基于QT的雷達目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

王晉晶 汪楓 劉潤華 謝超

摘 要：現(xiàn)代雷達面臨的環(huán)境日益復(fù)雜，空中目標(biāo)可能達到幾百甚至上千批，并采用各種協(xié)同或非協(xié)同方式機動，無處不在的噪聲、雜波和干擾也帶來大量不確定性。針對日益復(fù)雜的現(xiàn)場態(tài)勢，本文提出一種基于QT平臺雷達目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計方案。該系統(tǒng)能根據(jù)環(huán)境自適應(yīng)選擇跟蹤算法，實現(xiàn)目標(biāo)跟蹤處理和目標(biāo)信息實時顯示的功能。系統(tǒng)功能較為完備、界面友好，具有易操作、易維護、可移植到多種平臺等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：QT平臺;目標(biāo)跟蹤;信息顯示

雷達目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)是操作員與雷達系統(tǒng)進行交互的一個重要平臺，主要負(fù)責(zé)目標(biāo)跟蹤處理和目標(biāo)信息實時顯示，實現(xiàn)操作員對戰(zhàn)場狀態(tài)的監(jiān)控。目前QT開發(fā)框架相比于其他開發(fā)產(chǎn)品，界面化程度更高，而且QT界面構(gòu)建更直觀、迅速、簡潔，因此本文選用QT進行軟件開發(fā)。QT作為一個跨平臺開發(fā)框架非常完備，不僅提供了集成開發(fā)環(huán)境IDE和跨平臺開發(fā)工具QT Creator，而且QT的類庫非常豐富，包含多種對象模型、集合類、圖形用戶界面編程和布局設(shè)計功能等，適用于開發(fā)高性能、跨平臺的人機交互界面。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

雷達目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)主要由目標(biāo)跟蹤處理和人機交互界面兩大模塊組成，如圖1所示。目標(biāo)跟蹤處理模塊能根據(jù)背景環(huán)境中的目標(biāo)和雜波等信息自適應(yīng)選擇跟蹤算法，完成航跡處理，其主要包含航跡起始模塊和航跡維持模塊。人機交互界面主要完成目標(biāo)信息的實時顯示與雷達工作參數(shù)設(shè)置功能。目標(biāo)信息的實時顯示包括圖像顯示、航跡信息列表顯示等，目標(biāo)圖像顯示可以直觀展示目標(biāo)實時位置和目標(biāo)航跡，航跡信息列表顯示則詳盡顯示目標(biāo)的運動狀態(tài)，如速度、加速度、航向等，以便操作員做出正確的判斷。

整個雷達目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)基于QT的插件架構(gòu)實現(xiàn)。插件架構(gòu)可以將系統(tǒng)中多個獨立的功能模塊封裝到一個個插件中，然后利用插件管理器管理所有插件。在開發(fā)階段或后期維護階段各插件模塊可獨立進行改動和升級，因此系統(tǒng)具有良好的可維護性和可擴展性。因此在本系統(tǒng)中，將航跡起始、航跡維持、PPI顯示、仰角顯示、航跡信息列表顯示、點跡信息列表顯示和雷達數(shù)據(jù)記錄這七個功能模塊分別封裝到七個插件中。使用插件架構(gòu)后，雷達目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的邏輯流程圖如圖2所示。首先獲取恒虛警處理后過門限的點跡數(shù)據(jù)，然后使用航跡起始插件和航跡維持插件進行目標(biāo)跟蹤處理，跟蹤結(jié)束后就會觸發(fā)信號發(fā)送目標(biāo)信息，在該信號連接的槽函數(shù)接收到信號后就會立刻響應(yīng)完成各插件的功能。

本系統(tǒng)中QT的信號和槽通信機制起到至關(guān)重要的作用，該機制是QT獨有的功能。在任意QT對象中均能設(shè)置信號函數(shù)或槽函數(shù)，當(dāng)一個信號被觸發(fā)后，與其相連接的一個或多個槽函數(shù)就會自動響應(yīng)。因此通過該機制可以實現(xiàn)任意兩個QT對象通信，完成插件間數(shù)據(jù)的快速傳輸。

2 目標(biāo)跟蹤處理模塊實現(xiàn)

目標(biāo)跟蹤處理就是對雷達的量測值進行處理，給出正確和精確的目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)。在雷達進行目標(biāo)跟蹤處理時一般采取分區(qū)處理，將雷達掃描1周所形成的區(qū)域平均劃分成多個扇區(qū)，在進行跟蹤處理時依次對每個扇區(qū)進行處理。分區(qū)處理可以降低計算機運算量，從而保證目標(biāo)跟蹤處理的實時性。

目標(biāo)跟蹤處理的流程圖如圖3所示，目標(biāo)跟蹤處理按扇區(qū)依次進行。在點航互聯(lián)中必須按照一定的優(yōu)先級：固定航跡最高，可靠航跡較高，暫時航跡次之，可能航跡最低。因此在目標(biāo)跟蹤處理模塊中，首先判斷點跡是否屬于固定航跡，即是否屬于固定雜波。然后判斷可靠航跡是否為空，若不為空則按照優(yōu)先級先在航跡維持模塊中進行點跡與可靠航跡的互聯(lián)，緊接著再在航跡起始模塊中進行點跡與暫時航跡、可能航跡的互聯(lián);若為空則直接進入航跡起始模塊。最后進行剩余點跡的處理，主要是將未互聯(lián)成功的點跡存入可能航跡容器中，等待下一天線掃描周期再進行航跡起始操作。點跡和航跡的容器均使用QHash類實現(xiàn)。

2.1 航跡起始模塊的實現(xiàn)

為快速起始目標(biāo)航跡，并降低雜波起始成功的概率，選用滑窗法的3/3邏輯，即在連續(xù)3次雷達掃描的時間窗內(nèi)，只有檢測數(shù)達到3時航跡起始才成功。航跡起始模塊的邏輯流程圖如圖4所示。

在航跡起始模塊中，暫時航跡是指由兩個點跡組成的航跡，可能航跡是指由一個點跡組成的航跡。當(dāng)前扇區(qū)的點跡先與暫時航跡進行互聯(lián)，未能互聯(lián)成功的再與可能航跡進行互聯(lián)。由于進行目標(biāo)跟蹤處理時采用了分區(qū)處理，并且目標(biāo)有可能跨越扇區(qū)運動，因此遍歷航跡容器中的航跡時僅需遍歷當(dāng)前及相鄰扇區(qū)內(nèi)的航跡，而無須遍歷所有航跡。

2.2 航跡維持模塊的實現(xiàn)

航跡維持的關(guān)鍵是為可靠航跡匹配上目標(biāo)量測點。本跟蹤系統(tǒng)中，為保證可靠航跡與正確量測點的有效互聯(lián)，可根據(jù)背景環(huán)境自適應(yīng)選擇跟蹤算法，并在跟蹤過程中依據(jù)航跡質(zhì)量情況在大、中、小三種波門之間進行調(diào)整。航跡維持模塊的邏輯流程圖如圖5所示。

在航跡維持模塊中，首先對當(dāng)前扇區(qū)內(nèi)的雜波和目標(biāo)進行統(tǒng)計。然后依次對當(dāng)前扇區(qū)和相鄰扇區(qū)內(nèi)的可靠航跡進行處理，在每次處理之前，需要先根據(jù)該航跡的航跡質(zhì)量情況在大、中、小三種波門之間調(diào)整，以此提高捕獲目標(biāo)點跡的概率，同時使波門的無關(guān)點跡盡可能少。最后進行點跡與可靠航跡的互聯(lián)，若互聯(lián)成功則根據(jù)雜波和目標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果選擇一種數(shù)據(jù)互聯(lián)算法來更新航跡，模塊中內(nèi)置了數(shù)據(jù)互聯(lián)算法有最近鄰域（NN）、概率數(shù)據(jù)互聯(lián)（PDA）、交互多模型概率數(shù)據(jù)互聯(lián)（IMMPDA）、聯(lián)合概率數(shù)據(jù)互聯(lián)（JPDA）和經(jīng)驗JPDA算法等。

3 終端顯控界面實現(xiàn)

終端顯控界面實現(xiàn)涉及PPI顯示、仰角顯示、航跡信息列表顯示、點跡信息列表顯示和雷達數(shù)據(jù)記錄插件的實現(xiàn)。下面以PPI顯示插件和航跡信息列表顯示插件這兩個插件為例介紹其實現(xiàn)過程。

3.1 PPI顯示模塊的實現(xiàn)

QT的圖形視圖框架結(jié)構(gòu)非常適用于雷達PPI顯示的實現(xiàn)，其三個組成部分為場景、視圖和圖元。在PPI顯示插件的實現(xiàn)中，先設(shè)計并實現(xiàn)PPI顯示中用到的多種圖元，如坐標(biāo)軸圖元、目標(biāo)航跡圖元、航跡號圖元、掃描線圖元和雷達余暉圖元等，再利用場景加載各種圖元，最后用視圖對場景中的所有圖元進行顯示。各類圖元的設(shè)計比較復(fù)雜。掃描線圖元可利用QGraphicsLineItem類實現(xiàn)，掃描線的旋轉(zhuǎn)操作可通過函數(shù)setRotation設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度來實現(xiàn)。雷達余暉圖元是通過QConicalGradient類的圓錐式漸變效果來實現(xiàn)的。目標(biāo)航跡圖元則比較復(fù)雜，因航跡包括當(dāng)前航跡點跡和若干有序的歷史航跡點跡，因此需要添加航跡容器來存儲目標(biāo)航跡信息，目標(biāo)航跡圖元是通過繼承圖元基類QGraphicsItem類，并在類中添加航跡容器來實現(xiàn)。

在雷達進行PPI顯示時，屏幕刷新動作由定時器事件QTimerEvent類實現(xiàn)，屏幕刷新的時間間隔在定時器事件中設(shè)定。在每次屏幕刷新時，首先獲取當(dāng)前扇區(qū)對應(yīng)的方位角，一方面是據(jù)此設(shè)置掃描線和余暉的角度，完成掃描線和余暉的轉(zhuǎn)動。另一方面是據(jù)此獲得該扇區(qū)的目標(biāo)航跡信息，完成目標(biāo)航跡的更新。在屏幕刷新時如果每次都重繪所有圖元，勢必會占用大量內(nèi)存，極有可能產(chǎn)生界面卡頓情況。為提高顯示的流暢度，在每次進行屏幕刷新時，只重繪掃描線圖元、雷達余暉圖元和目標(biāo)航跡圖元，在顯示量程沒有改變情況下無須重繪坐標(biāo)軸圖元。

在PPI顯示視圖中還實現(xiàn)了多種人機交互功能，如更改顯示量程、視圖縮放倍數(shù)的顯示、當(dāng)前鼠標(biāo)坐標(biāo)位置的顯示等。其中最重要的是更改顯示量程，使用視圖類QGraphicsView中的函數(shù)voidscale來實現(xiàn)顯示量程的放大和縮小。如果需要觀察目標(biāo)細(xì)節(jié)，可減小顯示量程從而放大視圖，如果需要在更大范圍內(nèi)監(jiān)視目標(biāo)，則增大顯示量程從而縮小顯示視圖。

3.2 航跡信息列表顯示模塊的實現(xiàn)

航跡信息列表顯示插件采用QT的模型視圖結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，它將數(shù)據(jù)與視圖分離，使得系統(tǒng)開發(fā)更為簡潔和靈活。模型視圖結(jié)構(gòu)主要包含模型、視圖和代理三部分。在航跡信息列表顯示插件的實現(xiàn)中，使用QT中預(yù)置的QAbstractTableModel類實現(xiàn)表格模型，在模型中有用于列表顯示中數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。使用QTableView類實現(xiàn)表格視圖，使用setModel函數(shù)即可使用該視圖顯示模型中的項目。其中QTableView類提供了默認(rèn)的代理實現(xiàn)類QItemDelegate，通過代理能夠自定義數(shù)據(jù)條目的顯示方式。完成模型、視圖和代理的設(shè)計就完成了航跡信息列表顯示的框架。航跡信息的實時顯示比較簡單，只需通過航跡編號獲得該航跡位于航跡列表中的行數(shù)，然后對該行航跡信息進行更新即可。

4 系統(tǒng)測試

在windows操作系統(tǒng)上使用QTCreator開發(fā)雷達目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，接入某型雷達的實測數(shù)據(jù)后運行結(jié)果如圖6和圖7所示。從運行結(jié)果可看出，本跟蹤系統(tǒng)界面美觀、操作便捷、功能較為豐富，能正確實現(xiàn)對多種目標(biāo)，如航跡交叉、機動目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤，并能以多種顯示方式實時顯示目標(biāo)航跡圖像和航跡信息。

結(jié)語

本文在windows操作系統(tǒng)下，利用QT開發(fā)雷達目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)境自適應(yīng)選擇目標(biāo)跟蹤算法，實現(xiàn)目標(biāo)跟蹤處理和目標(biāo)信息實時顯示的功能。基于QT平臺也使本系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性、高可移植性、強實用性等多種優(yōu)點。而且本系統(tǒng)不僅可以接入仿真數(shù)據(jù)，還能接入實測數(shù)據(jù)，能應(yīng)用于教學(xué)研究、實驗測試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等多種場景。

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作者簡介：王晉晶，女，碩士，信號與信息處理專業(yè)，主要研究方向為雷達目標(biāo)跟蹤處理;汪楓，女，碩士，副教授，主要研究方向為新體制雷達目標(biāo)檢測、成像、識別理論和方法;劉潤華，女，碩士，教授，主要研究方向為雷達目標(biāo)檢測、成像、識別理論和方法;謝超，男，博士，主要研究方向為新體制雷達目標(biāo)檢測、成像理論和方法。