通用雷達(dá)終端處理與顯示技術(shù)研究?

徐 濤 張兵強(qiáng) 劉寧波 方 偉

（海軍航空大學(xué)信息融合研究所 煙臺(tái) 264001）

1 引言

雷達(dá)研發(fā)的不同階段，采用的處理與顯示終端一般具有不同的技術(shù)架構(gòu)。理論研究與仿真階段主要進(jìn)行算法設(shè)計(jì)、流程改進(jìn)等研究，以仿真數(shù)據(jù)或者實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的事后處理為主，對(duì)算法實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性要求不高，常用工具為Matlab等工程仿真平臺(tái)［1～2］。工程實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)驗(yàn)證階段主要工作是篩選性能較好、有實(shí)用潛力的算法，需要考察算法的各項(xiàng)性能，為相關(guān)技術(shù)在實(shí)際雷達(dá)型號(hào)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。根據(jù)型號(hào)雷達(dá)研制需求，可用的開發(fā)環(huán)境有Visual C++、Qt、Visual DSP++、CCS等［3～4］。

針對(duì)單型雷達(dá)開發(fā)專用處理與顯示終端系統(tǒng)進(jìn)行工程實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)驗(yàn)證，具有針對(duì)性強(qiáng)、對(duì)于該型號(hào)嵌入速度快的優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于共性技術(shù)研究而言，在工程開發(fā)過(guò)程中往往受專用開發(fā)環(huán)境制約較大，雷達(dá)型號(hào)間的可移植性（兼容性）差，不利于雷達(dá)技術(shù)的普適性驗(yàn)證和優(yōu)化完善［5］。因此，本文研究對(duì)通用雷達(dá)終端處理與顯示技術(shù)進(jìn)行了研究，為雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的工程實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)通用雷達(dá)終端系統(tǒng)，系統(tǒng)可以支持算法的工程實(shí)現(xiàn)和性能測(cè)試，同時(shí)具有良好的可移植性和可擴(kuò)展性。

2 通用雷達(dá)終端技術(shù)架構(gòu)

雷達(dá)處理與顯示的一般流程如圖1所示。顯控終端作為雷達(dá)操控的最直接人機(jī)交互設(shè)備，在實(shí)現(xiàn)雷達(dá)使命功能的同時(shí)，不斷借鑒最新的電子設(shè)備操控理念，操作越來(lái)越靈活，界面越來(lái)越友好，功能越來(lái)越強(qiáng)大。現(xiàn)代雷達(dá)顯控終端功能已經(jīng)不單是進(jìn)行雷達(dá)視頻回波的顯示，而是進(jìn)行多種信息的綜合顯示［6～8］。由于雷達(dá)應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜化，以及對(duì)雷達(dá)功能需求的多樣化，雷達(dá)的工作模式和工作參數(shù)需要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行調(diào)整設(shè)置。隨著硬件架構(gòu)與性能的進(jìn)步，這一功能也逐漸轉(zhuǎn)移到終端系統(tǒng)［9～10］。因此，雷達(dá)終端的結(jié)構(gòu)開始具有通用化和便于擴(kuò)展的特點(diǎn)，一方面可以進(jìn)行多種信息的實(shí)時(shí)綜合顯示，以利于雷達(dá)目標(biāo)在終端的顯示與判別，另一方面可以靈活設(shè)置雷達(dá)的工作模式和工作參數(shù)以適應(yīng)特定的應(yīng)用環(huán)境。

圖1 雷達(dá)處理與顯示流程

通用雷達(dá)終端系統(tǒng)所采用的技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。設(shè)計(jì)思路為

1）系統(tǒng)工作于通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)，采用Qt進(jìn)行主程序架構(gòu)與子模塊界面的設(shè)計(jì)［11］，保證整體框架具有良好的可擴(kuò)展性和可移植性。

2）子模塊的算法部分采用插件式設(shè)計(jì)，以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)形式進(jìn)行集成，在理論研究階段開發(fā)的Matlab算法也可封裝成動(dòng)態(tài)庫(kù)進(jìn)行集成調(diào)用［12］。這一架構(gòu)使算法實(shí)現(xiàn)與整體框架解耦，便于算法的開發(fā)與移植。

圖2 通用雷達(dá)終端技術(shù)架構(gòu)

3）信號(hào)與數(shù)據(jù)處理采用瀑布式處理流程，不同處理階段之間用緩存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與同步。由顯控模塊控制器工作模式與工作參數(shù)，能夠接收顯控模塊轉(zhuǎn)發(fā)的AIS等輔助信息，并輸出視頻信號(hào)、點(diǎn)跡信號(hào)、凝聚點(diǎn)跡信號(hào)、航跡數(shù)據(jù)等信息。

4）融合顯控模塊一是提供用戶操作界面，控制雷達(dá)信號(hào)與數(shù)據(jù)處理的工作方式，一是獲取各種信息數(shù)據(jù)并進(jìn)行融合顯示。

這一架構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

1）具有信息融合顯示功能：能夠支持雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)、信號(hào)處理結(jié)果、數(shù)據(jù)處理結(jié)果、AIS數(shù)據(jù)、各種標(biāo)記數(shù)據(jù)等多層數(shù)據(jù)在PPI顯示器上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)融合顯示。不同類型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、采樣率、最佳顯示方式等往往各不相同，如何將其在PPI顯示器上實(shí)時(shí)地綜合顯示，實(shí)現(xiàn)各種信息間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

2）信號(hào)與數(shù)據(jù)處理可配置：具有設(shè)計(jì)合理的雷達(dá)信號(hào)處理與數(shù)據(jù)處理流程，以及能夠兼容不同的信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理方法，支持根據(jù)需求對(duì)算法和處理流程進(jìn)行調(diào)整配置，于相關(guān)算法或技術(shù)的切換、驗(yàn)證。

3）支持Matlab算法嵌入：雷達(dá)信號(hào)和數(shù)據(jù)處理的理論研究往往依托于Matlab數(shù)值計(jì)算軟件，在向工程實(shí)現(xiàn)平臺(tái)移植時(shí)往往需要重新編程設(shè)計(jì)，這一過(guò)程較為耗時(shí)。在算法初選階段，一般首先驗(yàn)證的是算法能否實(shí)現(xiàn)特定技術(shù)指標(biāo)，如檢測(cè)概率等，在此基礎(chǔ)上再考察算法能否滿足或經(jīng)過(guò)優(yōu)化滿足實(shí)時(shí)性需求。在驗(yàn)證階段進(jìn)行算法重新編程設(shè)計(jì)是不必要的，因此系統(tǒng)對(duì)Matlab算法嵌入的支持將大大節(jié)約算法初選的時(shí)間。

3 通用信號(hào)與數(shù)據(jù)處理技術(shù)

通用雷達(dá)信號(hào)處理與數(shù)據(jù)處理框架主要包括雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取模塊、數(shù)據(jù)重整模塊、信號(hào)預(yù)處理模塊、目標(biāo)檢測(cè)模塊、點(diǎn)跡凝聚模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等部分。不同的軟件模塊間開辟緩沖區(qū)，便于數(shù)據(jù)獲取與輸出。

1）雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取模塊主要完成實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)文件的讀取、雷達(dá)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取等功能；

2）數(shù)據(jù)重整主要完成不同時(shí)期、不同采集器采集數(shù)據(jù)的格式統(tǒng)一、數(shù)據(jù)加密等操作；

3）信號(hào)預(yù)處理模塊主要完成抗干擾、非相參/相參積累、海雜波抑制等處理；

4）目標(biāo)檢測(cè)模塊主要完成目標(biāo)CFAR處理，形成目標(biāo)候選點(diǎn)；

5）點(diǎn)跡凝聚主要完成目標(biāo)點(diǎn)跡形成的功能，可采用一維點(diǎn)跡凝聚、二維點(diǎn)跡凝聚等方法；

6）數(shù)據(jù)處理模塊主要完成目標(biāo)的跟蹤功能，形成目標(biāo)的航跡。

算法模塊架構(gòu)如圖3所示，每個(gè)功能模塊都具有算法調(diào)用接口和參數(shù)設(shè)置接口，分別負(fù)責(zé)算法插件的接入和算法參數(shù)設(shè)置GUI的調(diào)用。用戶可以根據(jù)需求通過(guò)顯控模塊選擇所需的算法并設(shè)置其參數(shù)。算法可以是C語(yǔ)言設(shè)計(jì)的DLL，也可以是Matlab設(shè)計(jì)的DLL。

圖3 算法模塊架構(gòu)

4 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的多層PPI實(shí)時(shí)融合顯示技術(shù)

通用雷達(dá)終端的P顯要進(jìn)行回波及處理結(jié)果的綜合顯示，以及實(shí)時(shí)顯示輔助信息模塊中輸入的AIS信息等數(shù)據(jù)。本文采用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的多層PPI實(shí)時(shí)融合技術(shù)解決不同格式數(shù)據(jù)的有效疊加問(wèn)題。

1）顯示信息的組織方式：采用分層輸入、疊加顯示的方式，將不通過(guò)的輸入數(shù)據(jù)按照自下而上的順序排列，最下層為雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)，然后依次是雷達(dá)目標(biāo)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)、航跡數(shù)據(jù)及符號(hào)標(biāo)記、AIS數(shù)據(jù)及符號(hào)標(biāo)記。

2）顯示數(shù)據(jù)的刷新方式：由于不同數(shù)據(jù)更新率不同，系統(tǒng)采用插值的方法協(xié)調(diào)不同類型數(shù)據(jù)的同步顯示方式。譬如P顯以圓周掃描的方式更新，如導(dǎo)航雷達(dá)數(shù)據(jù)更新周期約為2.5s，而AIS更新周期可能為1s～6s，因此，需要對(duì)AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值，實(shí)現(xiàn)與導(dǎo)航雷達(dá)數(shù)據(jù)同步更新。

5 系統(tǒng)應(yīng)用案例——恒虛警處理測(cè)試

采用某型導(dǎo)航雷達(dá)在近海海域的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)恒虛警處理算法［13］進(jìn)行測(cè)試。圖4是雷達(dá)原始視頻圖像，未經(jīng)過(guò)技術(shù)處理視頻信號(hào)受到海雜波影響，進(jìn)行目標(biāo)判斷難度很大。圖5和圖6是參考單元數(shù)R為16，保護(hù)單元數(shù)為6，虛警概率Pfa分別設(shè)置為10-3和10-6條件下的檢測(cè)圖。經(jīng)過(guò)恒虛警處理之后，雷達(dá)接收到的信息被處理成斑點(diǎn)狀物標(biāo)，海面上一些目標(biāo)能夠識(shí)別出來(lái)。圖7為融合視頻圖像、檢測(cè)信息和AIS信息之后的顯示圖像。借助AIS信息可以進(jìn)一步對(duì)檢測(cè)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。

圖4 雷達(dá)視頻圖像

圖5 檢測(cè)圖（R=16，Pfa=10-3，保護(hù)單元數(shù)6）

圖6 檢測(cè)圖（R=16，Pfa=10-6，保護(hù)單元數(shù)6）

圖7 融合顯示圖（局部放大）

6 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代雷達(dá)工作環(huán)境和功能需求日益復(fù)雜，雷達(dá)技術(shù)工程實(shí)現(xiàn)和試驗(yàn)驗(yàn)證的難度也相應(yīng)提高。本文對(duì)設(shè)計(jì)了一種兼具雷達(dá)信號(hào)、數(shù)據(jù)處理和終端顯控通用雷達(dá)終端系統(tǒng)，具有可擴(kuò)展性強(qiáng)的雷達(dá)信號(hào)與數(shù)據(jù)處理架構(gòu)，且支持視頻信號(hào)、目標(biāo)點(diǎn)跡、航跡和AIS信息等多源信息的融合顯示。應(yīng)用案例表明該系統(tǒng)可以有效地支持雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的工程實(shí)現(xiàn)和試驗(yàn)驗(yàn)證。