緊湊型地波雷達目標檢測跟蹤一體化實驗平臺

孫偉峰，李小彤

（中國石油大學（華東）海洋與空間信息學院，山東青島 266580）

0 引言

高頻地波雷達（High-Frequency Surface Wave Radar，HFSWR）是一種工作在高頻波段（3～30 MHz）的新體制超視距雷達，可用于海洋動力環境監測和海上運動目標探測［1］。大型陣列式地波雷達系統目標探測性能好，但其占地面積大，選址、部署及維護受到限制［2］。因此，小型化發射機、接收機及接收天線陣列的緊湊型地波雷達成為一種發展趨勢［3］。

大型陣列式地波雷達在目標探測時通常采用先檢測后跟蹤方法，如圖1 所示。雷達回波經信號處理后形成距離-多普勒（Range-Doppler，R-D）譜，檢測器對R-D譜進行檢測得到目標距離和多普勒速度，經測向后生成目標點跡；跟蹤器對檢測器輸出的點跡序列進行跟蹤得到目標航跡。在這種機制下，檢測器與跟蹤器之間的信息傳遞是單向的，目標檢測輸出點跡的質量直接影響目標跟蹤效果。此外，雷達獲取的跟蹤信息沒有得到合理的反饋和利用。

圖1 先檢測后跟蹤方法流程框圖

緊湊型地波雷達天線陣列孔徑小、發射功率低，導致目標回波信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）低，應用傳統的先檢測后跟蹤方法難以保證其探測性能。為減少因信息利用不充分造成的雷達目標探測損失，國內外專家學者主要提出了兩類解決方法：一是跟蹤信息輔助的目標檢測方法［4-5］，將跟蹤過程中獲得的目標位置、航速航向等信息反饋至檢測器，作為目標檢測的先驗信息優化檢測參數。此類方法對航跡起始后的每一幀數據均進行跟蹤、信息反饋和檢測門限調整，存在計算量大、虛警率高的問題。二是目標特征輔助的點跡-航跡關聯方法［6-7］，利用回波幅度、SNR等目標特征輔助點跡-航跡關聯，解決密集雜波環境或多目標場景下的點跡-航跡關聯錯誤問題。緊湊型地波雷達工作環境復雜、目標運動特性多變，上述特征容易隨目標姿態和雜波環境的變化隨機起伏。

針對緊湊型地波雷達在目標探測過程中存在的目標量測易丟失、真假目標難辨、航跡易斷裂等問題，提出適用的緊湊型地波雷達目標檢測跟蹤一體化方法。針對弱目標漏檢導致量測點跡丟失而發生航跡斷裂的問題，提出結合目標預測狀態的弱目標自適應檢測方法。針對密集雜波環境下因虛假點跡干擾導致點跡-航跡關聯錯誤的問題，提出點跡質量指標輔助的點跡-航跡關聯方法。針對上述工作，設計開發了緊湊型地波雷達目標檢測跟蹤一體化實驗平臺，利用實測數據開展目標檢測與跟蹤實驗，實驗結果表明了所提方法的有效性。平臺可用作高校學生開展創新實踐的教學實驗平臺［8-10］，加深學生對雷達目標跟蹤原理的直觀理解。

1 緊湊型地波雷達目標檢測跟蹤一體化方法的原理與流程

由圖1 可見，傳統的先檢測后跟蹤方法，檢測器無法利用已有的目標跟蹤信息改善檢測性能，跟蹤器忽略了目標特征和檢測環境信息在跟蹤過程中的指導作用。提出一種緊湊型地波雷達目標檢測跟蹤一體化方法，主要包括結合目標預測狀態的弱目標自適應檢測和點跡質量指標輔助的點跡-航跡關聯方法，如圖2 所示。利用上述兩個環節，形成檢測器與跟蹤器之間信息傳遞的閉環回路。

圖2 目標檢測跟蹤一體化流程框圖

1.1 結合目標預測狀態的弱目標自適應檢測方法

目標檢測的目的是在復雜的回波信號中提取微弱的目標信息［11］，通常采用恒虛警（Constant False Alarm Rate，CFAR）檢測技術［12］。相較于大型陣列式地波雷達，緊湊型地波雷達目標回波SNR 較低，在目標檢測過程中容易發生弱目標漏檢，導致在跟蹤過程中目標航跡連續多個時刻關聯不到量測點跡，發生航跡斷裂。

針對上述問題，提出結合目標預測狀態的弱目標自適應檢測方法。在跟蹤器內設置判別器，用于監測航跡維持狀態。若某目標航跡在t時刻因量測點跡丟失發生斷裂，將其 在t+1 時刻的目標預測狀態st+1=［vt+1，rt+1，at+1］T反饋至檢測器，其中，vt+1、rt+1和at+1分別為該目標在t+1 時刻的多普勒速度、與雷達之間的距離和相對于雷達的方位角。

檢測器接收到反饋的目標預測狀態后，在t+1 時刻的R-D譜中，以（vt+1，rt+1）為中心建立二維局部檢測波門，用于表示弱目標發生漏檢的可能區域。其中，局部檢測波門的大小由雷達對目標多普勒速度和距離的測量誤差決定。通過對局部檢測波門內的檢測門限進行自適應調整，可重新檢測到漏檢的弱目標。由于不同檢測背景下弱目標發生漏檢的原因通常不同，在進行檢測門限自適應調整前，需要判斷檢測背景的類型。

目標檢測背景可分為均勻和非均勻雜波背景，均勻雜波背景中通常只包含雷達感興趣的目標信號，非均勻雜波背景中可能還存在強雜波和鄰近目標信號。當某目標航跡發生斷裂時，說明航跡在維持過程中無量測點跡進行關聯，其對應的局部檢測波門內可能存在強雜波或鄰近目標生成的干擾點跡，此類點跡因方位角不符合點跡-航跡關聯波門的要求而無法參與航跡更新，對局部檢測波門內檢測門限的估計造成了干擾。利用局部檢測波門內的干噪比（Interference to Noise Ratio，INR），可對目標檢測背景進行判斷。

式中：AI、AN分別為局部檢測波門內初次目標檢測獲得的干擾點跡和正常雜噪采樣的平均幅度值。利用局部檢測波門內的檢測背景類型進行自適應判決

式中：B為INR的預設閾值。

針對均勻和非均勻雜波背景，分別采用梯度下降法和EKI-CFAR檢測器對局部檢測波門內的檢測門限進行自適應調整［13］，重新檢測波門內的漏檢目標，經測向后輸入跟蹤器，對已斷裂的航跡進行更新。

若應用上述方法仍未檢測出符合條件的量測點跡與目標航跡進行關聯，則使用目標預測狀態對航跡進行更新。當目標航跡在連續多個時刻內均無法關聯到量測點跡時，即可宣告該目標航跡終結。此方法能有效增加雷達對弱目標的檢測概率，提高目標跟蹤連續性。

1.2 點跡質量指標輔助的點跡-航跡關聯方法

受發射功率低、波束寬度大的影響，緊湊型地波雷達在進行目標探測時容易受雜波和噪聲干擾［14］，導致目標回波SNR低，在密集雜波環境下容易產生大量虛假點跡。在點跡-航跡關聯過程中，目標航跡受虛假點跡干擾難以關聯到匹配的量測點跡，逐漸偏離正確的行駛方向，最終發生斷裂。如何辨別目標檢測獲得的點跡，提高點跡-航跡關聯過程中真實目標和虛假點跡的區分度，是緊湊型地波雷達目標跟蹤領域面臨的關鍵問題之一。

檢測器在目標檢測過程中通常僅提取點跡的距離、多普勒速度、方位角等參數，密集雜波環境下僅依靠此類特征難以對來源于目標、雜波和噪聲的點跡進行有效區分。可從點跡質量評估的角度出發，利用不同點跡的回波幅度在R-D 譜中的形態和位置差異，提取并融合點跡的多方向梯度、局部方差和點跡位置概率等特征，對點跡質量進行綜合評估。在點跡-航跡關聯波門內，利用點跡質量指標輔助提高目標航跡關聯到點跡的概率。雷達回波數據經信號處理后形成R-D譜，如圖3 所示。

圖3 某緊湊型地波雷達實測R-D譜

根據雷達的距離和多普勒速度分辨率可將R-D譜劃分為多個單元格，圖中顏色的深淺代表單元格內信號幅度的高低。由于目標、雜波和噪聲的回波幅度、距離、多普勒速度不同，會在R-D 譜呈現出不同的形態和位置特征。在CFAR 檢測過程中，若某待檢測單元內的幅度值超過CFAR 檢測門限并通過峰值檢測［15］，說明該單元格內可能包含目標信息，此時，分別提取該單元格內的幅度值對應的多方向梯度MG、局部方差MV和點跡位置概率MP，將這3 個特征加權融合，獲得最終的點跡質量指標

式中，EG、EV、EP分別為上述3 個特征在點跡質量評估過程中所占的權重，可利用實測數據進行多次正交試驗以確定最優的權值組合。計算每一幀R-D 譜所有目標點的質量指標，經測向后輸出點跡數據。M值越大，表示該點跡來源于真實目標的可能性越大。

經點跡質量評估后，大部分目標點會獲得比雜波和噪聲點更高的點跡質量指標。在將點跡數據輸入跟蹤器前，部分點跡質量過低的虛假點跡會被濾除，以減輕后續跟蹤算法的處理負擔。在密集雜波環境下，目標點跡和雜波、噪聲生成的虛假點跡通常具有相似的運動學參數，容易造成點跡-航跡關聯模糊。

如圖4 構造的跟蹤場景，該目標航跡在t+1 時刻的關聯波門內包含2 個量測點跡，其中：量測點跡1 為該目標在t+1 時刻的量測點跡；量測點跡2 為雜波生成的虛假點跡，它們的關聯代價和點跡質量指標分別為c1、c2和M1、M2，且滿足c2＜c1，M2?M1。此時，若采用最小關聯代價準則進行數據關聯，會發生點跡-航跡關聯錯誤。

圖4 目標點跡-航跡關聯過程示意

在這種情況下，點跡質量指標M可作為輔助特征，提高目標和虛假點跡的區分度。當關聯波門內2個量測點跡的關聯代價之差滿足

式中：c1、c2分別為2 個量測點跡與目標航跡之間的關聯代價；e為關聯代價之差的預設閾值。此時，優先選取點跡質量指標M更高的量測點跡對目標航跡進行更新。

2 緊湊型地波雷達目標檢測跟蹤一體化實驗平臺的設計與實現

根據上述研究，利用Matlab R2018b 設計并實現緊湊型地波雷達目標檢測跟蹤一體化實驗平臺，便于設置目標探測過程中的各項參數、展示實測數據的目標檢測與跟蹤結果，并可視化目標檢測跟蹤一體化的運行過程。

2.1 功能需求分析

設計實驗平臺的主要目標是利用檢測跟蹤一體化實現緊湊型地波雷達對海上運動目標的探測，實時輸出可靠性、穩定性較高的目標航跡。平臺需要包含目標檢測和目標跟蹤模塊，此外，還應該包含航跡個例分析模塊，用于動態演示目標檢測跟蹤一體化的過程。平臺架構如圖5 所示。

圖5 實驗平臺功能模塊構成

2.2 平臺界面與功能模塊設計

目標檢測模塊負責對波束R-D 譜進行檢測，并顯示檢測結果，同時在檢測過程中完成點跡質量評估，輸出含點跡質量指標的點跡數據集合，其界面設計如圖6 所示。

圖6 目標檢測模塊界面

目標跟蹤模塊負責對目標檢測模塊輸出的點跡數據進行跟蹤，并顯示跟蹤得到的目標航跡，界面設計如圖7 所示。其中，點跡數據中的點跡質量指標用于輔助提高點跡-航跡關聯準確性，當某條處于維持狀態的航跡發生斷裂時，檢測器會針對該目標重新啟動局部檢測波門內的弱目標檢測。

圖7 目標跟蹤模塊界面

為使目標檢測跟蹤一體化的運行過程可視化，設計了航跡個例分析模塊。如圖8 所示，輸入關注目標的航跡編號，可查看跟蹤器內判別器的監測情況和航跡跟蹤時長的動態變化以及檢測器內局部檢測波門的建立和檢測門限的自適應調整過程。此外，可通過修改實驗參數對不同參數值對應的跟蹤結果進行對比，以便確定最優的實驗參數組合。

圖8 航跡個例分析模塊界面

3 目標檢測與跟蹤實驗及結果分析

為進一步驗證所提方法的有效性，利用緊湊型地波雷達實測數據開展目標檢測與跟蹤實驗，對傳統先檢測后跟蹤方法和所提檢測跟蹤一體化方法的航跡跟蹤結果進行對比。實驗數據由課題組研制的CORMS（Compact Over-the-horizon Radar for Maritime Surveillance）系統于2019 年1 月18 日11：04～15：29獲取。

在先檢測后跟蹤方法的航跡跟蹤結果中選取了2個典型的錯誤跟蹤個例，分別存在航跡斷裂和航跡誤跟蹤的問題，利用所提方法重新進行跟蹤，發現跟蹤結果均得到了明顯改善。圖9、10 對2 種方法的跟蹤結果進行了對比，其中，藍色和紅色航跡分別為先檢測后跟蹤方法和所提方法的跟蹤結果，黑色實心圓點表示航跡起始點。對2 個錯誤跟蹤個例展開具體介紹。

圖9 目標個例1跟蹤結果對比

（1）航跡斷裂個例。應用先檢測后跟蹤方法對圖9 所示的目標個例1 進行跟蹤，發現航跡在A 點處發生斷裂。經分析，航跡斷裂的原因為目標受海雜波遮蔽而導致漏檢、量測點跡丟失。目標航跡在該時刻錯誤關聯了海雜波生成的虛假點跡，后續無量測點跡進行關聯而發生斷裂。應用所提方法重新進行跟蹤時，航跡跟蹤時長延長了10 min。

（2）航跡誤跟蹤個例。如圖10 所示，應用先檢測后跟蹤方法對目標個例2 進行跟蹤時出現航跡回退折返現象，不符合海上船只目標的運動規律。經分析，該目標航跡在B點處錯誤關聯了噪聲生成的虛假點跡，造成虛假航跡的延續。應用所提方法重新進行跟蹤后，解決了航跡誤跟蹤問題，且航跡在C 點處終結，此時目標距離雷達較遠，即將駛出雷達的有效探測范圍，在航跡斷裂處重新進行目標檢測仍無法檢測到弱目標，說明可以宣告航跡終結，避免了系統資源的浪費。

圖10 目標個例2跟蹤結果對比

通過分析上述2 個目標個例發現，所提方法的目標探測性能遠優于經典的先檢測后跟蹤方法，可改善因量測點跡丟失、虛假點跡干擾導致的航跡斷裂、航跡誤跟蹤等問題。經計算，應用先檢測后跟蹤方法對該批數據進行跟蹤時，平均航跡跟蹤時長為55.05 min。與之相比，所提方法跟蹤得到的平均航跡跟蹤時長為72.57 min，增加了17.52 min。

4 結語

緊湊型地波雷達目標探測存在目標回波SNR低、雜波和噪聲干擾嚴重等不利因素，用先檢測后跟蹤方法難以保證目標的檢測與跟蹤性能。文中所提緊湊型地波雷達目標檢測跟蹤一體化方法，在檢測器與跟蹤器之間建立了信息動態交互機制，充分利用雷達探測所得的多種目標信息優化檢測與跟蹤參數，整體改善了緊湊型地波雷達的目標探測性能。實驗結果表明，與先檢測后跟蹤方法相比，所提方法得到的平均航跡跟蹤時長增加了17.52 min，錯誤跟蹤現象明顯減少。此外，開發緊湊型地波雷達目標檢測跟蹤一體化實驗平臺，通過多次目標探測實驗，證明了平臺在工程應用中的可靠性和穩定性。