基于跟踪雷达低空小目标稳定跟踪的优化

李耀南 张金凤 郑东卫

(西安电子工程研究所 西安 710100)

基于跟踪雷达低空小目标稳定跟踪的优化

李耀南 张金凤 郑东卫

(西安电子工程研究所 西安 710100)

由于某火控系统对低空小目标精确打击的需要，在其配套的火控跟踪雷达上要实现对低空小目标的稳定精确跟踪。然而低空意味着有很强的地杂波干扰，小目标由于本身RCS反射截面积较小，往往容易被回波中强地杂波淹没，从而造成跟踪丢失，针对该情况提出了一系列优化改进措施，其中最为核心的便是二维恒虚警检测与四维跟踪。

跟踪雷达;低空小目标;二维恒虚警检测;四维跟踪

0 引言

当雷达波束主瓣指向低空时，往往大部分旁瓣会指向地物，这样回波中就会多出很多地杂波，有时再加上多径效应的积累，往往地杂波的强度还要超过一些弱小目标的信号强度。为了有效跟踪低空小目标(包括飞机和导弹)，就需要使用有效地抑制强地杂波。而使用传统三维跟踪(即距离跟踪，俯仰角跟踪和方位角跟踪)无法满足有效跟踪低空小目标的需求，这就需要火控跟踪雷达专门针对抑制强地杂波来优化检测算法。

1 二维恒虚警检测

在地杂波背景下，判断目标存在与否通常采用过门限检测的方法，即幅度若超过设置的门限则被判定为目标信号，否则为杂波信号。一般情况下目标回波如果超过门限，那么目标判定就正确;而机内噪声或随机出现的杂波如果超过门限，那么目标判定就会出现虚警(所谓虚警就是由虚假目标引起的报警)。把在规定的观测时间内出现虚警的概率称为虚警概率［1］。因为杂波干扰出现和变化的随机性较强，所以虚警概率值也随之变化起伏，而这就与雷达系统的期望值背道而驰。雷达系统期望的是，当杂波的幅值变化时，雷达的检测门限也随之变化，以维持一个恒定的虚警率，这就是恒虚警率技术［2］。对杂波恒虚警率处理是根据杂波的概率分布和强度变化，自适应地调整检测门限，用以实现恒虚警率的目的，这样在检测目标时就形成了随杂波幅值的变化而变化的检测门限(即自适应门限)。

跟踪雷达截获目标时，设置的恒虚警门限通常是13dB，而跟踪时为了保证在目标起伏时不丢失，往往还要降低6dB，这就带来了更高的虚警概率。低空背景下的强地杂波，往往也会带来很高的虚警概率，虚警多了以后很容易把虚警误判成是目标，从而造成跟错跟丢，这就需要适当的抬高恒虚警门限系数来抑制通过检测门限的虚警数量，而当门限系数抬高时，很有可能起伏的弱小目标就被抬高的恒虚警门限滤掉了，这就带来了矛盾。

1.1 邻近单元平均恒虚警(CA－CFAR)检测器［3］

CA－CFAR是均值类恒虚警的处理方法之一，在均匀杂波背景下具有良好的检测性能，但在出现多个目标或多个强干扰时检测性能会严重下降。

由待检测点前后沿邻近参考单元求均值计算得到的平均杂波包络估计与门限系数T值决定了CA－CFAR的判决门限。将与检测单元最邻近的几个单元作为保护单元，是为了防止目标能量泄露到参考单元影响检测器对杂波功率的估计。具体算法如图1所示。

1.2 二维恒虚警(2D－CFAR)检测器［4］

上述的典型CFAR检测器使用的参考窗为一维参考窗。研究发现，雷达背景中的噪声和杂波是在距离和多普勒域二维同时存在，并且局部噪声在剔除异常值后，可以认为是平稳的高斯随机过程。一般一维恒虚警检测只是在距离单元上处理，以距离单元进行单元平均，这样做的好处是可以有效滤除部分距离维的噪声杂波形成的虚警，但不足是对速度维的噪声杂波形成的虚警基本是起不到抑制作用的。显然，利用待检单元附近二维空间上的单元作为参考单元获得背景的包络估计要更有效。

对此提出了二维的恒虚警参考窗结构(2DCFAR)，可以分别在待检单元所在的多普勒通道中

图中，输入信号xi被送到由(2L+2N+1)个延迟单元构成的延迟线上，D是待检测单元，D的两侧各有N个保护单元和L个参考单元。将所有参考单元中的值求和后再平均，最后乘以门限系数T就可以计算出判决门限。表达式如下:做一维距离单元恒虚警检测和在待检单元所在的距离单元通道中做一维多普勒单元恒虚警检测，然后分别求出距离维的恒虚警参考窗和多普勒维的恒虚警参考窗，待检测单元与之相比较，如果检测单元的检验统计量都超过分别由两维虚警概率确定的参考窗门限，则判定检测单元有目标，否则就被判定为虚警。如图2所示，其滑窗结构具有二维特征。

图2中，T为检测单元，横向R为距离维参考单元，纵向R为多普勒维参考单元。

2D－CFAR试验检测结果如图3所示，

图3中，由于大小受限只截取了1个距离单元通道的CFAR结果，其中点实线为待检测单元，左边幅度较高的点为零频的地杂波，而坐标为(x:3301，y:41.8)的点为运动目标，长虚线为距离维恒虚警门限(由于该图不是按距离单元线性排列的所以窗不明显)，短虚线为多普勒维恒虚警门限(目标的左窗右窗较为明显)，点划线为固定门限(只是滤除一些噪声)。由图可见，能超过这三个门限的虚警已经很少了，包括零频的巨大回波都被距离维恒虚警门限卡掉了，说明二维恒虚警对抑制虚警的作用还是很明显的。

2 四维跟踪［5］

四维跟踪是在距离维、速度维、俯仰角维、方位角维四个维度下对目标进行跟踪，与传统三维跟踪不同的是，增加了速度维(即多普勒维跟踪)，火控跟踪雷达往往跟踪目标的多普勒都不在零频附近，通过MTI扣除零频附近的回波信号可以有效的抑制静止背景形成的地杂波，而一般情况下目标运动背景的多普勒也不会刚好和目标多普勒在相邻的几个多普勒通道中同时出现，通过以目标多普勒为中心增加多普勒波门，将凝聚前的非目标速度的回波剔除，便可又滤掉很多目标多普勒以外的强地杂波;再加上原本就有的稳定跟踪时的距离小波门，也可以滤掉目标所在距离单元以外的杂波干扰。综上所述，就是要在距离多普勒二维平面上根据目标运动轨迹预置一个二维波门，来滤除恒虚警检测后的整个距离多普勒平面上与目标距离或速度较远的虚警。距离多普勒二维波门如图4所示。

通过卡尔曼滤波或是α－β滤波估算出下一帧目标所在距离单元和多普勒单元，以预测目标为中心，在距离多普勒平面形成一个二维波门，只保留波门内通过恒虚警门限的数据做目标凝聚，可以有效地滤除一些通过恒虚警门限的虚警，减少凝聚后的“目标”个数，降低误判的概率，然后利用从而实现检测的正确性，不会误跟到虚警从而导致目标丢失。

试验结果表明，对低空小目标的错误跟踪概率大幅降低，跟踪稳定性得到了明显的改善。如图5所示。

3 结论

本论文提出的方法解决了轻型火控跟踪雷达跟踪低空小目标需要解决的问题，二维恒虚警抑制了强地杂波引起的虚警，四维跟踪更是抑制了距离和速度维上的杂波干扰对跟踪目标的误导，对工程设计有一定的借鉴意义。在工程实践上应用时，由于远近区波形切换时要注意二维波门的放大以免目标由于抖动被小波门卡掉，稳定跟踪时可以适当缩小波门，同时还要注意针对盲速目标时要使用脉冲重复周期参差。

［1］张剑.雷达海杂波背景下的恒虚警率目标检测方法研究及实现［D］.哈尔滨工程大学自动化学院，2008.

［2］雷达系统中航雷达与电子设备研究院［M］.北京:国防工业出版社，2006:312－319.

［3］何友，关键，彭应宁，等.雷达自动检测与恒虚警处理［M］.北京:清华大学出版社，1999:32－64.

［4］黄红平，张晓玲.一种改进型二维恒虚警参考窗［J］.航空兵器，2011.2(1):34－37.

［5］郑建彬，黄振兴.机载PD雷达四维跟踪数据处理原理及实现［J］.武汉理工大学学报，2002，24(11):90－92.

Optimization of Low-altitude Small Target Tracking Performance of Tracking Radar

Li Yaonan，Zhang Jinfeng，Zheng Dongwei
(Xi'an Electronic Engineering Research Institute，Xi'an 710100)

In order to meet requirement to precision engagement against low-altitude small target，tracing radar in a fire control system should be able to track low-altitude small target stably.Echo of the small target is likely drown due to strong ground clutter at lower level and small RCS of small target，which will lead to target losing.A series of improvement measures are presented，and the most important are 2D-CFAR detection and 4D-Tracking.

tracing radar;low-altitude small target;2D-CFAR;4D-Tracking

TN957

A

1008-8652(2017)01-029-03

2016-03-07

李耀南(1984－)，男，硕士(工程师)。研究方向为信号处理和波束控制机的FPGA及DSP的软件开发与调试。