郭高峰，臧 勤，汪軍華，王郁鑫

(1.海軍裝備部裝備采購(gòu)中心，北京 100071;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京210003;3.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

在現(xiàn)代電子戰(zhàn)中，為監(jiān)視某一區(qū)域的空情，可按多站方案配置多部傳感器。每部傳感器獨(dú)立測(cè)量與識(shí)別該空域中的所有目標(biāo)信息。無源多傳感器探測(cè)系統(tǒng)獲得多個(gè)傳感器探測(cè)到的輻射源信息，通過匹配、定位、點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)等手段將這些多站探測(cè)到的目標(biāo)信息進(jìn)行融合，能夠?qū)Νh(huán)境進(jìn)行更加全面的描述;得出全局性的、更精確的航跡供指揮員用于作戰(zhàn)決策，以減少雷達(dá)盲區(qū)，增加測(cè)量冗余度，提高處理質(zhì)量。

1 無源多傳感器多目標(biāo)融合

多傳感器無源探測(cè)系統(tǒng)的處理過程比單傳感器無源探測(cè)系統(tǒng)更加復(fù)雜，其中多傳感器目標(biāo)的融合是整個(gè)處理過程中一個(gè)重要的組成部分。在實(shí)現(xiàn)過程中對(duì)每個(gè)傳感器探測(cè)的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配定位，然后再進(jìn)行關(guān)聯(lián)融合，如圖1所示。

圖1 多傳感器無源探測(cè)系統(tǒng)融合過程

在融合中，包含了大量的不確定信息。首先，無論哪種傳感器，其測(cè)量數(shù)據(jù)都會(huì)存在一定的誤差。造成誤差的原因可能是環(huán)境中的不確定性，如噪聲;也可能是傳感器本身存在的問題，如傳感器故障或者模型偏差。因此，從這樣的測(cè)量數(shù)據(jù)中提取的信息必然具有某種不確定性［1］。其次，在處理過程中，由于信息的損失也會(huì)產(chǎn)生新的不確定信息。

多傳感器無源探測(cè)系統(tǒng)目標(biāo)融合的研究對(duì)象就是這些不確定信息，通過融合處理可以降低信息的不確定性，提高對(duì)環(huán)境特征描述的準(zhǔn)確性。

2 目標(biāo)關(guān)聯(lián)

多傳感器無源探測(cè)系統(tǒng)多目標(biāo)融合的一個(gè)關(guān)鍵問題是測(cè)量數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)問題，即找到各傳感器對(duì)同一目標(biāo)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，才能將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到正確的目標(biāo)位置信息［2］。目標(biāo)關(guān)聯(lián)是對(duì)當(dāng)前測(cè)量時(shí)刻獲得的多個(gè)觀測(cè)站檢測(cè)到的多個(gè)目標(biāo)之間進(jìn)行關(guān)聯(lián)，判斷出哪些目標(biāo)為同一批目標(biāo)在不同觀測(cè)站檢測(cè)到的，從而對(duì)目標(biāo)航跡進(jìn)行延續(xù)，哪些目標(biāo)是新目標(biāo)進(jìn)行預(yù)處理，哪些目標(biāo)是虛警。

目標(biāo)關(guān)聯(lián)主要是通過雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)中獲得的多種目標(biāo)特征信息作為目標(biāo)關(guān)聯(lián)的主要判斷依據(jù)。在關(guān)聯(lián)過程中需要對(duì)雷達(dá)測(cè)量信息互相驗(yàn)證，濾除虛假點(diǎn)跡和欺騙干擾，提取有用信息，提高輸出目標(biāo)關(guān)聯(lián)的可信度。目標(biāo)關(guān)聯(lián)的一個(gè)重要問題是由于測(cè)量噪聲和多種干擾的影響，測(cè)量值的不確定性容易造成關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤，信息丟失。

無源輻射源信息關(guān)聯(lián)過程如圖2所示。多個(gè)無源探測(cè)平臺(tái)截獲的輻射源信息相互進(jìn)行匹配定位獲得點(diǎn)跡信息。

圖2 多傳感器目標(biāo)關(guān)聯(lián)定位流程圖

已定位目標(biāo)的目標(biāo)關(guān)聯(lián)過程如圖3所示。對(duì)點(diǎn)跡的空間位置關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換關(guān)聯(lián)和解模糊進(jìn)行融合。

圖3 多傳感器定位目標(biāo)關(guān)聯(lián)流程圖

2.1 目標(biāo)屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

無源探測(cè)能夠直接獲取的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息僅包括角度信息。只有找到其他傳感器對(duì)同一個(gè)目標(biāo)的探測(cè)數(shù)據(jù)，才能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行交叉定位、時(shí)差定位，獲得目標(biāo)位置信息。在進(jìn)行定位的過程中會(huì)產(chǎn)生很多虛假定位點(diǎn)，而無源探測(cè)在獲取目標(biāo)角度信息的同時(shí)還可獲取目標(biāo)的載頻、重復(fù)周期、脈寬、到達(dá)時(shí)間、目標(biāo)幅度、目標(biāo)類型等特征信息。因此，在進(jìn)行空間相關(guān)之前，可利用目標(biāo)屬性特征信息進(jìn)行相關(guān)以減少虛假目標(biāo)定位，同時(shí)也減少了后期的目標(biāo)融合的工作量。

目標(biāo)屬性特征包括已識(shí)別輻射源的目標(biāo)類型和目標(biāo)輻射源的信號(hào)參數(shù)(包括載頻、重復(fù)周期、脈寬、信號(hào)幅度、到達(dá)時(shí)間等）。如果屬性特征關(guān)聯(lián)后得不到唯一關(guān)聯(lián)結(jié)果，要再進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)。

理論上，源自同一目標(biāo)的屬性特征是相同的。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于測(cè)量誤差，同一輻射源的屬性特征會(huì)有變化。同時(shí)，由于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，不同的輻射源也有可能存在相似特性。

屬性相關(guān)包括兩種:一種是同一周期輻射源信息的屬性相關(guān)，一種是當(dāng)前周期輻射源信息與歷史周期中已獲得航跡或點(diǎn)跡的目標(biāo)特征值屬性相關(guān)。

2.1.1 目標(biāo)類型關(guān)聯(lián)

無源探測(cè)傳感器對(duì)輻射源信息分別進(jìn)行識(shí)別，對(duì)已識(shí)別的輻射源信息可以采用目標(biāo)類型關(guān)聯(lián)，主要包括3個(gè)層次，如圖4所示。

圖4 輻射源識(shí)別類型關(guān)聯(lián)

在關(guān)聯(lián)過程中，首先依據(jù)目標(biāo)性質(zhì)(敵方、我方、中立、友方、不明）的不同進(jìn)行關(guān)聯(lián)，再按照目標(biāo)類別(空中、海上、地面）關(guān)聯(lián)，最后按目標(biāo)類型(艦船載、潛艇載）進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

如果某個(gè)目標(biāo)屬性空缺，則自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)階段的關(guān)聯(lián)過程，進(jìn)而把關(guān)聯(lián)范圍逐步縮小［3］。

在目標(biāo)識(shí)別過程中，由于識(shí)別也存在誤判，為了防止誤判帶來的關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤，只能依次進(jìn)行打分，在后期通過多個(gè)關(guān)聯(lián)屬性的分值進(jìn)行比較，得到最佳關(guān)聯(lián)。這部分內(nèi)容在最后一節(jié)會(huì)具體描述。

2.1.2 信號(hào)屬性特征關(guān)聯(lián)

信號(hào)屬性特征關(guān)聯(lián)包括載頻特征關(guān)聯(lián)、脈寬特征關(guān)聯(lián)、重復(fù)周期特征關(guān)聯(lián)。在應(yīng)用過程中，計(jì)算當(dāng)前周期檢測(cè)到的每個(gè)輻射源Pi的某個(gè)特征值信息Ki與其他輻射源Pj特征值信息Ki的絕對(duì)偏差Dk，通過比較各個(gè)測(cè)量值的絕對(duì)偏差進(jìn)行排序。根據(jù)順序?qū)γ績(jī)蓚€(gè)輻射源特征參數(shù)關(guān)聯(lián)性進(jìn)行記分，偏差越小分?jǐn)?shù)越高。依次對(duì)所有特征信息進(jìn)行記分，存入?yún)?shù)關(guān)聯(lián)矩陣，見表1。

表1 信號(hào)屬性特征關(guān)聯(lián)矩陣

2.2 數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

對(duì)于由多個(gè)不同探測(cè)平臺(tái)輻射源信息定位獲取的點(diǎn)跡信息，由于各平臺(tái)采用的采樣周期和坐標(biāo)系可能是不同的，所以在進(jìn)行目標(biāo)數(shù)據(jù)融合之前，需要將各個(gè)平臺(tái)轉(zhuǎn)換到同一標(biāo)準(zhǔn)上。

2.2.1 空間轉(zhuǎn)換

空間轉(zhuǎn)換主要采用基于ECEF(大地坐標(biāo)系）的誤差校準(zhǔn)技術(shù)。ECEF 對(duì)于遠(yuǎn)距離誤差校準(zhǔn)比球(極）投影的誤差校準(zhǔn)技術(shù)較準(zhǔn)確。

在前期無源定位過程中，為了便于后期處理的統(tǒng)一性，探測(cè)目標(biāo)都以經(jīng)緯度進(jìn)行記錄。假設(shè)探測(cè)目標(biāo)的地理坐標(biāo)為(lon，lat，hig），其中l(wèi)on 表示經(jīng)度，lat 表示維度，hig 表示海拔高度。ECEF 笛卡兒坐標(biāo)為(xt，yt，zt）。則

C定義為

2.2.2 位置相關(guān)

位置相關(guān)是衡量點(diǎn)跡與航跡預(yù)測(cè)點(diǎn)之間、點(diǎn)跡與點(diǎn)跡之間空間親近程度的運(yùn)算。以一個(gè)參考點(diǎn)為中心，以某種形狀的波門為界限，計(jì)算測(cè)量點(diǎn)與參考點(diǎn)間空間距離是否小于或等于波門長(zhǎng)度。落入波門內(nèi)的測(cè)量點(diǎn)稱為參考點(diǎn)的相關(guān)點(diǎn)，否則稱為不相關(guān)點(diǎn)。

參考點(diǎn)可以是一條航跡的預(yù)測(cè)點(diǎn)，或是上一周期記錄的點(diǎn)跡。而測(cè)量點(diǎn)指當(dāng)前周期錄取到的點(diǎn)跡。波門可以根據(jù)不同的坐標(biāo)系選取不同的表達(dá)式或形狀，如矩形、扇形、圓形。

以參考點(diǎn)為中心，以最小波門、最大波門構(gòu)成雙重界限。當(dāng)測(cè)量點(diǎn)落入兩波門間時(shí)，認(rèn)為兩點(diǎn)跡相關(guān)。假設(shè)為直角坐標(biāo)系，波門形狀為矩形［4］:

式中，△Xmax、△Xmin分別為以最大、最小運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算出的一個(gè)搜索周期的距離，即最大、最小波門，其中最大最小運(yùn)動(dòng)速度與目標(biāo)類型有關(guān)。x為測(cè)量點(diǎn)，x0為參考點(diǎn)。Y 軸含義與X 軸相同。當(dāng)測(cè)量點(diǎn)符合不等式，則認(rèn)為相關(guān)，否則為干擾點(diǎn)。

若存在一個(gè)參考點(diǎn)對(duì)應(yīng)多個(gè)相關(guān)測(cè)量點(diǎn)或多個(gè)參考點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)量點(diǎn)時(shí)，則根據(jù)系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)分配相關(guān)程度權(quán)值，通過綜合考慮多個(gè)相關(guān)權(quán)值選擇最佳相關(guān)點(diǎn)。

2.3 排除模糊

在無源定位的情況下，由于空間信息較少，僅根據(jù)目標(biāo)屬性匹配，很可能發(fā)生匹配錯(cuò)誤的情況，從而造成多個(gè)錯(cuò)誤點(diǎn)跡。在無源定位初期很難判斷出點(diǎn)跡的真實(shí)性，也不能任意舍棄其他可能點(diǎn)跡。因此，在實(shí)現(xiàn)過程中把所有可能的點(diǎn)跡都保存下來，并進(jìn)行點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)，建立關(guān)聯(lián)表，根據(jù)關(guān)聯(lián)表尋找最佳關(guān)聯(lián)點(diǎn)跡。再根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性排除錯(cuò)誤的關(guān)聯(lián)點(diǎn)跡，同時(shí)修改關(guān)聯(lián)表，尋找其他關(guān)聯(lián)可能性。

2.3.1 關(guān)聯(lián)表

首先建立參數(shù)關(guān)聯(lián)表，在關(guān)聯(lián)前期記錄每個(gè)關(guān)聯(lián)可能性的權(quán)值。在后期進(jìn)行最佳相關(guān)的選擇時(shí)，通過權(quán)值加權(quán)來獲取綜合相關(guān)最接近的相關(guān)目標(biāo)。在此，可以采用關(guān)聯(lián)矩陣［5］的方法，如表2所示。

表2 關(guān)聯(lián)矩陣

在矩陣中，T為航跡點(diǎn)或上一周期點(diǎn)跡;D為點(diǎn)跡;pij為Di與Tj之間的綜合相關(guān)接近程度，為之前所有參數(shù)關(guān)聯(lián)分值的加權(quán)和:

其中，X1、X2為前面計(jì)算的相關(guān)接近程度，θ1、θ2為每個(gè)相關(guān)參數(shù)的權(quán)重，可以根據(jù)系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)賦值。關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則如下:點(diǎn)跡與點(diǎn)跡具有多種關(guān)聯(lián)可能，而其中最多只有一種關(guān)聯(lián)可能是成立的。

在無源定位的情況下，干擾的虛假目標(biāo)比較多，真實(shí)目標(biāo)比較少，可以采用以下配對(duì)流程:

首先，把歷史航跡按照航跡質(zhì)量進(jìn)行排序，先給航跡質(zhì)量高的目標(biāo)Ti進(jìn)行配對(duì)，根據(jù)關(guān)聯(lián)矩陣找到權(quán)值p 最高的點(diǎn)跡Dk，配給該航跡;同時(shí)把該點(diǎn)跡Dk剔除出關(guān)聯(lián)矩陣，即該點(diǎn)跡不能再配給其他低質(zhì)量的航跡;

然后，按照航跡質(zhì)量順序依次遍歷，找到對(duì)應(yīng)的最佳關(guān)聯(lián)點(diǎn)跡。當(dāng)一條航跡沒有相關(guān)點(diǎn)時(shí)，錄取預(yù)測(cè)點(diǎn)為該軌跡的新點(diǎn)跡，調(diào)整軌跡質(zhì)量，完成下一周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)［4］。

2.3.2 虛假點(diǎn)跡排除

首先根據(jù)關(guān)聯(lián)表尋找本點(diǎn)跡是否存在航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)，若是不存在就放入等待隊(duì)列，當(dāng)本點(diǎn)跡截獲時(shí)間超過本周期老化時(shí)間時(shí)直接刪除;若是存在則可以通過目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性對(duì)其進(jìn)行篩選。圖5為模糊排除流程圖。

圖5 模糊排除流程圖

通過對(duì)關(guān)聯(lián)歷史點(diǎn)跡的距離差和時(shí)間差計(jì)算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度和加速度。當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度或加速度超過正常目標(biāo)運(yùn)動(dòng)范圍時(shí)(如超過光速）則判定該點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤。根據(jù)關(guān)聯(lián)表尋找是否還存在其他關(guān)聯(lián)情況，若是不存在則放入等待隊(duì)列，當(dāng)點(diǎn)跡的截取時(shí)間已經(jīng)超過本周期老化時(shí)間，則認(rèn)為該點(diǎn)跡為虛假點(diǎn)跡，進(jìn)行刪除。

3 結(jié)束語(yǔ)

多傳感器無源探測(cè)多目標(biāo)跟蹤的一個(gè)關(guān)鍵問題是測(cè)量數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)問題，只有找到各傳感器對(duì)同一目標(biāo)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，才能正確得進(jìn)行融合。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵是要找到系統(tǒng)探測(cè)的規(guī)律，并將目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)模型和系統(tǒng)的量測(cè)模型統(tǒng)一起來。本文從實(shí)際的工程應(yīng)用入手，探尋多傳感器無源探測(cè)系統(tǒng)目標(biāo)相關(guān)的算法。通過對(duì)輻射源目標(biāo)特性進(jìn)行分析，得出基于目標(biāo)屬性參數(shù)、位置的相關(guān)算法，并將其應(yīng)用到目標(biāo)融合中去。

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