基于可視化界面多雷達(dá)信息融合教研系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙珊珊，劉子威

(1.南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

0 引 言

雷達(dá)信號處理是電子信息、電子對抗等專業(yè)的重要專業(yè)課程，其作為信號處理技術(shù)的復(fù)雜集成，包含大量信號處理、計(jì)算機(jī)、天線等相關(guān)知識，內(nèi)容較為抽象，數(shù)學(xué)公式復(fù)雜[1-3]。同時，雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展，也從單雷達(dá)處理向多雷達(dá)信息融合發(fā)展[4-7]。目前大多采用“教師理論講授+課外實(shí)驗(yàn)”的方式展開，但實(shí)際裝備形態(tài)多樣，大多無法用于現(xiàn)場教學(xué)，學(xué)生接觸實(shí)際裝備難度大，接觸時間有限，使得學(xué)習(xí)過程很不直觀，影響學(xué)習(xí)熱情，同時也影響了教師教授最新研究進(jìn)展。因此，發(fā)展可視化仿真技術(shù)[8]，開發(fā)一套適用于教學(xué)環(huán)境的雷達(dá)仿真系統(tǒng)尤為重要。

近年來，借助于MATLAB對系統(tǒng)仿真功能的集成越發(fā)完善[9]，基于MATLAB的信息處理相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在不斷地推進(jìn)和優(yōu)化[10-16]。為提高課堂教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生對系統(tǒng)的理解，并了解前沿發(fā)展，該文介紹了一項(xiàng)多雷達(dá)信息融合教研系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)基于MATLAB環(huán)境下的圖形用戶界面工具(graphical user interface，GUI)建立了友好的交互界面，并包含有場景想定、回波信號生成、單雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)級仿真及多雷達(dá)數(shù)據(jù)融合等功能，使得課堂更加形象化和具體化，更有利于老師對雷達(dá)系統(tǒng)及多雷達(dá)信息融合進(jìn)行講解，也有利于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和理解，讓學(xué)生真正學(xué)懂這門課程。

1 多雷達(dá)融合系統(tǒng)模型

多雷達(dá)融合系統(tǒng)由多部雷達(dá)對目標(biāo)進(jìn)行探測，各雷達(dá)探測得到目標(biāo)量測信息或航跡信息，由數(shù)據(jù)傳輸鏈傳輸至融合中心站，在融合中心站對各雷達(dá)站量測數(shù)據(jù)加以聯(lián)合、相關(guān)以及融合，以此來獲得目標(biāo)的精確的狀態(tài)和屬性估計(jì)，以及對戰(zhàn)場態(tài)勢、威脅和重要程度的綜合評估，如圖1所示。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，雷達(dá)系統(tǒng)面臨四大威脅，為了提高雷達(dá)系統(tǒng)的生存能力，多雷達(dá)組網(wǎng)融合是一種行之有效的方法。與單部雷達(dá)系統(tǒng)相比，多雷達(dá)融合系統(tǒng)具有更高的跟蹤精度及抗干擾能力，更廣的觀測空域、時域和頻域的能力。

圖1 多雷達(dá)融合系統(tǒng)

為完成多雷達(dá)融合系統(tǒng)建模，首先，對整個仿真場景進(jìn)行設(shè)定，包括雷達(dá)位置與參數(shù)、目標(biāo)飛行軌跡、融合中心融合方式設(shè)定等；其次，對單部雷達(dá)的探測過程進(jìn)行仿真，包括接收信號生成、單雷達(dá)信號處理和單雷達(dá)數(shù)據(jù)處理；最后，對融合中心站的數(shù)據(jù)融合處理過程進(jìn)行仿真，包括多雷達(dá)時空配準(zhǔn)、多雷達(dá)點(diǎn)跡融合、多雷達(dá)航跡融合仿真等。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

基于MATLAB GUI的圖像處理演示系統(tǒng)利用MATLAB提供的GUI平臺來設(shè)計(jì)人機(jī)交互的圖形用戶界面，集成了雷達(dá)系統(tǒng)及多雷達(dá)信息融合理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要功能：場景想定、回波信號生成、單雷達(dá)系統(tǒng)仿真及多雷達(dá)數(shù)據(jù)融合仿真。各模塊拆分出對應(yīng)子模塊，在相應(yīng)子界面中展示，通過修改界面中控件的參數(shù)，編寫回調(diào)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)主界面與子界面間的切換及處理功能的增添或修改。

設(shè)計(jì)GUI用戶界面一般分為五步：

①明確系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的主要功能，應(yīng)該具有哪些模塊；

②繪出基本的用戶界面草圖；

③根據(jù)最終確定的方案，利用MATLAB GUI制作用戶操作界面；

④通過在界面中添加控件，實(shí)現(xiàn)演示內(nèi)容的參數(shù)修改和函數(shù)調(diào)用；

⑤進(jìn)行回調(diào)函數(shù)的編寫，實(shí)現(xiàn)界面之間的切換和調(diào)用操作。

該演示系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖2所示。

圖2 多雷達(dá)信息融合教研系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

2.2 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包括場景想定、回波信號生成、單雷達(dá)系統(tǒng)仿真及多雷達(dá)數(shù)據(jù)融合等功能，系統(tǒng)主界面如圖3所示。

圖3 多雷達(dá)信息融合教研系統(tǒng)主界面

3 功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)包含四個方面的雷達(dá)處理功能，每一個功能都對應(yīng)一個子界面而且都擁有獨(dú)立的用戶可視化窗口。學(xué)生和教師通過登陸界面進(jìn)入系統(tǒng)后點(diǎn)擊進(jìn)入系統(tǒng)即可到達(dá)主界面的模塊集成區(qū)，點(diǎn)擊對應(yīng)模塊即可到達(dá)相應(yīng)的設(shè)置界面。同時，每個模塊均包含后臺算法、評分體系及處理結(jié)果導(dǎo)出等功能，幫助學(xué)生掌握仿真全過程的合理性，支持離線分析。下面介紹各模塊的設(shè)計(jì)方法及界面效果。

3.1 場景想定

場景想定是整個仿真系統(tǒng)的首要模塊，其核心是對用戶仿真需求和仿真任務(wù)的模型化描述。具體而言，需要完成仿真場景設(shè)定、起止時間及仿真時間步長設(shè)定、雷達(dá)位置、體制、工作模式、工作參數(shù)、初始狀態(tài)、目標(biāo)類型、航跡、雜波類型、分布區(qū)域、主要觀測參數(shù)、干擾機(jī)類型、干擾類型、運(yùn)動軌跡等內(nèi)容的設(shè)置。界面設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 場景想定功能界面

3.2 接收信號生成

接收信號生成是將場景想定的結(jié)果轉(zhuǎn)化為雷達(dá)接收信號的重要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)需要根據(jù)時序、環(huán)境、目標(biāo)、干擾等狀態(tài)綜合產(chǎn)生每個雷達(dá)節(jié)點(diǎn)收到的信號。在產(chǎn)生時，要注意傳播條件、干擾平臺動態(tài)性等帶來的回波信號的時變特性。

3.3 單雷達(dá)處理仿真

單雷達(dá)處理仿真包括單雷達(dá)信號處理仿真和單雷達(dá)數(shù)據(jù)處理仿真兩個部分。

3.3.1 單雷達(dá)信號處理仿真

單雷達(dá)信號處理仿真是對雷達(dá)信號處理機(jī)的仿真處理，在本系統(tǒng)中，信號處理主要針對脈沖式雷達(dá)進(jìn)行仿真，包含單個脈沖重復(fù)周期接收信號的脈沖壓縮處理、多脈沖間的MTI/MTD/非相參積累、動平臺對應(yīng)的PD/STAP、目標(biāo)檢測、點(diǎn)跡凝聚，以及主要的目標(biāo)距離、角度、速度估計(jì)方法。上述具體功能均可在界面上設(shè)置對應(yīng)的參數(shù)及顯示相應(yīng)結(jié)果。

單雷達(dá)信號處理仿真界面設(shè)計(jì)如圖5所示，并給出了部分信號處理過程的仿真結(jié)果。其中，圖5(a)是脈沖壓縮后的信號，可以看到由于地雜波的存在，近距離雜波較強(qiáng)，最強(qiáng)可達(dá)1.6×10-3，目標(biāo)在脈壓后被淹沒。圖5(b)是利用MTI進(jìn)行雜波對消后的信號，可以看到雜波對消后，背景噪聲平均下降到0.7×10-6左右，但由于信噪比較低，目標(biāo)凸顯并不明顯，還無法完成目標(biāo)檢測。圖5(c)是利用MTD進(jìn)行脈間相參積累后的信號，可以看到脈間積累后，信噪比得到大幅提高，目標(biāo)凸顯，可進(jìn)一步進(jìn)行目標(biāo)檢測。圖5(d)是利用CFAR進(jìn)行恒虛警檢測后的結(jié)果，可以看到雷達(dá)共檢測到三個目標(biāo)。

(a)脈沖壓縮結(jié)果

3.3.2 單雷達(dá)數(shù)據(jù)處理仿真

單雷達(dá)數(shù)據(jù)處理仿真是支撐多雷達(dá)數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)，在信號處理之后進(jìn)行，通過對目標(biāo)量測信息進(jìn)行跟蹤濾波，生成目標(biāo)航跡信息。數(shù)據(jù)處理主要分為航跡起始、航跡關(guān)聯(lián)、航跡濾波與預(yù)測、航跡終結(jié)這幾個階段。

雷達(dá)量測數(shù)據(jù)進(jìn)入跟蹤波門內(nèi)才是有效量測，與現(xiàn)有航跡進(jìn)行點(diǎn)跡-航跡關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)成功的點(diǎn)跡用于該條航跡的濾波與預(yù)測，再根據(jù)預(yù)測值重設(shè)下一時刻的跟蹤波門。對于未關(guān)聯(lián)成功的點(diǎn)跡，則進(jìn)行航跡起始，存儲為一條新航跡。若一條航跡多次未關(guān)聯(lián)上新點(diǎn)跡，則該航跡終結(jié)。其中，最為核心的是目標(biāo)跟蹤濾波算法包括EKF濾波、粒子濾波、IMM濾波算法等。各雷達(dá)數(shù)據(jù)處理仿真參數(shù)可在界面上設(shè)置對應(yīng)的參數(shù)，并顯示相應(yīng)濾波結(jié)果。界面設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 單雷達(dá)數(shù)據(jù)處理功能界面

3.4 多雷達(dá)信息融合仿真

多雷達(dá)信息融合仿真包括點(diǎn)跡融合仿真和航跡融合仿真。在進(jìn)行數(shù)據(jù)信息融合之前，首先需要對各雷達(dá)站量測或航跡信息進(jìn)行時間對齊和空間配準(zhǔn)。其中，時間對齊一般采用內(nèi)插外推的方法，空間配準(zhǔn)方法是通過一系列的坐標(biāo)變換來實(shí)現(xiàn)各雷達(dá)站點(diǎn)航跡信息與誤差從量測坐標(biāo)系變換至融合中心統(tǒng)一直角坐標(biāo)系下。

3.4.1 點(diǎn)跡融合仿真

點(diǎn)跡融合是對雷達(dá)站的量測信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并將關(guān)聯(lián)成功的點(diǎn)跡進(jìn)行融合，以提高目標(biāo)定位精度。多雷達(dá)點(diǎn)跡融合功能界面如圖7所示，可對點(diǎn)跡融合時刻、選擇的點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)算法和關(guān)聯(lián)門限進(jìn)行設(shè)置，并顯示出點(diǎn)跡融合前后的結(jié)果圖和融合后目標(biāo)定位精度。

圖7 多雷達(dá)點(diǎn)跡融合功能界面

點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)算法包括最近鄰關(guān)聯(lián)算法、基于馬氏距離的關(guān)聯(lián)算法、位置速度聯(lián)合關(guān)聯(lián)算法等[4,17]。以圖7中所選擇基于馬氏距離的關(guān)聯(lián)算法為例進(jìn)行說明。設(shè)雷達(dá)n的觀測點(diǎn)跡序列為Zn。轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一直角坐標(biāo)系后，量測誤差dZn近似服從零均值的高斯分布，即dZn～N(0,Pn)，其中Pn為各雷達(dá)在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的誤差協(xié)方差矩陣，假設(shè)各雷達(dá)的測量誤差是獨(dú)立的。

設(shè)H0和H1為下列事件：

H0：Zn和Zm為同一目標(biāo)的點(diǎn)跡；

H1：Zn和Zm為不同目標(biāo)的點(diǎn)跡。

點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)問題轉(zhuǎn)換為了假設(shè)檢驗(yàn)問題。選擇兩雷達(dá)量測值之間的馬氏距離作為假設(shè)檢驗(yàn)量，馬氏距離定義為：

(1)

其中，∑nm=E[(dZn-dZm)(dZn-dZm)T]=Pn+Pm。若H0成立，馬氏距離dnm服從χ2分布。

據(jù)此可對H0進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，那么點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)檢驗(yàn)為：

(2)

關(guān)聯(lián)成功的各單雷達(dá)點(diǎn)跡均對應(yīng)同一個目標(biāo)，融合中心站通過對成功關(guān)聯(lián)的點(diǎn)跡進(jìn)行融合處理，可以提高目標(biāo)的量測精度，點(diǎn)跡融合的算法需要根據(jù)各點(diǎn)跡的量測精度進(jìn)行加權(quán)得到。設(shè)對應(yīng)同一目標(biāo)的各雷達(dá)站點(diǎn)跡為Zk，對應(yīng)的協(xié)方差矩陣分別為Rk，k=1,2,…,K，K為檢測到該目標(biāo)雷達(dá)站的個數(shù)。通過加權(quán)的方式得到的融合后的點(diǎn)跡數(shù)據(jù)FZ和協(xié)方差矩陣FR為：

(3)

(4)

通過點(diǎn)跡融合后，目標(biāo)量測精度比單部雷達(dá)站的量測結(jié)果更加精確，在圖7中可以看到融合后的點(diǎn)跡信息，并給出融合后的目標(biāo)定位精度，由GDOP描述(以三坐標(biāo)雷達(dá)為例)：

(5)

即為根號下協(xié)方差矩陣FR的對角元素求和。

3.4.2 航跡融合仿真

航跡融合是對雷達(dá)站的目標(biāo)航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并將關(guān)聯(lián)成功的點(diǎn)航跡進(jìn)行融合，以提高航跡跟蹤精度。多雷達(dá)航跡融合功能界面如圖8所示，可對航跡融合的開始和結(jié)束時刻、選擇的航跡關(guān)聯(lián)算法和關(guān)聯(lián)門限進(jìn)行設(shè)置，并顯示出航跡融合前后的結(jié)果圖。

航跡關(guān)聯(lián)算法包括K近鄰域算法、統(tǒng)計(jì)雙門限算法、貫序航跡關(guān)聯(lián)算法等[4,17]。以圖8中所選擇序貫航跡關(guān)聯(lián)算法為例進(jìn)行說明。

圖8 多雷達(dá)航跡融合功能界面

UA={1,2,…,nA},UB={1,2,…,nB}

(6)

令:

(7)

(8)

設(shè)H0和H1為下列事件：

如此便將航跡關(guān)聯(lián)問題轉(zhuǎn)換為了假設(shè)檢驗(yàn)問題?？蓸?gòu)造檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量：

(9)

(10)

對于關(guān)聯(lián)成功的航跡需要進(jìn)行融合處理來提高跟蹤精度，采用在系統(tǒng)統(tǒng)一坐標(biāo)系下濾波點(diǎn)跡串行合并后再濾波的方法。關(guān)聯(lián)航跡串行合并后，在統(tǒng)一坐標(biāo)系下對其進(jìn)行Kalman或擴(kuò)展Kalman濾波。與觀測點(diǎn)跡的濾波類似，稍有不同的是，濾波點(diǎn)跡是在統(tǒng)一直角坐標(biāo)系下描述的，它不僅包含位置信息，還包含速度信息，其濾波協(xié)方差相當(dāng)于量測協(xié)方差矩陣。串行合并后濾波相當(dāng)于提高目標(biāo)數(shù)據(jù)率，并再次平滑，會大大提高融合航跡的精度。

4 結(jié)束語

該文介紹了一套基于可視化界面的多雷達(dá)信息融合教研系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)思路，該系統(tǒng)包含了場景想定、回波信號生成、單雷達(dá)系統(tǒng)仿真及多雷達(dá)數(shù)據(jù)融合等功能，通過基于MATLAB的圖形用戶界面完成用戶設(shè)置、參數(shù)顯示、波形顯示等功能，能夠?yàn)橛脩籼峁┩暾膯卫走_(dá)及過雷達(dá)融合的直觀仿真分析。同時，整個軟件架構(gòu)靈活，秉承了高內(nèi)聚、低耦合的組件化思想，便于增加功能，進(jìn)行二次開發(fā)。軟件可應(yīng)用于理論教學(xué)的課內(nèi)演示、實(shí)驗(yàn)課實(shí)際操作及相關(guān)科研工作的仿真與評估工作。