大下视角下旋转导引头的目标检测与跟踪技术

伍建辉 赵 丹 王建超 高文冀

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

旋转弹体的智能弹药在攻击地面目标时，其前端的旋转导引头常常处于大下视角状态(50°-70°)，此时导引头总是在强杂波环境下工作的，强地杂波对导引头的检测目标具有较大影响，当强杂波充满整个搜索波门时，导引头不能搜索到正确的目标，更不能正常截获和跟踪。在雷达设计时一般采取措施来抑制或减弱杂波的影响，一般可采用低副瓣天线设计、减小发射泄漏、MTI、MTD及脉冲多普勒处理等，但是由于末制导时间短、旋转弹体、大弯曲弹道且落角大等特点[1]，常用的抑制杂波的方法比如MTD等耗时算法并不适用，所以必须结合旋转弹体的运动特点提出新的目标检测与跟踪技术。

1 旋转弹载导引头的目标检测与跟踪方法

旋转弹载导引头具有旋转、大下视角、制导时间短(数秒)等特点，所以常规的低分辨雷达抑制或减弱杂波的方法不能用于旋转平台导引头的目标检测与跟踪，根据以上特点提出旋转弹载导引头的目标检测与跟踪方法：基于自适应排序恒虚警和解旋叠加的目标检测与跟踪方法 。该方法有以下特点：

1)体制上，调频连续波、8mm高分辨、单脉冲；

2)硬件上，低副瓣天线设计、保证较好的收发隔离；

3)算法上，采用自适应恒虚警、目标提取、解旋叠加、目标识别等算法。

下面对该算法进行具体说明。

1.1 目标检测与跟踪流程

当导引头下视天线波束照射到地面时，其背景杂波是较为复杂的，比如农田、树林、公路、沙地等各种地物的反射率各不相同，尤其是在下视角50°-90°范围内反射率变化很大，使地面杂波功率谱密度变化很大，同时旋转导引头以3～8r/s的转速进行旋转下落，在旋转过程中且有一定的章动，所以结合旋转弹载导引头的运动特点以及强杂波背景提出导引头末制导的目标检测算法，该算法共主要分为四个处理模块，即有序统计恒虚警(OS_CFAR)、目标中心提取、目标解旋叠加、目标匹配单元，如图1所示。

在图1的处理流程中，OS_CFAR(有序统计恒虚警)、目标中心提取、目标解旋叠加、目标匹配是算法的关键，现逐一说明主要模块功能与作用。

1.1.1 有序统计恒虚警

常规低分辨雷达的恒虚警算法如单元平均恒虚警(CA_CFAR)性能较差，在杂波边缘处可使检测单元的虚警率急剧增大；急剧增大的主瓣杂波与高度线杂波严重影响CA_CFAR性能，所以CA_CFAR算法不适合高分辨雷达的目标检测。

为了提高CFAR检测器的抗干扰能力，以及适应高分辨导引头对目标识别能力，采取有序统计恒虚警率处理(OS-CFAR)算法来进行目标检测[2-3]，以适应高分辨导引头对目标的识别能力。和通道数据进行排序并且和门限电平进行比较后，输出过门限的距离单元号以及幅度。

1.1.2 目标中心提取

目标中心提取的目的，是对经过OS-CFAR后的同一个目标造成的分裂进行合并，使其成为一个完整的体目标，方便目标分类与识别。

1)目标分裂的原因

由于强地杂波、接收机噪声、主瓣展宽、副瓣杂波等因素的影响，导引头天线波束照射到目标后，主瓣和第一副瓣都会产生回波响应，并且处理后的主瓣被展宽(可能跨越几个距离单元)，在连续几个距离单元上都出现目标起始，于是就产生了距离分裂[4]。

2)目标中心提取可以解决目标分裂

回波信号主瓣展宽后虽然跨越几个距离单元，但在不同的距离单元上其信号幅度是不一样的。主瓣中间的信号最强，相应距离单元的回波幅度值也最大(称为主峰) ，此时对应的目标距离也最准确。因此在连续几个距离单元有目标起始时，比较目标在连续几个距离单元处的幅度值，找出主峰目标输出。这样不仅可以有效消除目标的距离分裂，而且目标距离的精度也非常高。为了防止幅度起伏造成瞬时主峰偏移而影响目标距离的准确判定,可采用多次采样比较、幅度加权的方法判定主峰，降低偶然因素的影响[5]。处理过程见图2。

如图2所示，装甲车在高分辨信号体制下容易造成多个强散射点，造成目标分裂，而通过对距离单元分裂处进行插值滤波等数据处理手段，形成完整的体目标，方便后续目标解旋叠加模块处理。

1.1.3 目标解旋叠加

由于旋转弹载雷达导引头采用捷联的方式与弹体连接，因此在弹体飞行过程中，雷达导引头与弹体一起以3～8r/s的速度进行旋转，同一个目标在弹体坐标系下所测量的角度随着弹体的旋转而发生旋转。如果对此旋转不进行处理，将对后期目标跟踪带来困难，所以要对目标的旋转进行解旋转处理以消除弹体旋转的影响。图3是解旋叠加原理示意。

如图3所示，目标解旋转叠加就是将弹体坐标系下测量的目标角度信息向前解旋(最新时刻)，并设定适当宽度的角度、距离归并门对同一目标进行认定归并，在一个数据处理周期(即20个检测周期内)计算归并次数，该归并次数与设定的归并门限相比较，可作为目标判定一个重要参数，最后在数据处理周期终了时刻形成解旋列表去目标匹配单元进行目标匹配。

1.1.4 目标匹配

在复杂地杂波背景下，由于旋转弹载雷达导引头的分辨率很高，因而回波中可能包含多个目标的信息。在雷达导引头进行目标搜索的过程中，如何合理地确立目标选择准则，从多目标环境中挑选出所需要截获的目标，实现目标的精确确认，直接决定着雷达导引头跟踪目标的正确性，也决定着制导导引头的修正效果[6]，所以必须根据旋转弹载导引头的特点制定合理的目标匹配准则，具体来说，就是对解旋叠加列表输出的目标信息——幅度、距离单元、方位角误差、俯仰角误差、解旋归并次数、目标径向尺寸六维信息进行综合目标信息加权，根据目标的加权结果，匹配点目标、体目标与干扰目标。

1.2 算法仿真

针对上面的处理流程，用Matlab产生单脉冲测角三通道数据，添加的杂波符合对数正态分布，目标数据有四个：分别是1个闪烁的虚假目标、2个点目标、1个体目标。

图4是目标的一维距离像数据，CFAR的门限为13000，如图中粗横线所示，虚假目标、点目标2、体目标均有目标分裂现象，尤其是体目标分裂为6个点目标，这样会导致目标太多，大、小目标不容易识别，给后续解旋叠加处理带来压力，目标检测较为困难。

图5是对分裂目标进行插值处理，然后进行滤波输出后的结果，粗横线是恒虚警门限，经过处理后，分裂的点目标、体目标成为完整的点、体目标，目标分类较为清楚。

表1 解旋叠加后的目标列表(归并次数门限=6)

目标信息虚假目标点目标1点目标2体目标径向距离/m100282440461幅度30210466002020525210方位角/°3.1-2.6-5.13.4俯仰角/°-1.94.22.4-5.1径向尺寸1115归并次数3101010

由表1可以看出，其中虚假目标由于是闪烁的，时有时无，解旋叠加的归并次数为3，小于归并门限6，所以很容易剔除，对于点目标1与点目标2由于间隔距离较远，可以通过设置搜索中心的远近进行目标检测。点目标2与体目标由于距离较近，相距21个距离单元(7.5m)，二者始终处于同一跟踪波门内，可以通过目标径向尺寸信息进行点、体目标检测。最后根据目标匹配准则，匹配出需要打击的目标，至此一个完整的目标检测处理算法完成。

2 高塔试验验证

高塔试验的试验场景选择耕地、猕猴桃地、农田、民居等多种场景，将导引头安装于一维转台上，当导引头旋转时测试导引头目标检测与跟踪性能，该测试更符合真实的旋转导引头运动的特点。

图6左图是一维转台，导引头安装于转台前面，右图角反射体目标放置于猕猴桃地。表2是试验条件。

表2 试验条件

目标目标径向距离/m目标背景导引头下视角/°导引头转速/(r/s)信杂比/dB转台高度/m30m2角反射体146猕猴桃地3941480

表3 解旋叠加后的目标列表(CFAR门限=1000、解旋归并次数门限=6)

幅度径向距离/m方位角/°俯仰角/°径向尺寸归并次数目标11055138.3-1.2-1.431目标21100144.62.6-1.222目标32500146.1-4.14.519目标41200151.52.53.713目标52100154.73.6-2.725

通过对目标六维信息的匹配，虽然目标1——目标5均大于恒虚警门限1000，但只有目标3的归并次数大于解旋归并次数门限6，可以选出角反射体目标——目标3，其余目标均属于干扰目标。

图7为在目标检测周期之内的目标幅度叠加图，图8～10为目标跟踪曲线。

通过对导引头采集的距离、角误差、极径数据计算均方根误差，可得导引头动态跟踪时数据精度如下：

表4 目标测量精度

目标目标距离距离真值(测距机)测距精度测角精度方位俯仰极径30m2角反射体146m146.4m0.4m 0.2°0.1°0.22

表4的目标测量精度满足系统指标要求，试验中还对其他杂波背景进行了目标检测与跟踪性能测试，结果表明：在强地杂波环境下，目标检测算法稳定且可以稳定跟踪目标。

3 结束语

旋转弹载雷达导引头在低空强地杂波环境下目标检测与跟踪比较困难,本文提出了基于自适应排序恒虚警和解旋叠加的目标检测与跟踪方法，该方法可以使旋转导引头在强地杂波背景下进行可靠的目标探测与跟踪，仿真计算与外场试验证明本文的目标检测技术在大下视角下具有更好的检测与跟踪性能，该检测技术也可推广应用于其他旋转弹体平台，对雷达制导技术在常规弹药制导化领域的发展具有重要的工程意义。