基于航跡濾波的預(yù)警雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件研究與實(shí)現(xiàn)

周志增 吳志建 顧榮軍 張聞琪

(中國(guó)人民解放軍63889部隊(duì) 河南孟州 454750 )

0 引言

雷達(dá)在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)時(shí),由于受到外界雜波、無(wú)源和有源干擾等因素的影響,在信號(hào)處理之后得到的虛假點(diǎn)跡進(jìn)入雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中,符合起批特性的點(diǎn)跡會(huì)建立起虛假航跡[1-2]。尤其是在未使用MTI、MTD等手段時(shí),在雷達(dá)近區(qū)會(huì)形成大量的虛假航跡,嚴(yán)重影響對(duì)正確目標(biāo)的判定。對(duì)于大功率雷達(dá),即使采取抗干擾措施,雜波剩余也會(huì)影響對(duì)真實(shí)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)。虛假航跡的出現(xiàn),一方面和系統(tǒng)信號(hào)處理有關(guān),另一方面和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理的航跡處理算法,包括起始、濾波、質(zhì)量管理等環(huán)節(jié)有關(guān)。對(duì)于目前已投入使用的雷達(dá)設(shè)備,為降低虛假航跡對(duì)目標(biāo)探測(cè)的影響,較為可行的方法就是提高數(shù)據(jù)處理的虛假航跡的抑制能力。

本項(xiàng)目以工程應(yīng)用為目的,舍棄復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理算法,基于現(xiàn)有雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法,針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合,增加多種邏輯起始方法、對(duì)航跡進(jìn)行速度、殘差濾波、進(jìn)行航跡質(zhì)量管理,進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)處理抑制虛假航跡能力。

1 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法

1.1 雷達(dá)多目標(biāo)跟蹤算法

三坐標(biāo)搜索雷達(dá)是一部方位機(jī)械掃描與仰角上電掃描的全相參脈沖多普勒雷達(dá)[3],其功能主要是對(duì)給定空域進(jìn)行搜索,發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后進(jìn)行敵我識(shí)別,對(duì)滿足既定準(zhǔn)則的目標(biāo)建立航跡跟蹤。其中多目標(biāo)航跡跟蹤處理技術(shù)是技術(shù)關(guān)鍵,多目標(biāo)跟蹤處理技術(shù)基于三維極坐標(biāo)卡爾曼濾波技術(shù),其處理框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理框圖

1.2 目標(biāo)航跡的啟動(dòng)

當(dāng)測(cè)量值送入計(jì)算機(jī)后,即以測(cè)量值為基準(zhǔn)建立相應(yīng)的門。如果上一周有測(cè)量值落入相應(yīng)的門內(nèi),該測(cè)量值就可以用來(lái)啟動(dòng)一個(gè)新的跟蹤回路[4]。

用本次測(cè)量值建立對(duì)應(yīng)門的優(yōu)點(diǎn),是減少了所占用的內(nèi)存單元。

目標(biāo)航跡的啟動(dòng)過(guò)程見(jiàn)圖2所示。

圖2 目標(biāo)航跡的啟動(dòng)

目標(biāo)進(jìn)入的時(shí)間定義為計(jì)算機(jī)接收到目標(biāo)測(cè)量值時(shí)刻,此時(shí)對(duì)應(yīng)天線所在的實(shí)時(shí)位置。要求進(jìn)入時(shí)間符合是為了避免同一天線旋轉(zhuǎn)周期內(nèi),兩個(gè)靠得近的目標(biāo)被認(rèn)為是同一目標(biāo)在兩個(gè)天線旋轉(zhuǎn)周期進(jìn)入的信號(hào)。

當(dāng)計(jì)算機(jī)接收到目標(biāo)測(cè)量值時(shí),同時(shí)記下此單元的內(nèi)容,作為該目標(biāo)的進(jìn)入時(shí)間。兩個(gè)測(cè)量值的進(jìn)入時(shí)間之差的絕對(duì)值必須大于某一常數(shù),就可以認(rèn)為是不同天線旋轉(zhuǎn)周期進(jìn)入的測(cè)量值。此常數(shù)與目標(biāo)的方位角速度有關(guān),選擇的余地很大。距離門和方位門的選擇主要根據(jù)目標(biāo)的徑向速度、角速度和距離來(lái)選擇。距離門和方位門的選擇大小要合適,太大,容易產(chǎn)生虛假啟動(dòng),浪費(fèi)時(shí)間;太小,使整個(gè)系統(tǒng)的快速性受到影響。例如,當(dāng)目標(biāo)的距離近、徑向速度大時(shí),所選擇的門要大些,因?yàn)榇藭r(shí)要快速給出目標(biāo)的坐標(biāo),否則要貽誤戰(zhàn)機(jī)。相反對(duì)距離遠(yuǎn)、徑向速度小的目標(biāo),門可以選擇得小些。搜索與指示雷達(dá)有很粗的仰角信息,所以在啟動(dòng)跟蹤回路前,必須是仰角信息要符合才行。

1.3 多目標(biāo)點(diǎn)跡航跡的互聯(lián)

每一個(gè)跟蹤回路以預(yù)報(bào)值為基準(zhǔn),形成相應(yīng)的距離門[4],如果下一周期有測(cè)量值落入此門,則認(rèn)為該測(cè)量值與此跟蹤回路互聯(lián)。門的大小一般可取為

互聯(lián)門大小的選擇靈活性很大,當(dāng)取大時(shí),目標(biāo)丟失互聯(lián)的機(jī)會(huì)少,但分辨較困難,反之亦然。因此門的大小要折衷考慮。判別目標(biāo)機(jī)動(dòng)門,當(dāng)目標(biāo)的測(cè)量值落在此門之外,說(shuō)明目標(biāo)產(chǎn)生了大的機(jī)動(dòng),應(yīng)使跟蹤回路的帶寬加大,來(lái)改善回路的機(jī)動(dòng)性能?？梢钥闯?。此門要比互聯(lián)門小,其大小由目標(biāo)的機(jī)動(dòng)性確定。

2 算法總體考慮

2.1 實(shí)現(xiàn)依據(jù)

在雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中,一方面要保證真實(shí)目標(biāo)能正確、及時(shí)起批,另一方面還要有效降低虛假航跡的數(shù)量,兩者之間存在矛盾的地方,需要進(jìn)行優(yōu)化處理。虛假航跡與真實(shí)航跡相比,其擬合誤差較高和航跡持續(xù)時(shí)間較短。針對(duì)虛假航跡所呈現(xiàn)的特性,可以在數(shù)據(jù)處理中結(jié)合多種濾波手段,本文從提高航跡起始約束條件開(kāi)始、緊接著對(duì)航跡進(jìn)行速度和殘差濾波、最后對(duì)航跡質(zhì)量進(jìn)行管理,實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)航跡的全壽命控制,從數(shù)據(jù)處理層面達(dá)到有效抑制虛假航跡的目的。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

算法在Qt框架下實(shí)現(xiàn),采用多線程完成程序設(shè)計(jì)[5-6]。程序主要由WorkProccessing.cpp、process_thread.cpp、send_trace.cpp、workthread.cpp四個(gè)類完成數(shù)據(jù)處理主體功能。其中,workthread.cpp負(fù)責(zé)接收點(diǎn)跡;send_trace.cpp負(fù)責(zé)完成航跡發(fā)送;process_thread.cpp負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)處理。WorkProccessing.cpp為數(shù)據(jù)處理主程序類,包含了航跡起始、關(guān)聯(lián)等相關(guān)處理函數(shù),后續(xù)相關(guān)虛假航跡抑制算法都在此類中進(jìn)行添加。

虛假航跡抑制算法整體分為3個(gè)部分,分別為航跡啟動(dòng)模塊、航跡濾波模塊、航跡質(zhì)量控制模塊,如圖3所示,3個(gè)模塊可分別使用,也可交互使用,可以更好地提高虛假航跡抑制能力。

圖3 算法總體流程

3 算法實(shí)現(xiàn)

3.1 多種邏輯起始方法

3.1.1 實(shí)現(xiàn)算法

邏輯法[7-8]簡(jiǎn)述如下:

1)第一次測(cè)量值作為航跡初始位置,根據(jù)設(shè)置的初始波門大小對(duì)下一次落入該波門內(nèi)的測(cè)量值進(jìn)行距離維和角度維關(guān)聯(lián),關(guān)聯(lián)成功則建立可能航跡;

2)根據(jù)目標(biāo)速度和測(cè)量值進(jìn)行航跡外推,得到外推點(diǎn),以此為中心,以測(cè)量誤差為半徑確定關(guān)聯(lián)波門。對(duì)落入該波門的點(diǎn)跡進(jìn)行關(guān)聯(lián),為簡(jiǎn)便算法,直接去離中心最近的點(diǎn);

3)重復(fù)2)步驟,如果后續(xù)沒(méi)有測(cè)量值進(jìn)入外推波門,則撤銷此可能航跡;若有測(cè)量值落入外推波門,則進(jìn)行更新航跡,直到航跡穩(wěn)定,航跡起始結(jié)束;

4)對(duì)于未與航跡關(guān)聯(lián)成功的點(diǎn)跡可作為新的航跡點(diǎn)進(jìn)行起始處理。

在工程實(shí)現(xiàn)中存在兩種情況,第一種情況:假設(shè)已建立起航跡,在航跡表中存在待啟動(dòng)點(diǎn)跡。在下一個(gè)周期,接收到點(diǎn)跡信息后,如圖4橢圓中所示。點(diǎn)跡首先和航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理,利用關(guān)聯(lián)點(diǎn)跡對(duì)航跡進(jìn)行更新,未關(guān)聯(lián)點(diǎn)跡存入待關(guān)聯(lián)點(diǎn)跡數(shù)組中,和待啟動(dòng)點(diǎn)跡進(jìn)行相關(guān)處理,存在關(guān)聯(lián)則啟動(dòng)新航跡。否則,將待關(guān)聯(lián)點(diǎn)跡中的余下點(diǎn)跡存入航跡表中的待啟動(dòng)點(diǎn)跡,清空前一周期的待啟動(dòng)點(diǎn)跡。第二種情況:對(duì)于第一個(gè)周期的點(diǎn)跡,直接作為待啟動(dòng)點(diǎn)跡和下周期的點(diǎn)跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理?？煽醋鞯谝环N情況的特殊情況。

圖4 點(diǎn)航關(guān)聯(lián)過(guò)程示意圖

使用邏輯法進(jìn)行航跡起始,影響形成穩(wěn)定航跡的因素有很多,首先取決于算法的復(fù)雜程度、準(zhǔn)確度和時(shí)效性。其次,取決于外界的干擾情況,雜波的分布程度和強(qiáng)度以及雷達(dá)的測(cè)量分辨率、測(cè)量誤差等等。對(duì)于不同類型的雷達(dá),比如預(yù)警雷達(dá),為快速起批,可降低掃描次數(shù),一般2～3次掃描。對(duì)于不同探測(cè)區(qū)域也需要區(qū)分,對(duì)于雜波區(qū)目標(biāo),可適當(dāng)提高掃描次數(shù),一般為5～8次,對(duì)于清潔區(qū)目標(biāo),可降低掃描次數(shù),一般3～5次即可。常用的M/N邏輯法,就是在N次連續(xù)掃描中有不少于M次量測(cè)互聯(lián)成功就代表航跡起始成功。一般來(lái)說(shuō),M/N為3/4最為合適,提高N值對(duì)于系統(tǒng)的改善效果并不明顯。

在實(shí)際算法實(shí)現(xiàn)中,不僅要考慮算法的性能,還要考慮算法的復(fù)雜度。往往對(duì)于多次掃描,合適的M/N值是在[1/2,1]之間。M/N取值大于1/2表示關(guān)聯(lián)成功的數(shù)量超過(guò)一半,能提高航跡的可信度。若M/N取值為1,則表示要求每次都關(guān)聯(lián)成功,有可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)判。當(dāng)2≤N≤5時(shí),M的值可以為2、3、4。在工程實(shí)際中,往往選擇2/3和3/4。

在航跡起始算法中,添加多種邏輯起始方法。M/N值分別對(duì)應(yīng)2/2、2/3、3/3、3/4、4/4、4/5,M/N邏輯法實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 M/N邏輯法實(shí)現(xiàn)流程

其中, Count_1 代表掃描數(shù); Count_2 代表發(fā)現(xiàn)目標(biāo)個(gè)數(shù);數(shù)組Count_3[] 記錄每次掃描中是否發(fā)現(xiàn)目標(biāo),發(fā)現(xiàn)計(jì)1,未發(fā)現(xiàn)計(jì)0。

3.1.2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

對(duì)同一組采集到的點(diǎn)跡數(shù)據(jù),分別采用M/N為2/2和4/4兩種邏輯法進(jìn)行航跡處理。圖6為兩種結(jié)果的對(duì)比,從結(jié)果中可以看出,采用4/4可以明顯減少虛假航跡個(gè)數(shù),虛假航跡數(shù)由213個(gè)減少到136個(gè)。

3.2 速度濾波

1)實(shí)現(xiàn)算法

首先,根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性,對(duì)目標(biāo)速度最小值和最大值給出限定,然后根據(jù)航跡的速度濾波值和速度限定值進(jìn)行比較,最后做出決策。對(duì)于雜波點(diǎn)來(lái)說(shuō),速度變化較大,而對(duì)于目標(biāo)來(lái)說(shuō),速度一般比較平穩(wěn),兩者很容易區(qū)分。

圖6 M/N為2/2和4/4的航跡信息統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖7 速度濾波實(shí)現(xiàn)流程

2)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

原數(shù)據(jù)處理未對(duì)速度進(jìn)行濾波,現(xiàn)更改速度范圍為50～2000m/s,統(tǒng)計(jì)得到的航跡結(jié)果為增加速度濾波后,真實(shí)航跡數(shù)為12個(gè),與實(shí)際值相差1個(gè),可能是目標(biāo)速度值跳動(dòng)較大,其速度平均值落到速度范圍之外,導(dǎo)致航跡被舍棄。虛假航跡數(shù)從213個(gè)減少到128個(gè),主要是對(duì)近區(qū)雜波點(diǎn)跡的濾除。速度濾波可以很直接地起到對(duì)虛假航跡的濾除效果,但首先是保證對(duì)目標(biāo)測(cè)速穩(wěn)定,速度值跳動(dòng)幅度小,否則容易被舍棄。其次是目標(biāo)速度難以提前預(yù)知,只能設(shè)置一定的范圍,很難避免雜波點(diǎn)跡進(jìn)入。如果速度值跳動(dòng)較大幅度較大,所以在實(shí)際工作中,對(duì)速度進(jìn)行濾波時(shí)范圍應(yīng)設(shè)置較大,避免漏掉真實(shí)目標(biāo)。

3.3 殘差濾波

1)算法實(shí)現(xiàn)

雷達(dá)測(cè)量信息是在極坐標(biāo)下獲取的,其距離、方位、俯仰探測(cè)精度分別為σR、σA、σE,可通過(guò)信號(hào)處理后結(jié)果獲取。當(dāng)殘差門限計(jì)算完成后,則可以將序列的殘差與門限進(jìn)行比較,殘差門限為κσR、κσA、κσE,κ系數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。若小于門限,則正常起始航跡,若大于門限,則舍棄該航跡。具體標(biāo)準(zhǔn)如下:

如ER≤κσR且EA≤κσA且EE≤κσE,則航跡起始;

如ER≥κσR或EA≥κσA或EE≥κσE,則航跡舍棄。

采用該方法能保證在起始初期剔除一些雖然能相關(guān)成功,但質(zhì)量明顯較差的虛假航跡。整個(gè)算法流程如圖8所示。

圖8 殘差濾波實(shí)現(xiàn)流程

2)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

對(duì)于殘差濾波,殘差計(jì)算是根據(jù)邏輯法中需要的點(diǎn)跡參數(shù)進(jìn)行。因此,一般選擇較大的M值,此處,M=4。殘差系數(shù)分別為:距離系數(shù)κR=15;方位系數(shù)κA=5;俯仰系數(shù)κE=5。處理后的航跡信息顯示,虛假航跡數(shù)進(jìn)一步減少,航跡正確率提高9%,但真實(shí)航跡數(shù)也與實(shí)際個(gè)數(shù)相差3個(gè)。由此可以看出,殘差濾波由于綜合多個(gè)點(diǎn)跡的距離、方位及俯仰信息,能有效過(guò)濾雜波點(diǎn)跡,對(duì)虛假航跡的生成具有較明顯的抑制作用。在實(shí)際使用過(guò)程中,由于點(diǎn)跡信息具有統(tǒng)計(jì)意義,要想取得較好的濾波效果,對(duì)雷達(dá)精度和殘差門限的設(shè)置都提出了很高的要求。

3.4 航跡質(zhì)量管控

在雜波密集區(qū)域,虛假航跡形成的概率較高,對(duì)于符合起始條件和濾波條件的虛假航跡來(lái)說(shuō),可以從航跡質(zhì)量進(jìn)一步進(jìn)行控制,從而盡可能縮短其生命周期。通常,我們認(rèn)為經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理濾波得到的航跡點(diǎn)其可信度較高,相應(yīng)的航跡質(zhì)量較高;而通過(guò)航跡外推得到的航跡點(diǎn)沒(méi)有測(cè)量值作為保證,可信度較低,航跡質(zhì)量較差。依據(jù)航跡濾波值和外推值來(lái)計(jì)算航跡質(zhì)量,通過(guò)設(shè)置門限值對(duì)航跡質(zhì)量進(jìn)行管控,從而可盡早剔除航跡質(zhì)量不滿足要求的虛假航跡[10]。

第一種通過(guò)設(shè)置航跡質(zhì)量值對(duì)航跡質(zhì)量直接進(jìn)行控制,第二種通過(guò)對(duì)雜波按照強(qiáng)度進(jìn)行分區(qū),根據(jù)強(qiáng)度選擇航跡質(zhì)量。

對(duì)于第一種航跡質(zhì)量管控方法,通過(guò)對(duì)輸出航跡質(zhì)量進(jìn)行累加計(jì)算,航跡正常進(jìn)行濾波,航跡質(zhì)量+1。航跡進(jìn)行外推,航跡質(zhì)量-1。通過(guò)選擇航跡質(zhì)量門限值,一旦航跡質(zhì)量大于門限,則輸出航跡。否則,認(rèn)為航跡為虛假航跡,不進(jìn)行后續(xù)處理。

對(duì)于通過(guò)雜波分區(qū)進(jìn)行航跡質(zhì)量控制的實(shí)現(xiàn),先對(duì)空域按照距離和方位進(jìn)行分區(qū)。在本算法中,在距離段上分為3段,分別是0～30km、30～70km、70～300km,在方位上分為2段,如圖9分區(qū)雜波示意圖所示,共劃分為5個(gè)分區(qū)。其次,通過(guò)滑窗對(duì)分區(qū)內(nèi)點(diǎn)跡進(jìn)行統(tǒng)計(jì),計(jì)算出點(diǎn)跡總數(shù)、分區(qū)點(diǎn)跡平均數(shù)。有兩種方式實(shí)施雜波分區(qū)對(duì)虛假航跡的抑制:

圖9 分區(qū)雜波示意圖

1)考慮到雷達(dá)探測(cè)近區(qū),如分區(qū)1和3,受雜波影響較大,設(shè)置航跡質(zhì)量門限值為Thres1,設(shè)置分區(qū)2和4航跡質(zhì)量門限值為Thres2,設(shè)置分區(qū)5航跡質(zhì)量門限值為Thres3,Thres1> Thres2> Thres3。

2)通過(guò)對(duì)分區(qū)點(diǎn)跡數(shù)和分區(qū)點(diǎn)跡平均數(shù)進(jìn)行比較,選擇不同的航跡質(zhì)量門限值。

以上兩種方法,主要是對(duì)第一種航跡質(zhì)量管控方法的改善,根據(jù)分區(qū)雜波水平調(diào)整航跡質(zhì)量門限值,有針對(duì)性的加強(qiáng)對(duì)雜波點(diǎn)跡較多區(qū)域的虛假航跡抑制,同時(shí)減少遠(yuǎn)區(qū)的航跡起始時(shí)間。

對(duì)于第一種航跡質(zhì)量管控方法,設(shè)置質(zhì)量值門限為4。對(duì)于基于雜波分區(qū)的航跡質(zhì)量管控方法,航跡結(jié)果如圖10所示。從圖10中可以看出,通過(guò)對(duì)航跡進(jìn)行質(zhì)量控制,可以達(dá)到濾除虛假航跡的目的。

圖10 兩種質(zhì)量管控算法得到的航跡信息

4 應(yīng)用策略

通過(guò)提高邏輯起始點(diǎn)數(shù)、增加速度濾波、殘差濾波、航跡質(zhì)量濾波的方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)虛假航跡點(diǎn)的抑制,得出一些有用的結(jié)論,如下:

1)選擇M/N邏輯起始值,一般認(rèn)為用3/4最為合適,M過(guò)小虛假航跡過(guò)多,過(guò)大影響建航時(shí)間,改進(jìn)的效果并不明顯。

2)可靠進(jìn)行速度濾波的前提是目標(biāo)速度值穩(wěn)定,如果跳動(dòng)幅度過(guò)大,很容易導(dǎo)致目標(biāo)丟失。在實(shí)際使用中,可將范圍設(shè)置較寬,以免出現(xiàn)把真實(shí)點(diǎn)跡誤認(rèn)為雜波點(diǎn)跡。同時(shí),應(yīng)選擇N值較大的邏輯起始方法,因?yàn)樗俣葹V波是在邏輯起始基礎(chǔ)上再求速度平均,N值較大,有助于減少平均值誤差。

3)殘差濾波利用距離、方位、俯仰信息和雷達(dá)測(cè)量精度進(jìn)行比較,采用該方法能保證在起始初期剔除一些雖然能相關(guān)成功,但質(zhì)量明顯較差的虛假航跡,抑制效果較好。在實(shí)際使用過(guò)程中,由于點(diǎn)跡信息具有一定的隨機(jī)性,要想取得不錯(cuò)的濾波效果,應(yīng)適當(dāng)降低門限。

4)使用航跡質(zhì)量進(jìn)行濾波時(shí),可根據(jù)雜波分布調(diào)整雜波分區(qū)劃分和航跡質(zhì)量門限值,對(duì)雜波點(diǎn)跡密集的區(qū)域有針對(duì)性地進(jìn)行濾波。

以上各種濾波方法可單獨(dú)使用,也可組合使用,組合使用時(shí)各濾波條件應(yīng)相對(duì)放寬,以防出現(xiàn)漏警。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)預(yù)警雷達(dá)易受虛假航跡影響這一問(wèn)題,結(jié)合工程應(yīng)用時(shí)效性、穩(wěn)定性等特點(diǎn),開(kāi)發(fā)了一套雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法。該方法針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合,通過(guò)增加多種邏輯起始方法、對(duì)航跡進(jìn)行速度和殘差濾波、對(duì)航跡質(zhì)量進(jìn)行管理,一定程度上提高了數(shù)據(jù)處理的虛假航跡抑制能力。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明,該方法在保證對(duì)目標(biāo)正確探測(cè)的基礎(chǔ)上,能有效降低虛假航跡的產(chǎn)生,有助于提高雷達(dá)適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境能力。