雷達目標識別與處理系統的設計與實現

劉 帥

（中國民航西北地區空中交通管理局寧夏分局，銀川 750001）

雷達目標識別與處理系統的設計與實現

劉 帥

（中國民航西北地區空中交通管理局寧夏分局，銀川 750001）

本文對雷達目標識別與處理系統進行了討論。

雷達目標識別；航跡處理；目標顯示

1 引言

隨著我國民航事業發展，監視技術航管監視雷達，ADS-B，多點定位、場面監視雷達的日益完善和推廣使用，空中交通雷達管制方式對飛行器最小間隔、空域流量等提出了更高的要求，同時對監視雷達的完好性、準確性和穩定性的依賴程度大大增加。這就要求對空管二次雷達目標準確性分析設備必須具有便攜性與及時性，要求系統使用方法和界面更加友好、易用。雷達目標識別與處理設備在雷達、自動化系統的日常維護與定期檢修方面發揮更大的作用。

2 目標識別與航跡平滑濾波

二次雷達目標識別與航跡處理是設計系統的關鍵，其包括點跡融合和航跡平滑濾波兩部分，其中航跡綜合處理細分為點跡關聯、濾波處理及航跡管理[1]。處理流程如圖1所示。

圖1 目標識別與航跡處理流程圖

2.1 目標點跡融合

假設雷達掃描一周送出的目標點跡數據集DataSet＝{Set A，Set B}，其中Set A表示雷達A數據集，Set B表示雷達B數據集。A，B雷達數據合并時，首先選擇Set A中點跡PAi將其與數據集Set B中一點PBj比較，根據方位和距離計算關聯程度δij，當δij小于關聯門限δ則認為兩點可合并，將PBj列入點PAi關聯集合Set A中；否則，選擇在集合Set B中選取下一點進行同樣計算。逐一遍歷Set B所有數據，完成集合Set A構造。根據集合Set A中所有目標關聯程度δij值，選擇與點PAi最接近的雷達B的數據PBm點 進行合并，將目標高度信息增加到對應數據報文中。集合Set A中相同編號的多個點跡，直接根據目標識別碼進行合并。集合Set B中剩余的沒有分配到任何A模式點跡的目標數據，統一歸入集合Set B2中進行二次合并。首先，在Set B2中選取一點PB2i作為起始點，與集合中其它各點計算關聯程度，符合要求的Set B2數據列入集合Set B2i中，并對Set B2i中所有點進行合并；否則作為新起始點，重新構造集合Set B2i，直到遍歷所有點跡數據。經過目標合并生成的數據報文，仍然包括有目標識別碼和沒有目標識別碼兩類。對于有目標識別碼的點跡數據，應當充分利用目標編號以加快處理速度，提高處理精度。因此，在報文存放過程中，對上述兩類數據需要分流、分別處理。

2.2 航跡平滑濾波

航跡平滑濾波包括點跡航跡配對關聯、濾波跟蹤以及航跡管理。點跡航跡關聯完成目標數據關聯矩陣，通過關聯矩陣建立點跡航跡關聯數據對。航跡更新利用卡爾曼濾波算法，根據已有航跡歷史和新點跡平滑生成目標航跡。航跡管理根據點跡航跡關聯矩陣結果，完成獨立點跡判別，航跡初始化，航跡平滑和航跡終止周期。本文采用“惟一優先性準則”和“距離最近優先準則”[2]，首先根據所有航跡與落入各自航跡的點跡的統計距離計算距離矩陣，然后搜索矩陣以選擇距離最小處的點跡與該處的航跡配對，從分派矩陣中除去已配對點跡與航跡，對矩陣降秩，并重復上述操作，直至所有點跡分派到指定航跡或確定獨立于任何航跡。

3 雷達目標識別與處理系統設計

3.1 軟件系統架構

圖2 軟件系統架構

雷達目標識別與處理系統通過軟硬件的結合，利用C#編程語言、MySQL數據庫，能夠實現多任務，通過多線程及線程間的通信，實現數據的實時通信和處理，能夠實時圖形化界面顯示雷達目標，實現雷達目標數據的數據庫存儲，并保存相關數據。該系統主要分為數據通信模塊、雷達目標點跡航跡處理模塊、顯示存儲模塊，整體軟件架構如圖2所示。

3.2 通信模塊設計

雷達數據通信模塊主要完成同步HDLC，ASTERIX格式的雷達數據。ASTERIX為歐控組織制定的一種雷達數據交換標準，由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分由HDLC-UDP協議轉換器完成，采用雙FIFO實現無縫緩沖數據接收，并將接收到的數據一方面傳輸到協議轉換板，另一方面將雷達數據封裝成UDP數據包，通過網絡傳輸傳入到雷達數據解析模塊。該轉換器為可編程門陣列（FPGA）設計的高級數據鏈路控制（HDLC）協議控制系統，實現HDLC串口與以太網之間的接口轉換，具有完善的數據轉發、協議轉換策略，實現HDLC幀與TCP/UDP/IP協議間的透明轉換，同時擴展UDP協議轉為HDLC協議[3]。實現多播UDP Client，UDP Server網絡功能，給每部雷達分配惟一的組播地址和端口號，最終將輸入的雷達原始數據由HDLC傳輸協議轉換為UDP傳輸模式對外接入雷達數據解析軟件系統。通信模塊軟件部分利用.Net平臺提供的Sockets和Threading類，接收端多線程、套接字完成雷達數據接收。

3.3 雷達點跡/航跡處理系統

在解析雷達數據之前，在主程序中設置每一部雷達參數，諸如：IP組播地址、端口號、雷達型號、雷達數據格式、旋轉周期、發射功率、雷達編號，以便系統地接收線程獲取雷達UDP數據包。對接收到的雷達線程分別建立點跡合并類PlotDecode. cs、點跡航跡相關類TrackDecode.cs類，其中包括正則表達式、時間對準、坐標變換，使用Radarflag參數來區別雷達類型。解析完的雷達數據有CAT34服務信息、CAT48目標信息。以INDRA雷達為例，CAT34的服務信息主要為：正北信息和扇區信息[4]。CAT48的目標信息為：方位、距離、高度、速度；S模式數據，包括飛機地址碼、航班號、comm-A、comm-B、comm-C和comm-D。由于各個雷達現場參數配置不同，在數據解析系統中對目標點跡歸一化處理，形成統一格式標準，再采用卡爾曼濾波算法對目標位置進行平滑、預測，最終形成系統本地航跡，最后，將系統本地航跡根據自定義的格式存儲到MySQL數據庫中。

3.4 顯示回放系統

顯示回放系統采用API接口，多圖層方式進行繪制。圖層分別為地圖圖層、距離環圖層、扇區圖層、目標實時顯示圖層和目標信息圖層。嵌套了.NET框架中內置的雙緩沖技術，利用顯卡前端緩沖區和內存后端緩沖區可以減少或消除重繪顯示圖面時產生的閃爍[5]。在主程序收到解碼程序輸出的雷達數據后，存儲到定義好的一個容器中，該容器與顯示界面一一對應，這樣采用雙緩沖技術，調用該容器中的數據，然后在圖層中繪制距離環、雷達位置、背景地圖、動態目標、扇區掃描等信息。系統回放功能利用MySQL數據庫完成雷達數據回放，回放時間段可由用戶自定義，支持7×24小時數據[6]。

4 實驗數據驗證

將此系統接入INDRA雷達系統，主程序記錄解析后的雷達數據（圖3），以時間為標識，記錄時間精確到秒。30H開頭的為雷達掃描到的目標信息，22H開頭的為雷達實時發出來的扇區信息。解析系統的顯示界面（圖4），實時顯示雷達掃描到動態的目標。小點表示位置，右下角顯示目標信息。深色的半徑線模擬雷達轉動，經測試，真實性比較高，可以作為判斷雷達是否故障導致停轉等現象。經分析，該系統能夠實時處理顯示真實的雷達數據，系統設計準確。

圖3 解析后的雷達數據

圖4 雷達目標顯示界面

5 結束語

本文利用硬件數據通信和.NET的開發平臺的Sockets、GDI+、雙緩沖、多線程等技術，設計實現了雷達目標識別與處理系統，解決了近些年在空管技術單位缺乏S模式雷達數據分析設備的問題。系統對雷達頭處理器輸出的原始數據進行解析識別，通過點跡關聯、濾波跟蹤、航跡管理等綜合處理輸出目標顯示，同時實現了數據庫存儲模塊和雷達目標實時回放模塊。該系統已經正式在線運行到INDRA IRS 20MP/L Mode-s型雷達，運行比較穩定。

[1] 陳京華．航管二次雷達航跡和點跡相關的基本原理[J]．科技創新與應用，2012(2):19-20

[2] 劉宇，聶健蓀，李永寧等．一種一二次雷達航跡相關的算法[J]．中國民航飛行學院學報，2003,14(2):17-20

[3] 韓瑞新，劉小江，朱紅勝，祝笑舟．基于光柵掃描的雷達顯示系統仿真[J]．計算機仿真，2005(11)

[4] A Raster scan radar display with new scan converting scheme and advanced graphics. Radar, 1996. Proceedings. Wang Desheng,Ji Xiuquan,Pan Hao,Yu zhihong. CIE International Conference of . 1996

[5] 徐關勇，曹華．電子海圖與雷達圖像及二次目標的疊加顯示研究[J]．艦船電子工程，2004(06)

[6] Thales ATM. NESACC EUROCAT-X System/Segment Specifcation[Z]. Thales Australia Air Systems 2004.

Design and Implementation of Radar Target Recognition and Processing System

Liu Shuai
(Northwest China Civil Aviation Air Traffic Management Bureau Ningxia Branch, Yinchuan, 750001)

Radar target recognition and processing system discussed in this paper.

radar target recognition; tracking processing; target display

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.03.004

TN95文獻標示碼：B

1672-7274（2017）03-0013-03