一種門限實時自適應的小目標跟蹤處理方法

俞成龍，陳 旭

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所,江蘇 揚州 225101)

0 引 言

跟蹤雷達的使命任務是在復雜的氣象、海情和電子戰環境下，對敵方飛機、艦艇及來襲反艦導彈等目標進行快速捕獲和高精度連續穩定跟蹤[1]，實時向艦炮和防空導彈武器系統提供目標的精確定位數據，供火控系統解算后引導武器，達到有效殺傷敵方來襲目標的目的。

跟蹤雷達在對低空小目標捕獲轉跟蹤或連續跟蹤過程中，需要從雜波中檢測出目標的回波，并對目標的回波幅度進行門限判別，如目標回波幅度滿足跟蹤條件，則對目標進行跟蹤。通常我們采用的中心門限為固定門限，門限值基本為經驗值，但是在真實的復雜雜波背景環境下，地雜波、海雜波、氣象雜波及箔條雜波等是不固定的非合作目標回波，而且自動增益控制(AGC)是隨跟蹤波門內回波的起伏而變化的，較強的雜波容易造成AGC變化,引起接收機通道增益的減小，雜波中的目標回波幅度也相應變小，使得目標回波幅度過不了中心門限，導致目標的漏測或者跟丟。根據經驗設計的固定門限值存在缺陷，門限值過低會造成較高的虛警，將雜波檢測為目標進行跟蹤處理；門限值過高會將小目標誤認為雜波，造成目標的漏測或跟丟。可見，中心門限將直接影響到雷達能否有效捕獲和連續穩定跟蹤目標，尤其是復雜的雜波背景下的掠海飛行小目標，因此中心門限的計算和設計方法非常重要。

1 檢測處理方法概述

跟蹤雷達接收目標指示，方位調舷到位后進行俯仰角度捕獲掃描，同時信號處理根據距離指示值設置距離波門，在掃描過程中信號處理機判斷波門內目標回波幅度超過捕獲門限后，雷達天線停止掃描，信號處理機將跟蹤波門移到目標回波中心，選取目標回波中心前后各L個點的回波幅度，實時自適應地計算中心門限，判斷被測目標回波是否超過中心門限。若目標回波超過中心門限，則雷達轉入目標跟蹤狀態，并在跟蹤過程中實時更新中心門限，保證穩定跟蹤；若目標回波未超過中心門限，則天線繼續掃描進行目標捕獲。

2 中心門限實時自適應的小目標檢測處理辦法

2.1 跟蹤雷達工作原理簡介

跟蹤雷達工作原理如圖1所示，雷達在定時器的時序控制下，發射機將發射激勵信號進行功率放大，通過收發開關和雷達天線將電磁波向空間定向輻射，電磁波在遇到目標后產生后向散射，形成目標和雜波回波，通過雷達天線和收發開關傳送至接收機[2]，接收機將處理過的中頻信號傳送到信號處理機，信號處理機對中頻信號進行采樣、下變頻、脈壓等一系列處理后，再進行目標捕獲和距離跟蹤，并產生數字角誤差信號，伺服系統根據信號處理機產生的角誤差信號、當前天線指向數據、艦船搖擺數據等進行相關處理驅動天線對準目標，完成對目標的閉環跟蹤。綜合顯控系統對雷達整機工作狀態和工作參數進行監控并干預。

圖1 跟蹤雷達工作原理框圖

2.2 實時自適應計算中心門限的小目標檢測處理方法

跟蹤雷達接收到情報臺或火控臺的目標指示，雷達方位調舷到位后進行俯仰捕獲掃描(三維目指情況下可統籌雷達波束寬度和目指精度，仰角小角度掃描或不掃描，減少系統反應時間)，同時信號處理根據距離指示設置距離波門，在目標掃描捕獲過程中，信號處理機判斷波門內目標回波超過捕獲門限后，雷達天線停止掃描，信號處理機將跟蹤波門移到目標回波中心，選取目標回波中心前后各L個點的回波幅度，計算出中心門限，判斷被測目標回波是否超過中心門限。若目標回波超過中心門限，則雷達轉入目標跟蹤狀態，并在跟蹤過程中實時更新中心門限，保證穩定跟蹤；若目標回波未超過中心門限，則天線繼續掃描進行目標捕獲。具體工作流程如圖2所示。

圖2 跟蹤雷達快速捕獲和穩定跟蹤目標流程圖

雷達整機加電，通過天線對外發射和接收目標回波信號，接收機對回波信號進行放大、濾波、增益控制，將歸一化后的中頻信號送給信號處理機，信號處理機根據距離波門的位置對距離波門內提取的對數和路與線性和路通道的基帶視頻數據進行處理[3]，實時生成數字AGC控制碼，接收機在AGC控制碼的控制下實時改變中頻放大器輸出的中頻信號幅度。雷達接收目標指示數據，信號處理機根據目指距離數據移動捕獲波門到相應位置，伺服系統進行方位調弦到位，并根據目標類型進行仰角捕獲掃描，當檢測到目標回波幅度超過捕獲門限時，天線在俯仰方向上停止掃描，信號處理機將跟蹤波門移到目標回波的中心位置，進行目標檢測和跟蹤，信號處理機根據跟蹤波門的中心位置，選取目標中心波門位置前后各L個點(每個點表示1個距離處理單元)的回波幅度，計算出中心門限，判斷目標回波幅度是否過中心門限。如果是則雷達轉入對目標的跟蹤狀態，在目標跟蹤過程中實時更新中心門限，對目標保持穩定跟蹤。如果未超過中心門限，則繼續進行目標捕獲；同時如目標回波幅度未超過捕獲門限，則繼續進行掃描捕獲。中心門限U0的計算過程如圖3所示。

圖3 中心門限實時計算框圖

2.3 典型海情下目標跟蹤仿真結果

利用1套跟蹤雷達、目標和雜波信號模擬設備、目標指示模擬設備進行半實物仿真驗證，目標為空中運動目標，運動軌跡為遠離，目標指示方位180°、距離5 km、速度250 m/s，目標作等高勻速飛行，海情為三級。信號處理機根據目指距離數據，移動捕獲波門到相應位置，伺服系統進行方位調弦到180°，伺服系統根據目標類型，控制天線在俯仰角度上從0°向上開始捕獲掃描。在掃描到俯仰角度為2.27°時，雷達信號處理機判斷目標回波強度為9 430，超過捕獲門限值5 000，天線仰角停止掃描，信號處理機將跟蹤波門移到目標回波中心位置。信號處理機根據跟蹤波門中心位置，在目標運動到10 km的時刻(此時雷達仰角高度為1.14°)選取目標回波中心位置前后各32個點的回波幅度xi進行采樣，采樣數據見表1和表2。

表1 目標回波中心位置前32點采樣數據

中心門限U0為6 431.92，此時目標的回波中心強度為8 214，邊緣強度為8 192和7 997，目標回波強度均值為8 163，判斷目標回波幅度xD=8 163大于中心門限U0=6 431.92，而根據經驗設計的固定門限值為8 500，如以此門限來進行判別，必將造成目標的漏測和跟蹤丟失，不能對目標保持連續穩定的跟蹤，采用門限實時自適應技術后，提高了對小目標的檢測概率和連續穩定的跟蹤能力。

3 結束語

與現有技術相比，在傳統跟蹤雷達的檢測方法基礎上引入中心門限實時自適應變化的技術，能夠有效抑制中心門限固定情況下雜波背景復雜(雜波強度大，或者雜波起伏變化較大)造成的小目標檢測高虛警、漏測以及丟失的問題，提高了復雜的海雜波背景下對掠海小目標的捕獲能力和穩定跟蹤能力。

典型環境下的仿真驗證了該方法的有效性，該方法已應用在多型跟蹤雷達裝備中。

隨著電子技術水平和計算處理能力的提高，越來越多的智能化手段應用到雷達系統的設計中[4]，使得雷達具有高的目標和環境適應能力，它通過對目標和環境進行檢測、分析、學習、推理和規劃，根據天線指向、海情、目標類型、目標距離以及目標回波大小等，采用實時自適應技術調整脈沖波形、工作重頻、波門寬度、門限等參數，減小了寬脈沖脈壓帶來的雜波、大目標副瓣對目標跟蹤的影響，完成在復雜的雜波背景下捕獲和穩定跟蹤低空飛行小目標，并增強了抗雜波和抗電子干擾的能力，提高強雜波下全程目標檢測能力和跟蹤精度[5]，進一步提升了雷達的跟蹤性能。