基于幀間數(shù)據(jù)處理的雜波點跡濾除技術(shù)研究

李宏偉，汪 洋

(中國人民解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

雷達在搜索和跟蹤過程中不可避免地會受到地物雜波、氣象雜波等的影響，在信號處理檢測時會產(chǎn)生雜波點跡，尤其是在雜波密集區(qū)，此類雜波點跡數(shù)量會更多[1-3]。信號處理若將這些所有檢測點跡包括真實目標點跡和雜波點跡全送往空情顯控臺，會干擾雷達操作員對目標信息和空情態(tài)勢的準確把握，降低其人工干預操作的正確率，因此需要對雜波點跡進行濾除。

雜波濾除的方法主要有基于幀內(nèi)處理的濾除方式和基于幀間處理的濾除方式兩大類。幀內(nèi)處理又分為基于信號級處理的濾除和基于數(shù)據(jù)級處理的濾除，基于信號級處理的濾除即在信號處理過程中使得雜波回波盡可能不形成雜波點跡輸出[4-5]，基于數(shù)據(jù)級的濾除即對利用單幀的雜波點跡和目標點跡的特征統(tǒng)計分析后對雜波點跡進行數(shù)據(jù)級濾除。幀間處理主要是基于幀間目標和雜波運動等特征的不同，在數(shù)據(jù)級上進行雜波點跡濾除。

本文針對搜索警戒雷達在該方面的技術(shù)需求，提出了一種基于幀間數(shù)據(jù)處理的雜波點跡濾除方法，實時地對單個駐留內(nèi)的回波進行相關(guān)處理，同時輔以速度、幅度和RCS等門限控制提高雜波點跡正確濾除率[6-8]。該方法將輸入原始點跡進行質(zhì)量劃分，并濾除送往空情顯控臺的雜波點跡，大大提高了顯控輸入點跡質(zhì)量。

本文利用某雷達實際跟飛數(shù)據(jù)對該方法的有效性進行驗證，從數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，通過該方法的處理，在此類試驗場景下，可以大幅度地濾除雜波點跡，并完整地保留真實目標點跡，提高空情顯示的清晰度和可視度。

1 算法原理和算法設計

1.1 算法原理

基于幀間處理的雜波點跡濾除原理框圖如圖1所示，當雷達接收到一個波位的點跡數(shù)據(jù)后，即進入處理流程，通過幀間的相關(guān)處理對所有點跡進行等級劃分。這里將航跡化分為3個階段：確認航跡階段、潛在航跡階段和臨時航跡階段。在幀間點航相關(guān)處理中，與不同階段航跡就表明該點跡的質(zhì)量等級存在不同，得到4個不同的點跡等級。這種相關(guān)處理，除了考慮目標運動狀態(tài)信息的相關(guān)之外，還可以對距離展寬、幅度信息和RCS信息等進行利用，以提高雜波點跡濾除率，對于不同的目標，這些信息的可利用程度也存在差異。從處理流程上看，主控需要對等級較低的點跡進行緩存，直至超過點跡設定壽命結(jié)束門限才確定為真正的雜波點。顯控可以根據(jù)選擇開關(guān)對一次點跡信息進行選擇性顯示。

圖1 雜波點跡濾除處理原理

基于幀間相關(guān)處理對點跡等級進行劃分的結(jié)果如表1所示，在一次駐留內(nèi)進行實時處理，將一次駐留的所有點跡劃分4個等級：

① 與已有穩(wěn)定確認航跡關(guān)聯(lián)的點為等級最高的點跡，確定為真實目標點跡的概率非常高，為等級1點跡。對確認航跡的點航關(guān)聯(lián)設置專門的門限參數(shù)；

② 與潛在航跡關(guān)聯(lián)的點為等級2點跡，一般采用連續(xù)N拍相關(guān)上的準則進行潛在航跡向確認航跡的切換，同時對潛在航跡的點航相關(guān)設置專門的門限參數(shù)；

③ 與臨時航跡關(guān)聯(lián)的點為等級3點跡，一般采用N1/M1準則進行臨時航跡向潛在航跡的切換，同時對臨時航跡的點航相關(guān)設置專門的門限參數(shù)，該參數(shù)的范圍比潛在航跡的點航相關(guān)參數(shù)閾值要大；

④ 在M1次照射中達不到N1次相關(guān)的點跡為孤立點跡，即為等級4點跡。對于等級4點跡主控進行緩存，用于后續(xù)驗證是否為新出現(xiàn)目標點跡，當一個點跡的緩存時間超過ns(n按照實際情況進行設置，一般為多次照射的總時長)后仍為孤立點跡則視為雜波點跡，予以濾除。若某孤立點跡為新生目標點跡，在后續(xù)的M1次照射后則轉(zhuǎn)為等級3點跡。

表1 點跡等級劃分

點跡等級點跡分類備注1目標點跡是目標點跡的置信度最高2疑似目標點跡是目標點跡可能性較高3可能目標點跡可能是目標點跡4雜波點跡其中可能含有新生目標點跡,在該點跡等級階段無法區(qū)分。若為新生目標點跡,則后續(xù)照射過程中其點跡等級會提升,將對該點跡予以保留;雜波點跡則等級質(zhì)量不會提升,將予以濾除。

1.2 算法設計

1.2.1 主要算法模塊設計

該雜波點跡濾除原理中有2個主要的算法模塊：

① 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法模塊(含邏輯法的航跡起始模塊)

常用的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法包括GNN，JPDA[7]，MHT[8-9]，PHD[10-12]，IPDA和多伯努利濾波器[13]等，本文選用GNN方法。這里將航跡起始功能的實現(xiàn)合并在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法模塊內(nèi)，航跡起始采用邏輯法起始，便于工程實現(xiàn)。

② 航跡濾波算法模塊

常用的航跡濾波算法包括α-β，α-β-γ，EKF，UKF等。當目標存在機動的情況下，可以考慮基于多個模型的IMM[14-15]算法，本文對濾波算法不展開討論。本文的分析對象主要是跟蹤飛機目標，且不考慮其機動的情況，因此對試驗數(shù)據(jù)進行分析時采用混合坐標系下的α-β跟蹤算法。采用混合坐標系即在雷達陣地直角坐標系下進行目標運動狀態(tài)向量的預測，在雷達陣面方向余弦坐標系下進行濾波更新處理。這樣處理的好處是消除目標運動相對于雷達站址的視在加速度的影響，同時降低雷達測量非線性對航跡濾波精度的影響。

1.2.2 徑向速度輔助的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

信號處理輸出的點跡信息中，除了目標的位置信息外，還包括目標的諸多屬性信息，這些屬性信息的可信度如何、如何建模、能否用來輔助數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)等是有待持續(xù)研究的問題[16-17]。若點跡屬性信息的可信度不高，或者屬性信息與運動信息的權(quán)值分配不當，都有可能降低關(guān)聯(lián)的正確率。當雷達具有目標徑向速度測量能力時，可選擇徑向速度信息對確認航跡進行輔助的點航關(guān)聯(lián)處理。

當目標相對雷達的徑向速度較小時，雷達探測得到的徑向速度誤差較大，可信度低，因此直接將其用來輔助數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，可能不會達到理想的效果。算法中可利用徑向速度信息對確認航跡進行輔助關(guān)聯(lián)，其實現(xiàn)方法如下：

① 對確認航跡進行關(guān)聯(lián)時，判斷確認航跡的徑向速度濾波絕對值是否大于預設門限；

② 若確認航跡的徑向速度絕對值大于門限，則對點跡的徑向速度的方向進行判斷，只選擇與確認航跡徑向速度方向一致的點跡進行后續(xù)的關(guān)聯(lián)判決；

③ 若確認航跡的徑向速度過小，其對應的點跡的徑向速度測量誤差較大，可信度不高，此時不利用點跡的徑向速度信息輔助關(guān)聯(lián)。

1.2.3 精細化設計的關(guān)聯(lián)門限

這里設置3個點航相關(guān)門限，分別為臨時航跡關(guān)聯(lián)門限、潛在航跡關(guān)聯(lián)門限和確認航跡關(guān)聯(lián)門限。相關(guān)門限大小順序為：

臨時航跡關(guān)聯(lián)門限>潛在航跡關(guān)聯(lián)門限>確認航跡關(guān)聯(lián)門限。

每個門限設置考慮多個關(guān)聯(lián)因素，包括典型的歸一化的橢球RAE位置誤差門限，還可以設置速度門限、距離展寬門限、RCS起伏門限和幅度起伏等[18-19]。

相關(guān)門限存在正向調(diào)整和逆向調(diào)整2個過程，正向調(diào)整為門限逐漸縮小的過程，典型的是航跡階段從臨時航跡到潛在航跡再到確認航跡這一過程中，相關(guān)門限逐漸縮小。逆向調(diào)整過程是門限擴大的過程，即當航跡的連續(xù)多拍未相關(guān)上點跡，則相關(guān)門限應進行擴大，直至滿足航跡刪除條件。

在進行點航關(guān)聯(lián)時，需要對關(guān)聯(lián)區(qū)域和關(guān)聯(lián)門限進行設置，同時針對目標的類型和運動特點對目標的運動模型加以約束，以獲得最佳的點跡-航跡關(guān)聯(lián)配對結(jié)果。本文在對多目標進行關(guān)聯(lián)時，采用了多層次的關(guān)聯(lián)門設計：

① 距離和方位角度分區(qū)：在進行點航關(guān)聯(lián)時，由于雷達掃描覆蓋范圍較大，為避免不同區(qū)域的點跡和航跡進行關(guān)聯(lián)計算而增加不必要的計算量，對掃描區(qū)域在距離和角度上分別進行分區(qū)，若該幀點跡與某條航跡上一幀的位置不在同一區(qū)域內(nèi)，則將其關(guān)聯(lián)值設為極大值，即不進行關(guān)聯(lián)。

② 徑向速度方向判斷：對距離和方位處在同一分區(qū)內(nèi)的點跡和航跡，對其徑向速度的方向進行判斷，與航跡徑向速度方向一致的點跡才能與其進行關(guān)聯(lián)，否則將其關(guān)聯(lián)值設為極大值。

③ 全速度門限約束：對關(guān)聯(lián)門內(nèi)剩余的點跡計算點航關(guān)聯(lián)后的全速度，并與全速度門限(最大速度和最小速度)進行比較，對于不在全速度門限范圍內(nèi)的關(guān)聯(lián)點跡，設置其關(guān)聯(lián)值為極大值。

④ 精關(guān)聯(lián)門限設置：前3項關(guān)聯(lián)約束可視為點航粗關(guān)聯(lián)，對粗關(guān)聯(lián)門內(nèi)的點跡進一步進行精關(guān)聯(lián)，計算關(guān)聯(lián)值。首先對航跡進行預測，得到點跡與預測位置的信息，計算歸一化關(guān)聯(lián)值：

針對不同的航跡狀態(tài)，精關(guān)聯(lián)門限的設置不同：

① 確認航跡：一旦某條航跡被確認，該條航跡即處于穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)，此時其位置和速度信息較為穩(wěn)定，預測位置和目標的實際位置相差不大，此時采用較小的關(guān)聯(lián)門限即可保證目標點跡正確關(guān)聯(lián)，一般確認航跡的精關(guān)聯(lián)門限可根據(jù)橢圓波門及其落入概率進行計算。

② 潛在航跡：潛在航跡介于臨時航跡和確認航跡之間，此時航跡已經(jīng)具有起始的位置和速度，但其位置和速度誤差相對較大，在進行點航關(guān)聯(lián)時，不能設置過于嚴苛的門限，否則易導致目標點跡丟失。潛在航跡的關(guān)聯(lián)門限一般可設置為確認航跡關(guān)聯(lián)門限的n倍，n值可根據(jù)實際場景進行調(diào)整。

③ 臨時航跡：通常，大多數(shù)臨時航跡只包含一個點，此時目標只有初始化的位置信息，而沒有速度信息，其關(guān)聯(lián)門限可設置為：

式中，Vmax為目標運動的最大速度；Tscan為雷達的掃描周期；σR為距離測量噪聲均方根值；C為可調(diào)整參數(shù)。

對某次駐留點跡與確認航跡的多層次關(guān)聯(lián)過程進行描述，如圖2所示，通過4重關(guān)聯(lián)判決，最終得到點跡-航跡關(guān)聯(lián)矩陣，通過分配算法獲得點跡-航跡配對關(guān)系。

圖2 確認航跡的點航關(guān)聯(lián)過程

2 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

對雷達跟蹤民航飛機實測的點跡數(shù)據(jù)進行處理，這些原始點跡數(shù)據(jù)不僅有飛機目標的回波點跡數(shù)據(jù)，同時還存在較多的地雜波、氣象雜波點跡數(shù)據(jù)。采用上一節(jié)介紹的點跡濾除方法和流程對所有的點跡進行等級劃分，并對雜波點跡進行濾除，同時評估濾除的效果。

2.1 在不進行幀間點跡濾除的顯控點跡顯示結(jié)果

為評估處理后的點跡濾除效果，首先給出不進行幀間點跡濾除的顯控點跡顯示效果。為突出顯示，將真實目標的點跡用深灰點標識，雜波點用淺灰進行標識。截取的該段探測時間內(nèi)總的點跡數(shù)為1 001個，其中大部分為雜波點跡，真實目標點跡329個，雜波點跡672個。

點跡濾除的最終目的就是要對這些紅色點的進行辨識，確定其為雜波點跡或者等級低的點跡；同時確認黑色點為真實的目標點跡。送顯控點跡如圖3所示。

圖3 送顯控點跡(不做幀間雜波點跡濾除)

2.2 進行幀間點跡抑制的顯控點跡顯示結(jié)果

下面經(jīng)關(guān)聯(lián)門限采用上面提高的歸一化RAE位置誤差橢球關(guān)聯(lián)門，同時對比分析了利用全速度門限進行輔助關(guān)聯(lián)和不利用全速度門限進行輔助關(guān)聯(lián)的效果對比。

2.2.1 門限設置1：采用歸一化RAE位置誤差橢球關(guān)聯(lián)門

采用歸一化RAE位置誤差橢球關(guān)聯(lián)門進行幀間雜波點跡濾除，得到結(jié)果如圖4所示。此時顯控選擇顯示等級1，2，3的點跡，濾除等級4點跡。其中綠色“+”符號代表等級3點跡，藍色“*”符號代表等級2點跡，黑色實心圓點代表等級1點跡，下同?？傦@示點跡數(shù)據(jù)為356個，目標點跡(等級1點跡)329個，等級2點跡6個，等級3點跡21個。因此濾除的雜波點跡645個，雜波點跡正確濾除率為95.9%。

圖4 送顯控點跡(做幀間雜波點跡濾除后，門限設置1)

2.2.2 門限設置2：采用RAE位置誤差橢球關(guān)聯(lián)門限與全速度關(guān)聯(lián)門限相結(jié)合

當采用RAE位置誤差橢球關(guān)聯(lián)門限與全速度關(guān)聯(lián)門限相結(jié)合進行幀間相關(guān)處理，得到顯控點跡濾除效果如圖5所示。其中等級1點跡329個，等級2點跡1個，等級3點跡5個，雜波點跡正確濾除率為99.1%?？梢钥闯觯Y(jié)合速度門限后可以提高雜波點跡的正確濾除率。

圖5 送顯控點跡(做幀間雜波點跡濾除后，門限設置2)

通過對以上雷達實測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果對比可以看出，采用本文給出的算法結(jié)合對應的目標屬性信息可以較好地進行雜波點跡濾除，同時保留完整的真實目標點跡信息。

3 結(jié)束語

本文給出了一種基于幀間相關(guān)處理的雜波點跡濾除方法，對該方法的處理流程、算法選取和門限參數(shù)的選取進行了詳細說明。通過雷達實際試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，通過幀間的相關(guān)處理，可以抑制絕大部分的雜波點跡，同時對真實目標點跡可以完整地保留下來，經(jīng)過雜波濾除后，點跡顯示輸出質(zhì)量大幅度提高，空情空間態(tài)勢顯示效果更清楚明了。