，

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥 230088)

0 引言

不同體制、不同波段的雷達(dá)都存在一些未知源回波，即仙波。早期的研究者認(rèn)為仙波是由鳥類或昆蟲引起[1]的。但在很多“好天氣”情況下，根據(jù)視覺觀察卻并沒有發(fā)現(xiàn)這些鳥類或昆蟲存在。研究者將這種非鳥類或昆蟲的仙波稱為“好天氣”仙波[2-3]，這種仙波大多出現(xiàn)在春夏兩季，在我國，大多分布在東南沿海一帶。文獻(xiàn)[2-3]認(rèn)為這些“好天氣”仙波是由于近地大氣層的溫度分布不均勻引起大氣湍流而形成的。初步研究表明，大氣濕度大或水蒸氣密度大應(yīng)該是仙波形成的一個(gè)必要條件；仙波沿海岸線分布較多，這與海陸交界處存在很大的溫度梯度密切相關(guān)，這說明空氣對(duì)流明顯也是仙波形成的一個(gè)條件。

基于對(duì)仙波回波信號(hào)特征分析，通過優(yōu)化目標(biāo)檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)仙波的抑制，是理論上研究仙波抑制的常用思路，但在工程實(shí)踐上抑制效果不佳；采用雷達(dá)目標(biāo)數(shù)據(jù)處理方法，結(jié)合目標(biāo)點(diǎn)跡特征參數(shù)，通過對(duì)仙波空間分布統(tǒng)計(jì)、仙波目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性分析和仙波點(diǎn)跡質(zhì)量等級(jí)的綜合應(yīng)用，來抑制仙波目標(biāo)虛假航跡的產(chǎn)生。近年來，雷達(dá)軟件化、精細(xì)化和參數(shù)化設(shè)計(jì)程度越來越高，在信號(hào)處理、點(diǎn)跡處理和數(shù)據(jù)處理等處理流程中都專門進(jìn)行了仙波回波點(diǎn)跡特性和仙波運(yùn)動(dòng)特征的分析處理，取得了很好的工程應(yīng)用效果，這些成果解決了航管雷達(dá)全程全自動(dòng)超始跟蹤和極低虛假航跡率的系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題，在工程應(yīng)用上具有重要參考價(jià)值。

1 仙波成因初步分析

一般來說，仙波一方面跟大氣的濕度梯度有關(guān)，另一方面也受熱對(duì)流的影響。

1.1 大氣濕度對(duì)仙波形成的影響

按照文獻(xiàn)[3-4]的結(jié)論，空氣中不同層之間的折射率相對(duì)改變量Δn可由溫度梯度ΔT和濕度梯度Δe表示為

Δn·106=-1.4×ΔT+4.0×Δe

(1)

由式(1)可見，空氣中的濕度梯度越大，折射率正改變量越大；溫度梯度越大，折射率負(fù)改變量越大，兩者對(duì)折射率的變化起相反的作用。當(dāng)濕度梯度較大時(shí)對(duì)折射率起主導(dǎo)作用。

回波功率發(fā)射系數(shù)可用濕度梯度表示：

(2)

即功率發(fā)射系數(shù)與濕度梯度平方成正比。可見濕度梯度越大，回波功率越大。在春夏兩季，近海處的空氣濕度越大，不同空氣層間的梯度也大，雷達(dá)回波的功率也大，故仙波顯著增多。

1.2 海陸交界對(duì)仙波形成的影響

在海陸交界處白天光照條件下，由于陸地和海水比熱的不同，兩者升溫速度不一。陸地升溫快，而海水升溫速度慢，結(jié)果是陸地的溫度T1大于海水溫度T2，這樣陸地空氣受熱上升的程度大大超過海面空氣受熱上升的程度，而在陸海交界處形成一真空泵，迫使海面的空氣向陸地方向流動(dòng)，而海面上空的空氣又補(bǔ)充過來，從而形成對(duì)流(富含水蒸氣)。在天氣晴朗且無多大風(fēng)的情況下，這個(gè)對(duì)流會(huì)不斷進(jìn)行下去。

在夜間，情況正好相反。由于海水降溫速度慢，陸地降溫速度快，陸地的溫度T1小于海水溫度T2。近海空氣在海水余溫的加熱下上升，而將陸地上空的空氣補(bǔ)充過來，形成了對(duì)流。只要海水溫度與陸地溫度有差別，這個(gè)對(duì)流也會(huì)一直進(jìn)行下去，這個(gè)對(duì)流也富含水蒸氣。一個(gè)旋轉(zhuǎn)的富含水汽的氣團(tuán)本質(zhì)就是一團(tuán)旋轉(zhuǎn)的云，雷達(dá)回波會(huì)大大增強(qiáng)，這很可能是沿海岸線仙波比較密集且不分晝夜的原因。

2 仙波航跡抑制處理

根據(jù)對(duì)仙波成因分析，結(jié)合實(shí)際采集的仙波回波和點(diǎn)跡數(shù)據(jù)，可以得到下面3個(gè)統(tǒng)計(jì)結(jié)論：

1) 仙波點(diǎn)跡質(zhì)量相對(duì)較低；

2) 仙波航跡多批次出現(xiàn)(同一時(shí)間段內(nèi))，且在航向上具有一致性；

3) 仙波航跡速度變化范圍固定，大部分仙波航跡速度范圍為[0，100]m/s。

從數(shù)據(jù)處理角度上來說，這些統(tǒng)計(jì)結(jié)論基本涵蓋了仙波點(diǎn)跡特性和仙波航跡特性，下面具體介紹各個(gè)統(tǒng)計(jì)結(jié)論在抑制仙波航跡處理中的應(yīng)用。

2.1 點(diǎn)跡質(zhì)量等級(jí)評(píng)估

綜合相關(guān)文獻(xiàn)[4-6]，一般選取點(diǎn)跡雜波背景屬性、點(diǎn)跡方位寬度、點(diǎn)跡距離寬度、點(diǎn)跡EP等級(jí)(回波點(diǎn)跡數(shù))、點(diǎn)跡信噪比(點(diǎn)跡幅度)等特性參數(shù)參與點(diǎn)跡質(zhì)量等級(jí)評(píng)估模型的計(jì)算。根據(jù)各個(gè)點(diǎn)跡特性參數(shù)分布特點(diǎn)，采用不同隸屬度函數(shù)計(jì)算其對(duì)點(diǎn)跡質(zhì)量的貢獻(xiàn)度，再綜合加權(quán)不同點(diǎn)跡特性參數(shù)的貢獻(xiàn)度，最終得到點(diǎn)跡質(zhì)量等級(jí)。

1) 正態(tài)型分布的函數(shù)形式為

(3)

式中，σk為對(duì)應(yīng)模糊集A中第k個(gè)因素的展度，τk為調(diào)整度，其值通過仿真確定。

2) 居中型分布的函數(shù)形式為

(4)

式中，σk為對(duì)應(yīng)模糊集A中第k個(gè)因素的展度，τk為調(diào)整度，其值通過仿真確定。

設(shè)PQuality為點(diǎn)跡質(zhì)量等級(jí)，則有

PQuality=α1×QACM+α2×QAw+α3×QRw+

α4×QEP+α5×QSN

(5)

點(diǎn)跡質(zhì)量等級(jí)直接影響目標(biāo)起始準(zhǔn)則的選取。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，仙波點(diǎn)跡質(zhì)量等級(jí)比正常目標(biāo)點(diǎn)跡質(zhì)量等級(jí)要低，系統(tǒng)可配置仙波點(diǎn)跡質(zhì)量等級(jí)門限QAngel，此作為仙波航跡判別依據(jù)之一。

2.2 仙波航跡空間分布與運(yùn)動(dòng)模型

仙波航跡速度變化范圍相對(duì)固定，其最大速度一般不超過100 m/s，但最小速度可以很小。在工程設(shè)計(jì)中可通過設(shè)置雷達(dá)系統(tǒng)目標(biāo)跟蹤速度范圍——最小速度來過濾低于門限的慢速目標(biāo)(也包括慢速的仙波航跡)；系統(tǒng)配置最大的仙波航跡速度maxVAngel作為仙波航跡允許的最大速度門限，此速度門限作為仙波航跡判別依據(jù)之一。

仙波航跡在航向分布上存在一致性，這是仙波航跡出現(xiàn)時(shí)最明顯的空間分布特征。通?？蓪⒑较蚩臻g按照S16(16等分，航向間隔22.5°)或S32(32等分，航向間隔11.25°)劃分子空間，應(yīng)用仙波點(diǎn)跡質(zhì)量等級(jí)門限QAngel、仙波航跡速度門限maxVAngel等對(duì)統(tǒng)計(jì)每個(gè)航向子空間中的疑似仙波航跡數(shù)，再結(jié)合仙波狀態(tài)確認(rèn)門限FAngel-Confirm(判別幀數(shù)門限)、仙波航跡確認(rèn)門限NAngel-Confirm(航向子空間中疑似仙波航跡數(shù)量門限)等進(jìn)行仙波航跡識(shí)別，最后根據(jù)識(shí)別結(jié)果采取抑制處理。

2.3 仙波航跡抑制處理

仙波航跡抑制處理貫穿于雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)全流程設(shè)計(jì)中。在目標(biāo)起始[7]、航跡跟蹤維持、雷達(dá)顯示、情報(bào)上報(bào)和參數(shù)化設(shè)計(jì)等處理過程中，對(duì)仙波抑制的處理內(nèi)容和方法均不相同，下面分別進(jìn)行敘述。

1) 目標(biāo)起始

在目標(biāo)全自動(dòng)起始處理過程中，對(duì)仙波航跡的抑制處理主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是根據(jù)仙波點(diǎn)跡質(zhì)量等級(jí)低的特點(diǎn)，自適應(yīng)調(diào)整起始準(zhǔn)則，延緩或者摒棄仙波航跡的起始；另一方面是通過系統(tǒng)設(shè)置的目標(biāo)最小起始速度門限，直接禁止低速的仙波航跡起始。通常情況下，通過上述方法的過濾處理，部分仙波形成不了航跡，在起始階段直接就抑制掉了，其他能正常形成航跡的仙波交由航跡跟蹤維持進(jìn)行進(jìn)一步抑制處理。

2) 航跡跟蹤維持

航跡狀態(tài)更新后，首先確定航跡所處的航向子空間，再通過仙波點(diǎn)跡質(zhì)量等級(jí)門限QAngel、仙波航跡速度門限maxVAngel等門限條件下的篩選統(tǒng)計(jì)，確定疑似仙波航跡數(shù)；最后根據(jù)仙波狀態(tài)確認(rèn)門限FAngel-Confirm(判別幀數(shù)門限)、仙波航跡確認(rèn)門限NAngel-Confirm等準(zhǔn)則進(jìn)行仙波航跡識(shí)別并進(jìn)行標(biāo)記，被標(biāo)記的仙波航跡在雷達(dá)顯示和情報(bào)上報(bào)中作特殊處理。

3) 雷達(dá)顯示

雷達(dá)顯示對(duì)仙波航跡的特殊處理包括顯示控制、獨(dú)立的標(biāo)牌顯示(顏色和標(biāo)牌內(nèi)容與正常航跡不一樣)。即在雷達(dá)顯示畫面上，操作員可根據(jù)需要顯示或不顯示仙波航跡；另外，仙波航跡標(biāo)牌顏色、歷史航跡點(diǎn)顏色、上報(bào)狀態(tài)顯示等可由操作員個(gè)性化設(shè)置。

4) 情報(bào)上報(bào)

系統(tǒng)可配置仙波航跡缺省是上報(bào)還是不上報(bào)，情報(bào)處理依據(jù)系統(tǒng)配置決定是否將仙波航跡上報(bào)給上級(jí)指揮所；同時(shí)也可根據(jù)操作員要求上報(bào)指定的仙波航跡。

5) 參數(shù)化設(shè)計(jì)

仙波產(chǎn)生的機(jī)理比較復(fù)雜，仙波表現(xiàn)出來的信號(hào)特征、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征等還需要進(jìn)一步分析、研究。為適應(yīng)一些未知仙波抑制處理的需要，結(jié)合航管雷達(dá)、情報(bào)警戒雷達(dá)等對(duì)異?？涨樘幚硪蟛煌?用戶需求不同)，對(duì)仙波抑制處理全過程進(jìn)行精細(xì)化、參數(shù)化設(shè)計(jì)，形成一套仙波抑制處理的優(yōu)化參數(shù)(如表1所示)，操作員根據(jù)作戰(zhàn)需求和陣地條件進(jìn)行靈活設(shè)置。

表1 仙波處理優(yōu)化參數(shù)表

3 實(shí)際雷達(dá)應(yīng)用效果

某型航管雷達(dá)于2014年10月—2016年1月期間在黃海某雷達(dá)陣地進(jìn)行試驗(yàn)、試用工作。該雷達(dá)陣地三面環(huán)海，剩下一面正對(duì)城市建筑和高山，雷達(dá)面臨的海雜波和城市強(qiáng)地物雜波比較嚴(yán)重，該型號(hào)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用了上述仙波抑制處理方法。雷達(dá)在試驗(yàn)期間24 h連續(xù)工作，航跡跟蹤處于全程全自動(dòng)工作狀態(tài)。在雷達(dá)試驗(yàn)1年多的時(shí)間里，多次發(fā)現(xiàn)仙波航跡，雷達(dá)系統(tǒng)完整地記錄了這些數(shù)據(jù)，通過對(duì)雷達(dá)跟蹤畫面的觀察和數(shù)據(jù)分析，可以看出這種仙波抑制處理方法在該型雷達(dá)上得到成功應(yīng)用，取得了很好的仙波抑制效果。本文選取了一次最具代表性的仙波航跡跟蹤畫面(如圖1所示)，通過跟蹤畫面可以很清晰地看到實(shí)際仙波抑制情況。

圖1為該型雷達(dá)自動(dòng)識(shí)別并過濾出仙波航跡的實(shí)際跟蹤畫面。探測(cè)該仙波時(shí)雷達(dá)基本情況如下：

1) 架設(shè)位置：某海域岸邊，站高30 m(包括塔高)；

2) 探測(cè)時(shí)間段：晚上8點(diǎn)左右(2015年12月24日)；

3) 雷達(dá)錄取方式：全程全自動(dòng)起始/自動(dòng)跟蹤；

4) 每幀點(diǎn)跡數(shù)(包括剩余點(diǎn)跡)：220點(diǎn)左右。

其中，T018，T020，T023，T028，T045，T062，T063等7批為仙波航跡，系統(tǒng)在自動(dòng)起始T023目標(biāo)3幀后自動(dòng)識(shí)別出仙波航跡，并進(jìn)行有效標(biāo)注。

4 結(jié)束語

(a)雷達(dá)實(shí)際跟蹤畫面

采用數(shù)據(jù)處理方法在工程上可以有效地抑制仙波虛假航跡的產(chǎn)生，通過增加積累幀數(shù)，也可以提高仙波航跡識(shí)別率。但是最好的仙波航跡抑制處理方法還是要結(jié)合雷達(dá)信號(hào)處理、點(diǎn)跡處理和數(shù)據(jù)處理等進(jìn)行聯(lián)合處理，研究仙波點(diǎn)跡特性參數(shù)與正常目標(biāo)點(diǎn)跡特性參數(shù)的差異，結(jié)合陣地優(yōu)化參數(shù)和必要的距離方位圖(RAG)來進(jìn)一步提高仙波航跡抑制處理效果。另外，對(duì)仙波航跡的抑制處理也會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)低慢小目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤，需要在后續(xù)工作中進(jìn)一步完善算法模型。

(b)過濾出來的仙波航跡圖1 某雷達(dá)仙波抑制處理效果圖

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