì)同一目標(biāo)的一次掃掠過程中,回波信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理后表現(xiàn)為兩個(gè)或兩個(gè)以上目標(biāo)的現(xiàn)象,也就是說雷達(dá)把同一個(gè)目標(biāo)判成幾個(gè)目標(biāo)。目標(biāo)分裂又可分為方位上分裂和距離上分裂兩種。方位分裂是指某一目標(biāo)在同一距離,不同方位上被判為多個(gè)目標(biāo);距離分裂是指某一目標(biāo)在同一方位,不同距離上被判為多個(gè)目標(biāo)。目標(biāo)的分裂可只在距離或方位上出現(xiàn),也可同時(shí)在方位和距離上出現(xiàn)[1-2]。

1.1 距離分裂的原因分析

由于該特體雷達(dá)使用脈沖壓縮技術(shù),目標(biāo)回波信號(hào)經(jīng)過脈壓處理之后,得到滿足距離分辨要求的窄脈沖信號(hào),信號(hào)的包絡(luò)近似為辛克函數(shù),具有辛克函數(shù)的性質(zhì),即除主瓣外還有在時(shí)間軸上延伸的一串副瓣,靠近主瓣的第一副瓣最大,其值較峰值只低13.4 dB,第二副瓣再低 4 dB,以后依次下降。即脈沖壓縮導(dǎo)致距離副瓣的存在,當(dāng)距離副瓣同主瓣一同被檢測出來時(shí),將導(dǎo)致在雷達(dá)終端顯示設(shè)備上觀察目標(biāo)時(shí)發(fā)現(xiàn)副瓣點(diǎn)跡在主瓣點(diǎn)跡兩側(cè)對(duì)稱出現(xiàn),且副瓣點(diǎn)跡相對(duì)較弱,這就造成目標(biāo)在距離上的分裂。

另外,由于雷達(dá)測距的誤差和目標(biāo)速度的存在,使得一個(gè)目標(biāo)所返回的一串視頻回波在時(shí)間上不可能完全一致,這樣回波經(jīng)信號(hào)處理以后輸出的同一個(gè)目標(biāo)信號(hào)有可能分布于相鄰的幾個(gè)距離單元上,從而對(duì)同一個(gè)目標(biāo)在不同距離單元上均檢測出目標(biāo),同樣會(huì)造成目標(biāo)在距離上的分裂[2]。

1.2 方位分裂原因分析

該特體雷達(dá)為搜索雷達(dá),工作時(shí)天線連續(xù)旋轉(zhuǎn)對(duì)周圍空域進(jìn)行掃描,天線波速水平寬度為 θ,雷達(dá)對(duì)同一目標(biāo)掃描得回波脈沖串為N個(gè),這些回波經(jīng)信號(hào)處理后形成目標(biāo)原始點(diǎn)跡,攜帶目標(biāo)的方位、距離、強(qiáng)度信息。由于天線的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)使得脈沖串起始點(diǎn)跡攜帶方位信息與脈沖串終止點(diǎn)跡攜帶方位信息相差約為 θ,其次由于天線水平波束副瓣的影響,還可能使目標(biāo)在方位上的拓展超過 θ,另外由于天線圖由于各種原因存在較深的凹口,收到的回波將可能被分為多段,若將這些點(diǎn)跡不加處理的送至終端顯示設(shè)備,將會(huì)很容易造成目標(biāo)在方位上的分裂。

2 目標(biāo)點(diǎn)跡提取器設(shè)計(jì)

該特體雷達(dá)現(xiàn)用點(diǎn)跡提取器用于終端設(shè)備,提供與終端預(yù)處理系統(tǒng)的接口,主要功能是接收終端預(yù)處理系統(tǒng)發(fā)送的目標(biāo)信息,并進(jìn)行門限判別,然后將過門限的目標(biāo)點(diǎn)跡信息通過計(jì)算機(jī)總線送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存,由計(jì)算機(jī)進(jìn)行目標(biāo)航跡處理和目標(biāo)態(tài)勢顯示。系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

由圖可見該特體雷達(dá)點(diǎn)跡提取器的功能簡單,僅具備門限判別的功能,而未考慮對(duì)目標(biāo)點(diǎn)跡的凝聚處理,這是導(dǎo)致在終端顯示設(shè)備上目標(biāo)分裂現(xiàn)象的重要原因,新的點(diǎn)跡提取器的設(shè)計(jì)考慮對(duì)目標(biāo)分裂的抑制處理,在目標(biāo)點(diǎn)跡門限判別后添加目標(biāo)距離凝聚、目標(biāo)距離修正、目標(biāo)方位凝聚等處理以抑制目標(biāo)分裂現(xiàn)象的發(fā)生,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 門限判別

點(diǎn)跡提取的門限判別通常稱為數(shù)字門限判別,數(shù)字門限是通過對(duì)點(diǎn)跡提取器收到的目標(biāo)回波的強(qiáng)度進(jìn)行判別,當(dāng)回波強(qiáng)度大于某一數(shù)值時(shí)則判定該回波代表一個(gè)目標(biāo),否則將不予接收,其目的時(shí)慮除一些弱小回波,降低虛警概率。由于數(shù)字門限設(shè)置的高低直接影響點(diǎn)跡提取器收到目標(biāo)原始點(diǎn)跡的數(shù)目多少,所以設(shè)計(jì)采取終端計(jì)算機(jī)控制的方法實(shí)現(xiàn),在實(shí)際使用中,操作人員可以通過終端軟件適當(dāng)調(diào)整數(shù)字門限,以達(dá)到較好效果。

2.2 目標(biāo)距離凝聚

對(duì)于目標(biāo)在距離上的凝聚,根據(jù)目標(biāo)距離分裂的分析采用以下方法抑制:首先對(duì)同一可分辨方位內(nèi)連續(xù)的目標(biāo)原始點(diǎn)跡數(shù)據(jù),按單個(gè)目標(biāo)在距離上的延續(xù)找到其峰值,判斷與峰值點(diǎn)跡連續(xù)范圍內(nèi)點(diǎn)跡是否符合脈沖壓縮的距離主副瓣的比例關(guān)系,若符合則慮除距離副瓣點(diǎn)跡,并向該距離單元賦一個(gè)新值,所賦值為相鄰兩個(gè)距離單元強(qiáng)度值的均值,以保證目標(biāo)點(diǎn)跡的連續(xù)性;若目標(biāo)原始點(diǎn)跡數(shù)據(jù)不符合脈沖壓縮的距離主副瓣的比例,則保留相應(yīng)點(diǎn)跡。然后對(duì)連續(xù)的目標(biāo)原始點(diǎn)跡數(shù)據(jù)按單個(gè)目標(biāo)在距離上的延續(xù)由近到遠(yuǎn)逐單元訪問,查找連續(xù)點(diǎn)跡的峰值,其峰值個(gè)數(shù)代表該連續(xù)點(diǎn)跡所含實(shí)際目標(biāo)個(gè)數(shù),具體通過判斷點(diǎn)跡強(qiáng)度在距離維上的增量來實(shí)現(xiàn),在點(diǎn)跡起初處每一距離單元相對(duì)于上一距離單元目標(biāo)點(diǎn)跡的強(qiáng)度要大,即各距離單元的強(qiáng)度增量為正數(shù),當(dāng)訪問越過峰值后,各距離單元的強(qiáng)度增量為負(fù)數(shù),在下一步訪問中,若發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度增量又變?yōu)檎龜?shù)或?yàn)榱銜r(shí)則截?cái)帱c(diǎn)跡,即認(rèn)為已訪問過的點(diǎn)跡屬同一目標(biāo),并對(duì)這些點(diǎn)跡采用質(zhì)量中心法進(jìn)行凝聚。對(duì)于剩余的點(diǎn)跡重復(fù)上述步驟進(jìn)行處理,直至完成對(duì)所有距離單元的訪問。

距離質(zhì)量中心算法的公式[3]為

其中,Ri為同一可分辨方位角內(nèi)存在連續(xù)點(diǎn)跡的距離,Ai為相應(yīng)距離單元的目標(biāo)幅度。如果把目標(biāo)回波的強(qiáng)度想象成理想質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量,則上式與物理學(xué)中計(jì)算一維物體質(zhì)量中心的公式相同,故名“質(zhì)量中心算法”。質(zhì)量中心法充分利用了目標(biāo)回波的幅值信息,具有較高的估計(jì)精度[3]。

2.3 目標(biāo)距離修正

上述目標(biāo)點(diǎn)跡在距離上的凝聚只是目標(biāo)原始點(diǎn)跡在同一可分辨方位上距離的凝聚,并沒有真正把目標(biāo)原始點(diǎn)跡凝聚成單一距離點(diǎn),在距離和方位上還可能存在多個(gè)連續(xù)點(diǎn)跡,值得注意的是,此時(shí)目標(biāo)點(diǎn)跡的連續(xù)已不是在目標(biāo)凝聚過程中所描述的同一方位上距離的連續(xù),而是斜向距離—方位單元的連續(xù),表現(xiàn)在距離-方位坐標(biāo)系中就是一條斜的線段,此時(shí)若直接對(duì)目標(biāo)點(diǎn)跡進(jìn)行方位凝聚,則很可能造成目標(biāo)的二次分裂,為避免二次分裂現(xiàn)象的發(fā)生,在對(duì)目標(biāo)點(diǎn)跡的方位進(jìn)行凝聚前先對(duì)距離凝聚后的目標(biāo)點(diǎn)跡進(jìn)行一次距離值修正,即再次采用質(zhì)量中心法對(duì)目標(biāo)距離進(jìn)行估計(jì),距離估計(jì)不限于同一方位,而是在相鄰的多個(gè)方位上進(jìn)行連續(xù)點(diǎn)跡的距離估計(jì),可獲得目標(biāo)在距離上的唯一估計(jì)值,然后以此唯一估計(jì)值為基準(zhǔn),把目標(biāo)距離凝聚后的連續(xù)的目標(biāo)點(diǎn)跡的距離值均修正為距離唯一估計(jì)值,此時(shí),同一目標(biāo)點(diǎn)跡在距離-方位坐標(biāo)系中表現(xiàn)為水平線段,方便下一步對(duì)目標(biāo)方位的凝聚處理。

2.4 目標(biāo)方位凝聚

目標(biāo)原始點(diǎn)跡經(jīng)距離凝聚和距離修正處理后,已慮除脈沖壓縮副瓣產(chǎn)生的點(diǎn)跡,留下的是距離相等而方位不同的連續(xù)點(diǎn)跡,對(duì)于這些點(diǎn)跡的凝聚首先按天線圖的形狀找出包絡(luò)峰值點(diǎn),由包絡(luò)峰值點(diǎn)向下作門限切割,保留 3 dB寬度內(nèi)的點(diǎn)跡數(shù)據(jù),慮除其余點(diǎn)跡,然后對(duì)保留下來的點(diǎn)跡在方位上逐單元訪問,查找連續(xù)點(diǎn)跡的峰值,其峰值個(gè)數(shù)代表該連續(xù)點(diǎn)跡所含實(shí)際目標(biāo)個(gè)數(shù),同距離凝聚處理一樣通過觀察點(diǎn)跡強(qiáng)度增量的變化來截?cái)嗖煌繕?biāo)的點(diǎn)跡,并對(duì)這些點(diǎn)跡采用質(zhì)量中心法進(jìn)行凝聚。

方位質(zhì)量算法的公式為

其中,θi為同一可分辨距離內(nèi)存在連續(xù)點(diǎn)跡的方位,Ai為相應(yīng)方位單元的目標(biāo)幅度。通過目標(biāo)點(diǎn)跡在方位上的凝聚可獲得同一目標(biāo)在方位上的唯一估計(jì)值。

這樣最終可得目標(biāo)在距離-方位坐標(biāo)系上的唯一估計(jì)值,以確保雷達(dá)對(duì)目標(biāo)位置準(zhǔn)確顯示。

3 結(jié)束語

目標(biāo)分裂造成目標(biāo)點(diǎn)跡個(gè)數(shù)增加,增加了航跡相關(guān)處理的工作量,由于航跡處理機(jī)可處理的點(diǎn)跡是有限的,目標(biāo)分裂造成點(diǎn)跡增加容易使處理機(jī)過載,影響了對(duì)后續(xù)目標(biāo)的正確處理,以及雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的跟蹤質(zhì)量,從而影響整個(gè)雷達(dá)的性能。本文針對(duì)某特體雷達(dá)點(diǎn)跡提取器的缺陷提出適合該雷達(dá)的比較完善的點(diǎn)跡提取器的設(shè)計(jì),可有效抑制目標(biāo)分裂現(xiàn)象的產(chǎn)生,提高雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的判別和跟蹤能力。

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