彈載雷達紅外復合系統信息融合算法研究

齊恩勇

（中國空空導彈研究院 河南 洛陽471099）

彈載雷達紅外復合系統信息融合算法研究

齊恩勇

（中國空空導彈研究院 河南 洛陽471099）

基于對日益復雜的戰場電磁環境的適應性以及提高目標探測跟蹤能力的目的，本文分析了彈載雷達紅外復合系統的技術優勢，著重研究了作為雷達紅外復合系統技術關鍵的信息融合處理算法，采用數據關聯融合檢測和多傳感器概率關聯跟蹤濾波算法，確保雷達紅外復合系統在雜波環境下的檢測關聯正確率和目標跟蹤精度，通過仿真驗證表明該融合跟蹤濾波算法能夠滿足高精度制導的信息需求、有利于提高對目標的跟蹤性能。

雷達紅外復合；信息融合；融合檢測；目標跟蹤

隨著技術的不斷發展，導彈武器系統面臨著越來越嚴酷的復雜戰場電磁環境，特別針對隱身飛機、新型干擾設備以及低空小目標對抗的軍事需求，對于導彈武器的反隱身、抗干擾以及多目標分辨能力等性能提出了更高的要求。由于單一制導方式的固有局限性，在復雜戰場環境下制導性能面臨日益嚴重的挑戰，難以滿足現代高技術戰爭的需求。有效改進末制導系統在目標探測以及復雜電磁環境下的作戰能力，對于空戰武器的發展具有重要意義。多模復合制導可以充分發揮各制導方式的優勢，互相彌補不足，使精確制導系統能適應不斷惡化的戰場環境和目標的變化，保證導引系統具有強大的目標綜合探測性能，提高系統的抗干擾能力和作戰效能[1]。雷達/紅外復合制導模式能夠較好滿足未來空戰對導引系統的要求，通過對雷達、紅外傳感器獲取信息進行融合處理，提高對復雜的戰場環境和惡劣的氣象條件的適應能力，從而提高導引系統反隱身、抗干擾以及綜合探測性能[2-3]。雷達/紅外復合制導被認為是最有發展前途的復合制導技術，也是提高精確制導系統性能的關鍵技術途徑，已成為世界各國研究的熱點，在空空、空地等多種應用領域開展了大量的樣機研制和相關技術研究。

雷達/紅外復合尋的制導是一種新型的制導技術，它實質上是多傳感器數據融合技術在精確制導武器系統中的應用。文中從分析雷達/紅外復合制導模式的技術優勢入手，著重論述這種復合制導模式發揮作用的技術關鍵即目標融合檢測和融合跟蹤算法，并通過仿真驗證目標融合跟蹤的效果，能夠滿足高精度制導的信息需求。

1　雷達/紅外復合系統的技術分析

雷達/紅外復合制導模式的優勢表現在制導方式互補，制導精度高；具有很好的反隱身目標和抗干擾能力；可適應全天候、全高度和全向攻擊的使用要求[2]。雷達/紅外復合制導系統中，雷達作為主動傳感器，能從目標回波中提取距離和速度等多種信息，且可實現發射后不管，全天候能力強。但是，雷達工作時要輻射大功率電磁波，容易遭受電子干擾和反輻射導彈的攻擊。而紅外傳感器屬于被動傳感器，其主要通過接收目標輻射的熱能進行探測和定位，具有測角精度高和目標識別能力強的特點，已經作為重要的被動探測手段，但其主要缺點是不能提供目標的距離信息和全天候能力較差。將雷達制導與紅外制導結合能實現制導方式的互補，進一步提高綜合探測能力和抗干擾能力。遠距離時，根據雷達獲得的信息來引導紅外制導系統跟蹤目標，使目標落在紅外制導系統的視角內，當接近目標時紅外制導系統識別和跟蹤目標，以彌補紅外制導作用距離近的不足，發揮紅外傳感器在接近目標時跟蹤精度高的優勢[3-5]。

雙模復合系統的關鍵技術是解決兩種體制信息的融合，進行雙模制導方式下的目標探測、搜索、截獲和跟蹤算法以及制導信息融合處理。復合模式的兩種探測系統及其信息處理分系統并行工作，分別在各自的視場內開展目標檢測識別，根據信息融合的功能模型，在不同的融合層次采用相應融合處理算法，將雷達和紅外傳感器在空間和時間上的互補和冗余信息，依據優化準則組合起來，產生對觀測環境的一致性解釋和描述[6]。信息融合處理是提高復合導引系統目標跟蹤綜合性能與抗干擾性能的技術關鍵。

為了實現雷達和紅外數據信息融合，雷達和紅外各自形成目標的局部航跡并傳送到融合中心，融合中心對雷達和紅外形成的局部航跡進行融合得到融合中心的航跡，然后再把融合中心預測狀態及其協方差陣反饋到雷達和紅外傳感器作為雷達和紅外的預測狀態及其協方差。在實際系統中，雷達和紅外一般是不同步的，因而先進行時間對準，把時間對準技術和雷達－紅外航跡融合方法相結合。信息融合技術按照信息或融合數據的加工程度，可以分為數據層、特征層及決策層3個融合層次[7]。雷達和紅外各自信息處理單元給出對目標的檢測、跟蹤結果，分別送到信息融合處理單元，由其按照相應的融合策略對收到的結果進行融合、識別并跟蹤目標[8]。圖 1為雷達/紅外復合導引系統信息融合原理示意圖。

圖1　雷達/紅外雙模系統信息融合原理圖

根據圖1，雷達/紅外雙模導引系統由復合探測以及信息融合與決策構成。雷達探測部分接收處理雷達回波信號，進行目標識別和目標距離、速度及角度信息的提取。來自目標的紅外輻射信號經由相應的探測通道接收，進行紅外信息處理、識別并截獲目標，控制俯仰和旋轉伺服跟蹤，并計算和輸出制導信號。信息融合與決策系統的雷達目標識別跟蹤和紅外識別跟蹤共同完成數據層和特征層融合，融合的結果（雷達跟蹤決策信息和紅外跟蹤決策信息）進一步送入融合決策控制器完成決策層融合，實現決策與判別。特征層融合的作用是利用一個探測通道目標識別和跟蹤的特征信息來輔助另一個通道的目標識別和跟蹤。決策層融合的作用為:迎頭遠距離時，根據雷達跟蹤決策信息來引導紅外傳感器的伺服控制系統跟蹤目標，使目標落在紅外傳感器的視角內，以便紅外傳感器能識別和跟蹤目標，從而能彌補紅外傳感器作用距離近的不足，發揮紅外傳感器在接近目標時跟蹤決策信息精度高的優勢[4，8]。在目標跟蹤過程中，信息融合系統自動分析和判斷雷達與紅外獲得信息的品質，并自適應地確定同時利用兩個通道的信息還是選擇某一個通道的信息進行制導，從而使復合制導發揮出最大的效能。

2　雷達/紅外信息融合處理算法及其仿真分析

雷達/紅外復合導引系統的技術關鍵在于兩種探測信息的融合處理。雷達和紅外數據融合作為典型的異類傳感器數據融合[5]，能夠實現信息互補，增強對目標的探測性能，改善對目標的跟蹤以及提高系統的生存能力。在多傳感器信息融合系統中，各傳感器測量信息一般具有不同的數據率和測量坐標系，而測量信息關聯判決和航跡融合需要同一測量坐標系內、同一時刻的目標狀態估計，因此為了進行雷達和紅外兩種傳感器信息的有效融合，必須對兩個傳感器測量信息進行時間配準和空間校準[3，7]。

所謂時間配準，即將同一目標的各傳感器的不同步的測量信息同步到同一時刻。雷達和紅外分系統測量信息周期具有一定的差異，向融合系統提供的目標測量信息是不同步的，所以在進行融合之前，必須把這些數據配準到相同的時刻。一般情況下，對信號周期長的在時間上可采用線性外推法或信號重構法；線性外推法是一種簡易方法，信號重構法精度相對較高。為了實現目標測量信息的空間校準，雷達和紅外分系統獲得的目標測量信息需要經過坐標平移變換或旋轉變換，將目標測量信息統一到同一坐標下，實現這兩種傳感器測量信息的空間校準，以確保進行有效的數據關聯融合。

雷達紅外融合檢測是雙模導引系統信息融合處理的基礎，融合檢測系統主要針對雷達和紅外傳感器的檢測結果進行邏輯判斷，確保后續的融合跟蹤和抗干擾處理發揮作用。融合跟蹤系統主要針對跟蹤狀態下雷達和紅外測量數據進行關聯，找到感興趣的目標，同時對目標狀態信息進行濾波，以消除測量誤差、雜波和干擾的影響[9]。

基于數據關聯融合檢測算法是一種直接利用兩種傳感器檢測結果進行融合的算法，可以應用于異質異類的分布式傳感器。在雷達/紅外復合模式中采用數據關聯融合檢測算法，直接對雷達和紅外的檢測結果進行融合，根據融合檢測邏輯，確定融合檢測結果，在保證檢測概率的前提下降低虛警率[2-4]。

假設在某一時刻雷達測量得到Na個檢測信號，得到相應的信號測量信息，即在各信號真實信息上疊加了量測噪聲，假定該量測噪聲相互獨立，且服從均值為零的正態分布。紅外分系統測量得到Np個檢測信號，其對應的測量信息也是在真實信息上疊加了相互獨立且服從均值為零的正態分布的量測噪聲。假設某時刻的各檢測信號由一個真實目標和若干雜波組成。由于雷達和紅外傳感器的結構和檢測機理不同，且雜波在空間上分布是隨機的，兩個傳感器在同一時刻得到雜波點的分布一般是不同的，而目標點則相對穩定。這正是基于數據關聯融合檢測算法的實際信息基礎。同一時刻雷達和紅外傳感器對目標產生的測量信號，其方位角量測值θm和俯仰角量測值φm都是服從均值為θ和φ，方差為σ2θ和σ2φ的正態分布，雷達測量信息的上下標為、α紅外測量信息的上下標為p，因此得到

由式（1）和（2），可以得到：

式（3）表明由雷達和紅外傳感器對目標的測量信息經過一定的變換服從自由度為2的卡方分布，其中α表示卡方分布的分位點。而針對雜波產生的測量信號，由于其隨機性，雖然由兩個傳感器得到的角度測量值也服從正態分布，但不同的雜波點均值一般情況下是不一樣的，所以即使做同樣的變換，也不能服從式（3）的卡方分布。這樣，就可以把兩個傳感器得到的測量信號分為兩類：分別是針對目標和雜波的測量信號，它們服從不同的聯合分布。根據這種分布的不同，從而實現對雷達和紅外傳感器得到的測量信息的融合檢測處理。該融合檢測算法的優勢在于不用考慮各分系統檢測器的檢測過程和算法，只需考慮各自最終輸出，可以方便地應用到雷達和紅外這樣異類傳感器的融合檢測中。

雷達/紅外融合跟蹤對于提高目標跟蹤精度具有至關重要的意義[4，10，11]。融合跟蹤算法是對檢測結果的進一步優化，并在此基礎上對目標位置作出預測。一方面，融合跟蹤算法對雷達和紅外傳感器的測量結果進行優化，提供對目標狀態的更精確地估計，另一方面解決雷達和紅外對觀測的目標身份關聯問題。因此融合跟蹤算法的性能將直接影響導彈制導精度。

概率數據互聯濾波算法（Probability Data Association Filter，PDAF）是一種基于標準卡爾曼濾波器修改的跟蹤濾波器[7，10]，該算法考慮了落入相關波門內的所有候選回波，并根據不同的相關情況計算出各個回波來自目標的概率，然后利用這些概率值對相關波門內不同回波進行加權，形成候選回波的等效回波，即利用關聯概率將所有測量聯系在一起，形成一個綜合測量，用等效回波來對目標的狀態進行更新。概率數據互聯算法主要用于解決雜波環境下的多傳感器單目標跟蹤問題。如果落入相關波門內的回波多于一個，這些回波中只有一個來自于目標，其余由虛警或者雜波產生。利用概率互聯算法對雜波環境中的單目標進行跟蹤，使得錯誤跟蹤和丟失目標的概率較小。該算法采用波門內觀測數據全加權策略，以減小錯誤關聯帶來的影響。PDAF算法應用于雷達和紅外復合系統，相應利用多傳感器概率關聯濾波算法（Multi-sensor PDAF，MSPDAF），實現雷達和紅外融合跟蹤濾波，使雷達和紅外復合系統適用于雜波環境下的目標檢測跟蹤[6]。

下面描述多傳感器概率關聯濾波（MSPDAF）算法原理[3，6，12]。彈目相對運動狀態方程表示為

G（k）為過程噪聲分布矩陣；V（k）為高斯型過程噪聲。

雷達觀測方程和紅外觀測方程分別表示為：

其中，

Wa（k）為雷達觀測噪聲，Wp（k）為紅外觀測噪聲。

雷達觀測噪聲和紅外觀測噪聲均為零均值高斯白噪聲，且相互獨立。雷達和紅外的觀測方差矩陣分別為Ra=diag（，，）和Rp=diag（，）。

設傳感器i（i=a（雷達），p（紅外），下同）在k時刻跟蹤波門內共有mi（k）個回波（k），j=1，2，…，mi（k），對應的觀測集合為；第i個傳感器到k時刻的累積觀測量集合為。

因此基于第i個傳感器測量的最小方差無偏估計為

其中，

其中，Pi（k|k-1）為傳感器i的一步預測協方差陣。因此，得到濾波值為：

通過以上處理，可以得到雷達觀測和紅外觀測的PDAF估計。然后通過方差融合規則對濾波結果進行航跡融合處理得到目標狀態的融合估計，表示為：

上述雷達/紅外測量數據的濾波處理算法流程描述如下[6，13，14]：

S3，利用跟蹤波門內確認的觀測對雷達觀測進行狀態估計，得到（k|k）和協方差陣Pa（k|k）；

圖2　融合跟蹤濾波仿真輸出的方位角和俯仰角均方誤差

S7，保存雷達與紅外融合后的目標狀態，得到融合跟蹤后的目標狀態估計及其協方差陣P（k|k）=Pp（k|k）。

重復上述步驟，以實現對目標跟蹤過程中目標狀態的連續估計。基于MSPDAF的雷達紅外融合算法采用的是波門內觀測全加權技術，對于在雜波環境下的目標檢測和跟蹤，該方法具有較高的關聯正確率和跟蹤精度[6，14，15]。對上述融合跟蹤濾波算法進行了仿真驗證，圖2為仿真輸出的方位角、俯仰角均方誤差曲線，仿真結果表明，相對雷達或紅外單傳感器系統，融合后的角度均方誤差較雷達和紅外單模濾波時都有所減小，說明該融合算法的有效性的。雷達和紅外雙模融合跟蹤濾波能夠實現跟蹤精度高、均方誤差小，有利于對目標的穩定跟蹤。

3　結　論

雷達/紅外復合制導模式能夠發揮各制導方式的優勢，彌補各自的不足，使精確制導系統適應復雜的戰場電磁環境和目標的變化，有利于提高導引系統對目標的綜合探測性能和跟蹤精度。雷達和紅外復合制導系統的技術關鍵是雷達和紅外傳感器獲取信息的融合處理，實施對目標的融合檢測和融合跟蹤，以達到雙模系統的目標檢測和跟蹤優勢。雷達紅外融合檢測是該雙模復合系統信息融合處理的基礎，采用數據關聯融合檢測算法，直接對雷達和紅外的檢測結果進行融合，能夠在保證檢測概率的前提下降低虛警率。雷達/紅外融合跟蹤技術對于提高目標跟蹤精度具有至關重要的作用，融合跟蹤算法是對檢測結果的進一步優化；融合跟蹤處理主要針對跟蹤狀態下雷達和紅外測量數據進行關聯，并對目標狀態信息進行濾波。雷達和紅外融合跟蹤采用多傳感器概率關聯濾波算法，將預測波門內的量測信息按照概率進行全加權，使雷達紅外雙模復合系統適用于雜波環境下的目標檢測跟蹤，達到較高的關聯正確率和跟蹤精度。仿真結果驗證了該融合算法的有效性。雷達和紅外雙模融合跟蹤濾波能夠實現跟蹤精度高、均方誤差小，有利于提高對目標的跟蹤性能。在融合處理算法基礎上，需要繼續挖掘雷達紅外雙模復合系統的潛力，更好地發揮雷達紅外復合系統的技術效能。

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Research on information fusion algorithm for missile-borne radar and IR composite system

QI En-yong
（China Airborne Missile Academy，Luoyang 471099，China）

On account of the adaptability to the increasingly complicated electromagnetic environment and the intention of improving ability for target detection and tracking，this paper analyses the technical superiority of missile-borne radar and IR composite system.The information fusion algorithms known as the technology key of the radar and IR composite system are presented emphatically.The fusing detection and tracking algorithms，data-relevancy fusing detection algorithm and multi-sensor probability data association filtering algorithm，ensure detection relevancy accuracy and target tracking precision in clutter surroundings for radar and IR composite system.By means of simulation analysis，it is indicated that the fusion tracking filter algorithms are capable of meeting with the information requirement of high-accuracy guidance and improving target tracking performance.

radar and IR composite；information fusion；fusing detect；target tracking

TN953+.5

A

1674－6236（2016）22-0175-05

2015-11-10稿件編號：201511089

齊恩勇（1966—），男，河北昌黎人，碩士，研究員。研究方向：嵌入式系統設計、信號與信息處理。