基于目標特征信息的航跡處理

張發(fā)兵，沈洪寧，李 敬，洪 偉

（1.江蘇科技大學，鎮(zhèn)江212003；2.船舶重工集團公司723所，揚州225001）

0 引 言

航跡處理［1，2，3］的目的是將無序的點跡數據關聯成航跡，為控制系統(tǒng)建立目標引導。航跡處理要求目標快速準確地建航和維持低的虛警概率。然而這是一個相互矛盾的過程，尤其是在復雜背景條件下，如果波門門限放寬，往往會出現虛警航跡過多，直接影響真實航跡起批。如果門限過小，虛警航跡減少，但真實航跡起始也困難，且不穩(wěn)定，容易斷航。為解決這一問題，對航跡處理在坐標系的使用、濾波模型、關聯方式以及各種變換等方面進行了深入的研究，但效果并不明顯。

對航跡處理來說無論使用哪種方法，輸入的傳感器參數只有距離、方位和仰角，無論是一種或多種方法組合都是對這幾個參數的誤差比較，對點跡的選取比較都是相對的，只是在比較單位上有所變化而已，尤其在工程實現上，除了系統(tǒng)誤差還有工程實現時帶來的隨機誤差，這些都會導致理論模型在工程實踐上并不實用。最好的辦法是從目標特性入手，提取更多的目標信息，為航跡的起始和維持提供更充分的證據。

本文根據工程實踐的經驗，從點跡提取入手，對目標特性進行分析，提取更多的目標信息，為航跡處理提供依據。

1 目標特征信息提取

目標回波波形攜帶了與目標密切相關的信息，而這種目標特征信息很難直觀地表示出目標與特征的對應關系，但可以利用參數方法對目標進行分析。比較常用的回波特征信息包括動態(tài)過程中呈現漸變或者相對穩(wěn)定的狀態(tài)特征，還有在時間上變化的特性以及顯著的特征信息［4］。這些穩(wěn)態(tài)特征參數信息主要有：目標回波個數、目標回波幅度、目標分裂度等。

1.1 回波個數

對于機械掃描雷達，天線勻速掃描，掃描到目標時接收到脈沖的回波個數，通過過門限提取可以得到該參數。具體實現是應用滑窗檢測器在同一距離單元上從檢測器輸出超過第2門限的回波起始到回到第2門限之下的回波終止，輸出這段期間內的回波個數n。公式（1）反映了目標回波個數與目標距離以及目標尺寸的關系：

式中：θ0.5為半功率點波瓣寬度；Ωa為天線轉速；fr為脈沖重復頻率為點目標產生的脈沖積累數；RRCS為目標的尺寸；Km為一個線性函數。

從公式（1）可以看出目標的回波個數是1個穩(wěn)態(tài)參數，尤其對靜止的地物雜波，回波個數相對穩(wěn)定，不會出現大的跳躍。實際測試對運動目標像飛機等由于其起伏特性和自身運動，回波個數不是很穩(wěn)定，即使不穩(wěn)定，其回波個數的變化也是相對的，具有一定的穩(wěn)態(tài)性。

圖1為某次對空測試錄到的點跡數據圖，波門內的目標是民航飛機，圖2為民航飛機回波個數隨時間變化的分布圖，方差為7.859 1。

圖3為某次測試地物目標錄到的點跡數據圖，圖4為波門內的地物目標回波個數隨時間變化的分布圖，方差為1.256 2。從圖2可以看出，即使目標有起伏和角閃爍特性，其回波個數的變化還是穩(wěn)態(tài)的。而對島嶼等地物目標，其回波個數比較穩(wěn)定，這對航跡處理時剔除地物雜波點、降低航跡虛警率很有效果。

圖1 對空點跡數據圖

圖2 飛機的回波個數隨時間的變化關系

圖3 地物點跡數據圖

圖4 地物的回波個數隨時間的變化關系

1.2 回波幅度

雷達運動目標回波的強弱主要取決于雷達散射截面積（RCS）σ的大小。目標波形峰值與形狀可以反映目標的回波幅度和目標RCS值的特性。目標回波的幅度是1個復雜函數，主要涉及2個方面：

（1）與雷達探測的關系，如雷達站位置、發(fā)射功率、天線增益、天線轉速、脈沖重頻和水平／垂直波束形狀等；

（2）與動目標散射特性的關系，運動目標散射回波本身就是頻率、極化、時間和姿態(tài)的復雜函數。

回波幅度是1個漸變的數值，在目標距離雷達越來越遠時，回波能量相對原來越小。對靜止的地物雜波而言，回波幅度的變化是比較平穩(wěn)的，不會有太大的突跳。而對像飛機、導彈等運動目標，由于其具有閃爍特性和起伏特性，它的回波幅度具有不均勻和穩(wěn)定變化的特點。圖5和圖6分別為飛機的回波幅度分布圖和地物的回波幅度分布圖。

圖5 飛機的回波幅度隨時間的變化關系

圖6 地物的回波幅度隨時間的變化關系

比較圖5和圖6可得，飛機的回波幅度變化比較明顯，方差為281.990 0，而地物的回波幅度相對而言比較平穩(wěn)，方差為9.869 8，通過分析回波幅度對航跡處理時剔除地物雜波點，可以有效地降低航跡虛警率。

1.3 分裂度

從雷達數據處理要求的角度來說，人們希望1個點只有1組點跡數據，但實際上雷達錄取的單個目標點跡數據為多組，在距離上和方位上都不是單值，產生了目標分裂，因而影響了對目標實際位置的估計。目標的分裂度主要是針對點跡提取時點跡的凝聚而言的，雖然目標分裂對點跡數據提取造成了困難，但另一方面卻也反應了目標的尺寸和大小。

對于運動目標來說，由于目標運動形成的附加相位項導致目標距離像的游動，游動量的大小和目標的運動速度成正比，這樣一個占據多個距離分辨單元的目標的一維距離像將分布于一次綜合波形的兩端，在距離上分成2個目標，即為“目標分裂”現象，這種現象在目標的尺寸比較大，其散射點分布在幾個連續(xù)的不模糊距離窗內時的危害更大。

除此之外，動目標檢測（MTD）處理時，對快速傅里葉（FFT）點數比較少、頻域分辨率不夠的情況，目標出現切向運動時，濾波通道位置會比較模糊，處理不好就不是穩(wěn)態(tài)參數了。

2 航跡相關與處理

前面介紹了一些目標新的特征參數的提取，將這些特征參數［5］用在航跡相關上可以改善航跡處理的情況，大大降低航跡虛警率，提高航跡起始速度和航跡處理質量。

進行航跡處理時，首先對點跡目標進行常規(guī)相關，即對航跡目標位置（包括距離、方位、仰角）相關，然后在此基礎上增加目標特征信息的相關，包括回波個數相關、回波幅度相關等，這些相關對航跡經過雜波密集區(qū)和出現大的機動時，會有很大改善。

2.1 回波個數的相關準則

在進行回波個數相關匹配時遵循的原則是設K－1時刻某目標的回波個數為f（k－1），K時刻某目標的回波個數為f（k），目標相鄰時刻的回波個數差為，若滿足2 M＜f（k），則近似認為是同一批目標或者同類目標，

2.2 回波幅度的相關準則

設K－1時刻某目標的回波幅度為f（k－1），K時刻某目標的回波幅度為f（k），目標相鄰時刻的回波幅度差為，由于回波幅度與目標距離相關，則假設K－1時刻的目標位置距離為Sk－1，K時刻的目標位置距離為Sk，R ＝ （Sk－Sk－1）4，由：

則當滿足MR＞2（1－R）2時，近似滿足2 M＜f（k），認為2點屬于同類目標。

進行航跡處理時，首先進行航跡分類，即將航跡按真實性的大小分成3類：

第1類：確認航跡（即可靠性航跡），已判定為真實目標的航跡；

第2類：非確認航跡，新建航跡或未判定為真實性航跡的航跡；

第3類：自由點跡，上一個天線周期內沒有被錄用的點跡。

3 結果分析

對以上3類航跡，在相關順序上首先為確認航跡進行初始相關和特征信息相關，即點跡的錄用優(yōu)先權首先是確認航跡，然后是對非確認航跡的初始相關和特征信息相關，最后是自由點跡的自由相關。對確認航跡和非確認航跡首先進行常規(guī)相關，當相關波門內錄到的點跡不止1個時，就要考慮特征信息參數，通過最優(yōu)匹配找到最相關的點跡。自由點相關時，起始航跡后要進行特征信息相關，以避免虛警航跡的起始［6］。

圖7是未用參考特征信息進行的航跡處理，圖8是參考特征信息后進行的航跡處理。

圖7 常規(guī)航跡相關

圖中，未用參考特征信息進行的航跡處理有9條可能航跡（包括虛假航跡和真實航跡，標號①到⑨），而用參考特征信息后進行的航跡處理的航跡只有一條真實航跡（標號①），從圖7和圖8可以看出圖8加入了特征參數信息的相關，航跡虛警明顯減少，而且航跡起始較快，具有較好的工程應用前景。

圖8 加入特征信息的航跡相關

4 結束語

本文采取的是用提取目標特征的增值信息來進行航跡處理，這些特征參數用在航跡相關上可以大大降低航跡虛警率，提高航跡起始速度和航跡處理質量。仿真實驗表明：該方法不僅有效地減少了計算量和計算時間，而且減少了虛假航跡的占有率，保證了航跡的質量，運算實時性顯著提高，具有較好的工程應用前景。

［1］何友，修建娟.雷達數據處理及應用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

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［6］李鋼，李霄九，張仁斌.TWS雷達航跡跟蹤仿真系統(tǒng)研究與設 計 ［J］.合 肥 工 業(yè) 大 學 學 報，2008，31（5）：721－723.