基于航迹滤波的预警雷达数据处理软件研究与实现

周志增 吴志建 顾荣军 张闻琪

(中国人民解放军63889部队 河南孟州 454750 )

0 引言

雷达在对目标进行探测时,由于受到外界杂波、无源和有源干扰等因素的影响,在信号处理之后得到的虚假点迹进入雷达数据处理中,符合起批特性的点迹会建立起虚假航迹[1-2]。尤其是在未使用MTI、MTD等手段时,在雷达近区会形成大量的虚假航迹,严重影响对正确目标的判定。对于大功率雷达,即使采取抗干扰措施,杂波剩余也会影响对真实目标的发现。虚假航迹的出现,一方面和系统信号处理有关,另一方面和系统的数据处理的航迹处理算法,包括起始、滤波、质量管理等环节有关。对于目前已投入使用的雷达设备,为降低虚假航迹对目标探测的影响,较为可行的方法就是提高数据处理的虚假航迹的抑制能力。

本项目以工程应用为目的,舍弃复杂的数据处理算法,基于现有雷达数据处理方法,针对不同应用场合,增加多种逻辑起始方法、对航迹进行速度、残差滤波、进行航迹质量管理,进一步提高数据处理抑制虚假航迹能力。

1 雷达数据处理方法

1.1 雷达多目标跟踪算法

三坐标搜索雷达是一部方位机械扫描与仰角上电扫描的全相参脉冲多普勒雷达[3],其功能主要是对给定空域进行搜索,发现目标后进行敌我识别,对满足既定准则的目标建立航迹跟踪。其中多目标航迹跟踪处理技术是技术关键,多目标跟踪处理技术基于三维极坐标卡尔曼滤波技术,其处理框图如图1所示。

图1 数据处理框图

1.2 目标航迹的启动

当测量值送入计算机后,即以测量值为基准建立相应的门。如果上一周有测量值落入相应的门内,该测量值就可以用来启动一个新的跟踪回路[4]。

用本次测量值建立对应门的优点,是减少了所占用的内存单元。

目标航迹的启动过程见图2所示。

图2 目标航迹的启动

目标进入的时间定义为计算机接收到目标测量值时刻,此时对应天线所在的实时位置。要求进入时间符合是为了避免同一天线旋转周期内,两个靠得近的目标被认为是同一目标在两个天线旋转周期进入的信号。

当计算机接收到目标测量值时,同时记下此单元的内容,作为该目标的进入时间。两个测量值的进入时间之差的绝对值必须大于某一常数,就可以认为是不同天线旋转周期进入的测量值。此常数与目标的方位角速度有关,选择的余地很大。距离门和方位门的选择主要根据目标的径向速度、角速度和距离来选择。距离门和方位门的选择大小要合适,太大,容易产生虚假启动,浪费时间;太小,使整个系统的快速性受到影响。例如,当目标的距离近、径向速度大时,所选择的门要大些,因为此时要快速给出目标的坐标,否则要贻误战机。相反对距离远、径向速度小的目标,门可以选择得小些。搜索与指示雷达有很粗的仰角信息,所以在启动跟踪回路前,必须是仰角信息要符合才行。

1.3 多目标点迹航迹的互联

每一个跟踪回路以预报值为基准,形成相应的距离门[4],如果下一周期有测量值落入此门,则认为该测量值与此跟踪回路互联。门的大小一般可取为

互联门大小的选择灵活性很大,当取大时,目标丢失互联的机会少,但分辨较困难,反之亦然。因此门的大小要折衷考虑。判别目标机动门,当目标的测量值落在此门之外,说明目标产生了大的机动,应使跟踪回路的带宽加大,来改善回路的机动性能。可以看出。此门要比互联门小,其大小由目标的机动性确定。

2 算法总体考虑

2.1 实现依据

在雷达数据处理中,一方面要保证真实目标能正确、及时起批,另一方面还要有效降低虚假航迹的数量,两者之间存在矛盾的地方,需要进行优化处理。虚假航迹与真实航迹相比,其拟合误差较高和航迹持续时间较短。针对虚假航迹所呈现的特性,可以在数据处理中结合多种滤波手段,本文从提高航迹起始约束条件开始、紧接着对航迹进行速度和残差滤波、最后对航迹质量进行管理,实现对雷达航迹的全寿命控制,从数据处理层面达到有效抑制虚假航迹的目的。

2.2 软件设计

算法在Qt框架下实现,采用多线程完成程序设计[5-6]。程序主要由WorkProccessing.cpp、process_thread.cpp、send_trace.cpp、workthread.cpp四个类完成数据处理主体功能。其中,workthread.cpp负责接收点迹;send_trace.cpp负责完成航迹发送;process_thread.cpp负责完成数据处理。WorkProccessing.cpp为数据处理主程序类,包含了航迹起始、关联等相关处理函数,后续相关虚假航迹抑制算法都在此类中进行添加。

虚假航迹抑制算法整体分为3个部分,分别为航迹启动模块、航迹滤波模块、航迹质量控制模块,如图3所示,3个模块可分别使用,也可交互使用,可以更好地提高虚假航迹抑制能力。

图3 算法总体流程

3 算法实现

3.1 多种逻辑起始方法

3.1.1 实现算法

逻辑法[7-8]简述如下:

1)第一次测量值作为航迹初始位置,根据设置的初始波门大小对下一次落入该波门内的测量值进行距离维和角度维关联,关联成功则建立可能航迹;

2)根据目标速度和测量值进行航迹外推,得到外推点,以此为中心,以测量误差为半径确定关联波门。对落入该波门的点迹进行关联,为简便算法,直接去离中心最近的点;

3)重复2)步骤,如果后续没有测量值进入外推波门,则撤销此可能航迹;若有测量值落入外推波门,则进行更新航迹,直到航迹稳定,航迹起始结束;

4)对于未与航迹关联成功的点迹可作为新的航迹点进行起始处理。

在工程实现中存在两种情况,第一种情况:假设已建立起航迹,在航迹表中存在待启动点迹。在下一个周期,接收到点迹信息后,如图4椭圆中所示。点迹首先和航迹进行关联处理,利用关联点迹对航迹进行更新,未关联点迹存入待关联点迹数组中,和待启动点迹进行相关处理,存在关联则启动新航迹。否则,将待关联点迹中的余下点迹存入航迹表中的待启动点迹,清空前一周期的待启动点迹。第二种情况:对于第一个周期的点迹,直接作为待启动点迹和下周期的点迹进行关联处理。可看作第一种情况的特殊情况。

图4 点航关联过程示意图

使用逻辑法进行航迹起始,影响形成稳定航迹的因素有很多,首先取决于算法的复杂程度、准确度和时效性。其次,取决于外界的干扰情况,杂波的分布程度和强度以及雷达的测量分辨率、测量误差等等。对于不同类型的雷达,比如预警雷达,为快速起批,可降低扫描次数,一般2～3次扫描。对于不同探测区域也需要区分,对于杂波区目标,可适当提高扫描次数,一般为5～8次,对于清洁区目标,可降低扫描次数,一般3～5次即可。常用的M/N逻辑法,就是在N次连续扫描中有不少于M次量测互联成功就代表航迹起始成功。一般来说,M/N为3/4最为合适,提高N值对于系统的改善效果并不明显。

在实际算法实现中,不仅要考虑算法的性能,还要考虑算法的复杂度。往往对于多次扫描,合适的M/N值是在[1/2,1]之间。M/N取值大于1/2表示关联成功的数量超过一半,能提高航迹的可信度。若M/N取值为1,则表示要求每次都关联成功,有可能会出现错判。当2≤N≤5时,M的值可以为2、3、4。在工程实际中,往往选择2/3和3/4。

在航迹起始算法中,添加多种逻辑起始方法。M/N值分别对应2/2、2/3、3/3、3/4、4/4、4/5,M/N逻辑法实现流程如图5所示。

图5 M/N逻辑法实现流程

其中, Count_1 代表扫描数; Count_2 代表发现目标个数;数组Count_3[] 记录每次扫描中是否发现目标,发现计1,未发现计0。

3.1.2 数据处理结果

对同一组采集到的点迹数据,分别采用M/N为2/2和4/4两种逻辑法进行航迹处理。图6为两种结果的对比,从结果中可以看出,采用4/4可以明显减少虚假航迹个数,虚假航迹数由213个减少到136个。

3.2 速度滤波

1)实现算法

首先,根据目标运动特性,对目标速度最小值和最大值给出限定,然后根据航迹的速度滤波值和速度限定值进行比较,最后做出决策。对于杂波点来说,速度变化较大,而对于目标来说,速度一般比较平稳,两者很容易区分。

图6 M/N为2/2和4/4的航迹信息统计结果

图7 速度滤波实现流程

2)数据处理结果

原数据处理未对速度进行滤波,现更改速度范围为50～2000m/s,统计得到的航迹结果为增加速度滤波后,真实航迹数为12个,与实际值相差1个,可能是目标速度值跳动较大,其速度平均值落到速度范围之外,导致航迹被舍弃。虚假航迹数从213个减少到128个,主要是对近区杂波点迹的滤除。速度滤波可以很直接地起到对虚假航迹的滤除效果,但首先是保证对目标测速稳定,速度值跳动幅度小,否则容易被舍弃。其次是目标速度难以提前预知,只能设置一定的范围,很难避免杂波点迹进入。如果速度值跳动较大幅度较大,所以在实际工作中,对速度进行滤波时范围应设置较大,避免漏掉真实目标。

3.3 残差滤波

1)算法实现

雷达测量信息是在极坐标下获取的,其距离、方位、俯仰探测精度分别为σR、σA、σE,可通过信号处理后结果获取。当残差门限计算完成后,则可以将序列的残差与门限进行比较,残差门限为κσR、κσA、κσE,κ系数可根据实际情况进行调整。若小于门限,则正常起始航迹,若大于门限,则舍弃该航迹。具体标准如下:

如ER≤κσR且EA≤κσA且EE≤κσE,则航迹起始;

如ER≥κσR或EA≥κσA或EE≥κσE,则航迹舍弃。

采用该方法能保证在起始初期剔除一些虽然能相关成功,但质量明显较差的虚假航迹。整个算法流程如图8所示。

图8 残差滤波实现流程

2)数据处理结果

对于残差滤波,残差计算是根据逻辑法中需要的点迹参数进行。因此,一般选择较大的M值,此处,M=4。残差系数分别为:距离系数κR=15;方位系数κA=5;俯仰系数κE=5。处理后的航迹信息显示,虚假航迹数进一步减少,航迹正确率提高9%,但真实航迹数也与实际个数相差3个。由此可以看出,残差滤波由于综合多个点迹的距离、方位及俯仰信息,能有效过滤杂波点迹,对虚假航迹的生成具有较明显的抑制作用。在实际使用过程中,由于点迹信息具有统计意义,要想取得较好的滤波效果,对雷达精度和残差门限的设置都提出了很高的要求。

3.4 航迹质量管控

在杂波密集区域,虚假航迹形成的概率较高,对于符合起始条件和滤波条件的虚假航迹来说,可以从航迹质量进一步进行控制,从而尽可能缩短其生命周期。通常,我们认为经过数据处理滤波得到的航迹点其可信度较高,相应的航迹质量较高;而通过航迹外推得到的航迹点没有测量值作为保证,可信度较低,航迹质量较差。依据航迹滤波值和外推值来计算航迹质量,通过设置门限值对航迹质量进行管控,从而可尽早剔除航迹质量不满足要求的虚假航迹[10]。

第一种通过设置航迹质量值对航迹质量直接进行控制,第二种通过对杂波按照强度进行分区,根据强度选择航迹质量。

对于第一种航迹质量管控方法,通过对输出航迹质量进行累加计算,航迹正常进行滤波,航迹质量+1。航迹进行外推,航迹质量-1。通过选择航迹质量门限值,一旦航迹质量大于门限,则输出航迹。否则,认为航迹为虚假航迹,不进行后续处理。

对于通过杂波分区进行航迹质量控制的实现,先对空域按照距离和方位进行分区。在本算法中,在距离段上分为3段,分别是0～30km、30～70km、70～300km,在方位上分为2段,如图9分区杂波示意图所示,共划分为5个分区。其次,通过滑窗对分区内点迹进行统计,计算出点迹总数、分区点迹平均数。有两种方式实施杂波分区对虚假航迹的抑制:

图9 分区杂波示意图

1)考虑到雷达探测近区,如分区1和3,受杂波影响较大,设置航迹质量门限值为Thres1,设置分区2和4航迹质量门限值为Thres2,设置分区5航迹质量门限值为Thres3,Thres1> Thres2> Thres3。

2)通过对分区点迹数和分区点迹平均数进行比较,选择不同的航迹质量门限值。

以上两种方法,主要是对第一种航迹质量管控方法的改善,根据分区杂波水平调整航迹质量门限值,有针对性的加强对杂波点迹较多区域的虚假航迹抑制,同时减少远区的航迹起始时间。

对于第一种航迹质量管控方法,设置质量值门限为4。对于基于杂波分区的航迹质量管控方法,航迹结果如图10所示。从图10中可以看出,通过对航迹进行质量控制,可以达到滤除虚假航迹的目的。

图10 两种质量管控算法得到的航迹信息

4 应用策略

通过提高逻辑起始点数、增加速度滤波、残差滤波、航迹质量滤波的方法,实现对虚假航迹点的抑制,得出一些有用的结论,如下:

1)选择M/N逻辑起始值,一般认为用3/4最为合适,M过小虚假航迹过多,过大影响建航时间,改进的效果并不明显。

2)可靠进行速度滤波的前提是目标速度值稳定,如果跳动幅度过大,很容易导致目标丢失。在实际使用中,可将范围设置较宽,以免出现把真实点迹误认为杂波点迹。同时,应选择N值较大的逻辑起始方法,因为速度滤波是在逻辑起始基础上再求速度平均,N值较大,有助于减少平均值误差。

3)残差滤波利用距离、方位、俯仰信息和雷达测量精度进行比较,采用该方法能保证在起始初期剔除一些虽然能相关成功,但质量明显较差的虚假航迹,抑制效果较好。在实际使用过程中,由于点迹信息具有一定的随机性,要想取得不错的滤波效果,应适当降低门限。

4)使用航迹质量进行滤波时,可根据杂波分布调整杂波分区划分和航迹质量门限值,对杂波点迹密集的区域有针对性地进行滤波。

以上各种滤波方法可单独使用,也可组合使用,组合使用时各滤波条件应相对放宽,以防出现漏警。

5 结束语

针对预警雷达易受虚假航迹影响这一问题,结合工程应用时效性、稳定性等特点,开发了一套雷达数据处理方法。该方法针对不同应用场合,通过增加多种逻辑起始方法、对航迹进行速度和残差滤波、对航迹质量进行管理,一定程度上提高了数据处理的虚假航迹抑制能力。实测数据结果表明,该方法在保证对目标正确探测的基础上,能有效降低虚假航迹的产生,有助于提高雷达适应复杂环境能力。