基于VxWorks的三坐标雷达点迹处理算法研究

张琛 戴健 刘德龙

（中国船舶重工集团公司第七二三研究所 江苏省扬州市 225001）

1 引言

雷达原意为无线电探测和测距，顾名思义就是用无线电的方法发现目标并对距离位置进行探测计算，因此雷达也被称为无线电定位。本文讨论的对象是三坐标相控阵雷达，相控阵雷达天线具有波束扫描变化快速、灵活等特点，在波束的形成上是多种多样的，测向方法也有很多种。本文讨论的某型号相控阵雷达采用多个波束同时探测，点迹凝聚模块对接收到的多波束回波信息进行测角凝聚等操作，最终获得目标的位置信息。本文采用的测角方法是基于抛物线模型的比幅测角，凝聚方法为质量中心法。详细算法描述见下文。

2 问题描述

本文描述的点迹处理主要包含接收视频数据、比幅测角、距离凝聚、方位凝聚、俯仰凝聚，依次完成这些操作后，获得当前目标的具体位置，完成从视频信息到点迹的整个处理过程。

VxWorks 是由美国风河公司研制的具有高可靠性、高灵活性以及高实时性的嵌入式操作系统，在雷达数据处理的过程中也同样需要很高的实时性、可靠性，同时在程序调试过程中也需要操作系统具有尽可能高的灵活性，因此我们选择了VxWorks 系统来运行点迹处理算法。

点迹处理的运算是一个相对复杂的过程，需要结合大量的相关信息，这些信息通过信号处理的雷达控制块（下文简称为RCB）传递给点迹处理单元，这些信息包括雷达天线指向（方位、俯仰）、接收波束的指向间隔（方位、俯仰）、雷达区域信息（雷达扫描范围）、雷达波位信息（方位、俯仰的波位号）、当前时间戳等等。通过这些信息，结合信号处理发送过来的视频幅度信息，完成点迹处理的操作。由于雷达探测对目标的精度要求较高，因此一个好的点迹处理算法在雷达探测任务中起着至关重要的作用，本文描述的算法以此为背景，对视频接收到最终点迹位置的全过程进行了详细的描述仿真，具体描述见下文。

3 比幅测角

在进行测角描述之前，我们先来简单了解一下雷达天线方向图。本文所描述的系统采用单个发射波束，三个重叠对称的接收波束。我们暂且将三个接收波束定义为左、中、右三波束，发射单波束和方位向3 接收波束方向图仿真结果如图1 所示：图中0°的实线代表指向为法线方向的发射波束的方向图，-2.4°、0°、2.4°虚线代表3dB 间隔相同的三个接收波束的方向图。俯仰向的方向图与方位类似，同样为一个宽的发射波束，三个接收波束。

点迹处理接收三个波束回波，三个波束的回波幅度与目标位置有着直接的关系，当波束中心距离目标近的时候回波幅度大，反之回波幅度小，因为三个接收波束为等间隔，因此结合这两个特性，构建了抛物线模型，抛物线的顶点即为目标所在位置。

如图2 所示，已知xc、xl、xr分别为中心波束、左波束、右波束指向，现在我们只需要求得xc相对于虚拟的坐标原点的大小，即可获得抛物线顶点也就是时目标的所在位置，通过抛物线方程y=ax2+c，求出抛物线顶点，然后计算出x'ac中心波束相对坐标原点也就是抛物线顶点的大小。

真实的抛物线模型存在三种情况。

（1）中心波束指向正好位于抛物线原点，这个时候左右波束的幅度值相同，目标方位所在位置即为中心波束所在位置；

图1：发射波束和三路接收波束方向图

图2：抛物线模型

图3：波位编排示意图

（2）中心波束所在位置位于坐标原点右边，即图2 所示情况，此时目标所在方位小于中心波束同时大于左波束，目标所在方位为Azi=xc-|x'ac|；

（3）中心波束所在位置位于坐标原点左边，此时目标所在方位大于中心波束同时小于右波束，目标所在方位为Azi=xc+|x'ac|。因此，只要求出相对位置x'ac即可，首先我们将xc、xl、xr转换为相对坐标原点的相对值x'ac、x'ac+xl-xc、x'ac+xr-xc，结合他们的纵坐标值也就是幅度值yc、yl、yr，将这三组数据带入抛物线方程y=ax2+c。

图4：3 倍加速度仿真结果

图5：真实民航处理结果

同理，已知xc、xu、xd分别为中心波束、上波束、下波束指向，则目标所在俯仰为El=xc+x'ec，其中x'ec为中心波束相对坐标原点也就是抛物线顶点的大小。由（1）（2）（3）公式可得

通过x'ac、x'ec的值，结合上文描述的方位方程，即可求得当前目标的方位值

4 点迹凝聚

在经过比幅测角后，我们可以得到单个发射波束的回波信息以及相对应的目标方位、俯仰、距离，同时，由于相控阵雷达发射波束较多（具体波位编排方式如图3 所示），因此相邻的波束之间也会有回波，这些回波有很大的可能是同一个目标，因此我们这里还要做凝聚处理，将相关的点凝聚成一个点，具体凝聚方法如下所示。

4.1 距离凝聚

距离凝聚的目的就是将同一个目标在距离向上的分裂点，这里我们采用质量中心法来计算距离，首先设置一个阈值n，当同一个波束的两个目标距离单元

4.2 俯仰凝聚

由于相控阵雷达天线分布为二维阵列分布，所以其扫描方式主要有先俯仰后方位和先方位后俯仰两大类，图3 所示的扫描方法为先俯仰后方位，因此这里我们先进行俯仰向上的凝聚，如果是先方位后俯仰的扫描方式，则先进行方位向上的凝聚。

按照图3 所示，先进行1-1、2-1、3-1-------N-1，的纵向俯仰凝聚，首先我们设定一个滑窗，其大小为n，将这个滑窗顺序的在俯仰向上滑动，依次比对计算滑窗内的数据作凝聚处理，当出现整个滑窗内没有数据的时候，也就是连续n 个波位没有点，则判断凝聚完成，然后将数据存在(N+1)-1 个数据上，以便于后续的方位凝聚。这里我们采用质量中心法进行俯仰凝聚，其中E 为凝聚后目标俯仰值，Ei为每个目标的俯仰值，Ai为每个目标的5 波束最大幅度值：

4.3 方位凝聚

经过俯仰凝聚后，我们可以得到当前同方位向上的凝聚后的N个点，到俯仰波位扫到N-1 时，当前方位向上的俯仰凝聚完成，跳至1-2 波位继续进行俯仰凝聚，以此类推，经过M 个方位向后，我们可以得到M 个俯仰凝聚后的信息，方位凝聚的作用就是将这些信息凝聚为最终点迹，这里我们采用质量中心法进行方位凝聚，其中Az 为凝聚后目标方位值，Azi为每个目标的方位值，Ai为每个目标的5 波束最大幅度值：

经过以上操作，即可得出凝聚后的最终点迹结果。

5 系统验证

5.1 仿真验证

通过雷达方程，模拟5 个波束的回波数据。为了尽可能多的模拟实际情况，这里我们采用3 倍加速度的跑圆数据来进行仿真，得到凝聚结果后与仿真的数据进行对比获取均方根值。如图4 所示。

5.2 真实回波验证

通过对真实民航数据的录取，来验证算法的有效性，图5 中点为视频数据，实线为航迹数据。

6 结束语

本文针对某型号相控阵雷达的点迹处理算法的比幅测角、距离凝聚、方位凝聚、俯仰凝聚等算法进行了详细的描述，同时针对该算法进行了仿真验证以及真实回波数据的验证，以此来验证整个点迹处理算法的真实有效性。