郭新民

(1. 92785部隊(duì),河北 秦皇島 066200；2. 北京理工大學(xué)雷達(dá)技術(shù)研究所,北京 100081)

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面向多傳感器數(shù)據(jù)融合的雷達(dá)顯控終端的設(shè)計(jì)方法

郭新民1,2

(1. 92785部隊(duì),河北 秦皇島 066200；2. 北京理工大學(xué)雷達(dá)技術(shù)研究所,北京 100081)

提出了一種面向多傳感器數(shù)據(jù)融合的雷達(dá)顯控終端的設(shè)計(jì)方法。將雷達(dá)回波錄取、目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤、視頻采集與回放、目標(biāo)屬性識(shí)別等信息顯示集成在一起,將二次雷達(dá)及船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)發(fā)送的識(shí)別結(jié)果與一次雷達(dá)融合處理,輸出目標(biāo)的屬性、航跡、編隊(duì)及敵我身份等信息,提高雷達(dá)的戰(zhàn)場(chǎng)信息感知能力。

顯控終端;數(shù)據(jù)融合;視頻采集

0 引 言

隨著現(xiàn)代電子對(duì)抗技術(shù)的不斷發(fā)展,戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)信息的獲取、傳輸及處理都提出了更高的要求,而雷達(dá)作為對(duì)空海監(jiān)視防御的千里眼必須滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需求[1]。顯控終端是雷達(dá)的重要組成部分,是操作員與雷達(dá)進(jìn)行信息交互的平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)的操控及參數(shù)設(shè)置,顯示雷達(dá)的工作狀態(tài)及一、二次目標(biāo)信息。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展,顯控終端經(jīng)歷了從模擬終端、模數(shù)混合終端到數(shù)字終端的發(fā)展過(guò)程[2]。為滿足顯控終端不斷發(fā)展的需要,本文提出了一種面向多傳感器數(shù)據(jù)融合的顯控終端設(shè)計(jì)方法。經(jīng)理論分析及實(shí)際應(yīng)用表明,該顯控終端可提供全面的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息,可靠性高,適應(yīng)性好,具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 功 能

本文設(shè)計(jì)的雷達(dá)顯控終端主要用于完成以下功能:

(1) 雷達(dá)操控、開機(jī)自檢、狀態(tài)監(jiān)控與報(bào)警;

(2) 電子海圖以及一、二次目標(biāo)信息顯示;

(3) 目標(biāo)屬性、操控指令、工作狀態(tài)、故障檢測(cè)等信息的顯示與存儲(chǔ);

(4) 目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)、關(guān)聯(lián)濾波、外推及補(bǔ)點(diǎn)跟蹤等數(shù)據(jù)處理[3];

(5) 一次雷達(dá)與二次雷達(dá)及AIS的目標(biāo)航跡處理、關(guān)聯(lián)及融合;

(6) 目標(biāo)航跡的存儲(chǔ)、視頻采集與回放;

(7) 模擬雷達(dá)回波信號(hào),完成終端自檢、調(diào)試以及培訓(xùn)操作員等功能。

2 雷達(dá)顯控終端的設(shè)計(jì)

顯控終端主要由電子機(jī)箱、顯示器及外圍操控設(shè)備等組成,其中電子機(jī)箱分為人機(jī)交互單元和航跡處理單元兩個(gè)部分。人機(jī)交互單元主要實(shí)現(xiàn)操作員對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的操控、狀態(tài)監(jiān)控與報(bào)警、顯示處理、視頻采集與回放等功能。航跡處理單元主要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)回波信號(hào)的檢測(cè)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與跟蹤、多傳感器數(shù)據(jù)融合等功能。顯控終端工作原理如圖1所示,其中各功能模塊之間傳輸?shù)男畔⒅饕袛?shù)據(jù)流、操作流和狀態(tài)流。

圖1 顯控終端工作原理框圖

2.1 人機(jī)接口單元

人機(jī)接口單元由CPU、信號(hào)分配、綜合顯示、視頻采集回放、雙冗余網(wǎng)絡(luò)、同步串口、異步串口和網(wǎng)絡(luò)交換等模塊組成,其內(nèi)部數(shù)據(jù)流程圖如圖2所示。

圖2 人機(jī)接口單元數(shù)據(jù)流程圖

信號(hào)分配模塊由FPGA芯片及外圍元件等組成,主要用于:

(1) 接收終端的各項(xiàng)控制信息;

(2) 接收主機(jī)的時(shí)碼信息,完成時(shí)統(tǒng)對(duì)時(shí);

(3) 接收信號(hào)處理分機(jī)發(fā)送的空/海視頻和零距離脈沖以及伺服分機(jī)發(fā)送的方位角信息,處理后分配給航跡處理單元、綜合顯示模塊及視頻采集回放模塊。

如圖3所示,綜合顯示模塊是顯控終端的顯示處理中心,一方面將數(shù)字回波信號(hào)與數(shù)字方位信號(hào)進(jìn)行坐標(biāo)變換處理,生成P顯全景圖像及微B顯圖像;另一方面接收雷達(dá)參數(shù)設(shè)置信息、狀態(tài)監(jiān)控與報(bào)警信息及其他操控信息,將這些信息分層顯示。

圖3 綜合顯示終端圖

視頻采集回放模塊由CPU、采集回放及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等模塊組成,可根據(jù)操控指令切換實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)或回放視頻數(shù)據(jù)的輸出。視頻采集回放模塊可以實(shí)時(shí)地記錄顯示器的視頻信息,按照MPEG4格式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊上,并可實(shí)時(shí)地從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊讀取視頻存儲(chǔ)數(shù)據(jù),解壓并且回放到顯示器上,重現(xiàn)雷達(dá)訓(xùn)練或試驗(yàn)時(shí)的雷達(dá)數(shù)據(jù),為專家進(jìn)行事后數(shù)據(jù)分析提供保障。

2.2 航跡處理單元

航跡處理單元由數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及電源等模塊組成,其中數(shù)據(jù)處理模塊由接口交換、檢測(cè)凝聚、航跡處理等部分組成。檢測(cè)凝聚模塊和航跡處理模塊的硬件設(shè)計(jì)完全一致,采用X86CPU和FPGA聯(lián)合處理的架構(gòu)。CPU模塊負(fù)責(zé)復(fù)雜的算法實(shí)現(xiàn)。FPGA模塊實(shí)現(xiàn)并行處理算法。這種構(gòu)架具有處理能力強(qiáng)、任務(wù)分配簡(jiǎn)單、易于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn),處理模塊間采用串行RapidIO和以太網(wǎng)的形式互聯(lián)以實(shí)現(xiàn)高速傳遞數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)對(duì)目標(biāo)航跡的處理以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。目標(biāo)航跡處理包括航跡的建立、目標(biāo)航跡和雷達(dá)獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)處理、航跡的濾波、預(yù)測(cè)及終止[4]。航跡相關(guān)算法首先判斷本次獲取的觀測(cè)是否在航跡的相關(guān)波門之內(nèi),然后將相關(guān)波門內(nèi)的觀測(cè)和航跡進(jìn)行正確配對(duì)。航跡預(yù)測(cè)是在本次航跡濾波值的基礎(chǔ)上根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型來(lái)估計(jì)目標(biāo)未來(lái)的狀態(tài)。濾波用來(lái)估計(jì)目標(biāo)當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)參數(shù),把本次相關(guān)的觀測(cè)和預(yù)測(cè)航跡估計(jì)合并處理形成新的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)[5]。本文采用Kalman濾波算法進(jìn)行航跡的濾波和預(yù)測(cè),能較為準(zhǔn)確地得到目標(biāo)的位置信息。數(shù)據(jù)處理模塊流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)融合模塊主要將二次雷達(dá)與AIS發(fā)送的目標(biāo)數(shù)據(jù)信息與一次雷達(dá)的目標(biāo)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、航跡關(guān)聯(lián)及航跡融合等處理,綜合顯示目標(biāo)的屬性信息。對(duì)空目標(biāo)輸出一次雷達(dá)與二次雷達(dá)的數(shù)據(jù)融合結(jié)果,對(duì)海目標(biāo)輸出一次雷達(dá)與AIS的數(shù)據(jù)融合結(jié)果。數(shù)據(jù)融合模型如圖5所示。

圖5 多傳感器數(shù)據(jù)融合模型

由于一次雷達(dá)、二次雷達(dá)及AIS三者對(duì)目標(biāo)的觀測(cè)時(shí)間和空間基準(zhǔn)點(diǎn)不同,因而為便于進(jìn)行數(shù)據(jù)信息融合,應(yīng)先對(duì)輸出的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換和時(shí)間對(duì)準(zhǔn)等處理。數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵是航跡關(guān)聯(lián),即判斷來(lái)自兩個(gè)傳感器的兩條目標(biāo)航跡是否為同一個(gè)目標(biāo),即解決空間覆蓋區(qū)域中的重復(fù)跟蹤問(wèn)題,經(jīng)航跡關(guān)聯(lián)檢驗(yàn)確定是同一目標(biāo)的航跡可進(jìn)行航跡融合處理,得到目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)。航跡融合的主要方法是基于統(tǒng)計(jì)加權(quán)估計(jì),將雷達(dá)測(cè)量的目標(biāo)位置信息與二次雷達(dá)/AIS接收的目標(biāo)位置信息按精度加權(quán)合并,從而提高了航跡精度。

3 結(jié)束語(yǔ)

在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中,雷達(dá)工作的電磁環(huán)境日趨復(fù)雜,電磁脈沖密度越來(lái)越高,信號(hào)形式復(fù)雜多樣,對(duì)雷達(dá)的各項(xiàng)功能及指標(biāo)的要求也越來(lái)越高,面向多傳感器數(shù)據(jù)融合的顯控終端是未來(lái)雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)[6]。本文提出的顯控終端設(shè)計(jì)方法充分利用目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤、多傳感器數(shù)據(jù)融合、視頻采集與回放等研究成果。經(jīng)外場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試及實(shí)際應(yīng)用表明,該顯控終端可有效地將二次雷達(dá)及AIS等裝備提供的數(shù)據(jù)信息與一次雷達(dá)的目標(biāo)信息融合后準(zhǔn)確顯示目標(biāo)屬性信息,實(shí)現(xiàn)軍用飛機(jī)的目標(biāo)引導(dǎo)及監(jiān)視、民航的空中交通管制、重點(diǎn)海域艦船的態(tài)勢(shì)顯示等功能,且具有良好的人機(jī)界面環(huán)境,可為指揮員提供較為直觀、全面的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息,能大幅度提高雷達(dá)的戰(zhàn)場(chǎng)信息感知能力,代表了未來(lái)雷達(dá)顯控終端的發(fā)展方向。

[1] 張樂(lè)鋒,虞華.信息化雷達(dá)顯控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代雷達(dá),2009(8):33-38.

[2] 丁鷺飛,耿富錄,陳建春.雷達(dá)原理[M].5版.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2013:392-393.

[3] 王凱,孫立國(guó),李世丹,等.信息化雷達(dá)遠(yuǎn)程顯控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].信息與電子工程,2011(1):12-16.

[4] Merrill I Skolnik. 雷達(dá)手冊(cè)[M].3版.北京:電子工業(yè)出版社, 2010:461-462.

[5] 吳順君.雷達(dá)信號(hào)處理與數(shù)據(jù)處理技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2008:329-330.

[6] 宋銳,張靜,夏勝平,等.基于通用微機(jī)的數(shù)字化雷達(dá)顯控終端實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2003(5):745-748.

Design of radar display and control terminal based on multi-sensor data fusion

GUO Xin-min1,2

(1. Unit 92785 of the PLA, Qinhuangdao 066200, China;2.Radar Technology Research Institute of Beijing Institute of Technology, Beijing 100081)

A radar display and control terminal is designed based on the multi-sensor data fusion. The radar echo extraction, target detection and tracking, video collection and playback, target attribute identification information are displayed and integrated, and the identification results from the secondary radar and the automatic identification system (AIS) are fused with those from the primary radar to output the attributes, tracks, formation and friend-or-foe identities of the targets, which can greatly improve the information awareness ability of the radar on the battlefield.

display and control terminal; data fusion; video collection

2016-09-10;

2016-09-22

郭新民(1984-),男,工程師,在讀碩士,研究方向:雷達(dá)信號(hào)處理。

TN87

A

1009-0401(2016)04-0053-03