戴春華

(海軍駐中國船舶重工集團公司第七二三研究所軍事代表室，江蘇 揚州 225001)

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一種跟蹤掠海飛行小目標(biāo)的雷達(dá)光電融合處理方法

戴春華

(海軍駐中國船舶重工集團公司第七二三研究所軍事代表室，江蘇 揚州 225001)

傳統(tǒng)跟蹤雷達(dá)在跟蹤掠海飛行小目標(biāo)時，容易形成多路徑誤差。提出了一種雷達(dá)光電融合的處理方法，首先采用雷達(dá)進行捕獲，通過處理，提供目標(biāo)距離、初始位置、仰角的初始偏差以及目標(biāo)預(yù)測角等信息，然后光電跟蹤設(shè)備產(chǎn)生光電目標(biāo)測偏信息及目標(biāo)有效信息，最后利用雷達(dá)及光電跟蹤設(shè)備提供的誤差數(shù)據(jù)進行自適應(yīng)行加權(quán)處理，形成角度誤差，輸入功放控制電路完成對掠海飛行小目標(biāo)的跟蹤。

掠海小目標(biāo)；跟蹤雷達(dá)；光電跟蹤；雷達(dá)光電融合

0 引 言

雷達(dá)在跟蹤掠海飛行小目標(biāo)時，雷達(dá)波束直接照射海面，回波信號有可能直接或經(jīng)過海面反射后到達(dá)雷達(dá)接收天線。直接波和反射波相互干涉，引起仰角誤差在幅度和相位上發(fā)生變化，隨著目標(biāo)高度和距離而變化，形成多路徑誤差，這時雷達(dá)接收到的誤差已經(jīng)不能反映目標(biāo)的真實信息。若直接采用這個誤差控制雷達(dá)跟蹤將會造成較大誤差，甚至丟失目標(biāo)[1-3]。艦炮系統(tǒng)中一般采用雷達(dá)和光電不同的探測設(shè)備實現(xiàn)對掠海飛行小目標(biāo)的跟蹤，不同的傳感器有著各自的優(yōu)缺點，寬波束跟蹤雷達(dá)(如X波段)作用距離遠(yuǎn)，捕捉速度快，但抑制多路徑能力較差，跟蹤精度不高；窄波束跟蹤雷達(dá)(如Ka波段)跟蹤精度高，但作用距離近，不易捕獲目標(biāo)；光電傳感器測量精度高，數(shù)據(jù)可靠性高，跟蹤穩(wěn)定，但受氣象條件約束，易受海雜波干擾，無法全天侯工作[4-5]。一般在艦炮武器系統(tǒng)中通常會配備跟蹤雷達(dá)和光電探測設(shè)備，起到互補作用；也有的采用復(fù)合技術(shù)，將不同傳感器配裝在同一部設(shè)備中；但很多傳感器在使用中僅做了優(yōu)化選擇，即在一種傳感器故障或被干擾情況下使用另一種傳感器，沒有完全實現(xiàn)多傳感器的數(shù)據(jù)融合[6-7]。

因此，本文提出了一種對掠海飛行遠(yuǎn)距離小目標(biāo)采用寬波束雷達(dá)進行捕獲的方法，捕獲后采用雷達(dá)光電融合處理進行跟蹤。

1 基本原理

單獨采用雷達(dá)跟蹤無法克服海面反射形成多路徑效應(yīng)造成的誤差波動和失真；單獨采用光電跟蹤易受海雜波干擾，跟錯目標(biāo)、受氣象條件約束，無法全天候工作。通過對二者的融合，充分利用不同傳感器的優(yōu)點，提高對掠海飛行小目標(biāo)的跟蹤精度。

在雷達(dá)指向器上安裝一臺同天線電軸相平行的光電攝像機，2個通道均可以獨立跟蹤。雷達(dá)進行目標(biāo)捕獲，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后即轉(zhuǎn)入跟蹤，測量目標(biāo)跟蹤角誤差；同時光電傳感器測量誤差，分別對2路傳感器數(shù)據(jù)進行濾波和平滑處理，進而對雷達(dá)和光電數(shù)據(jù)進行加權(quán)融合，生成目標(biāo)位置數(shù)據(jù)。若該誤差小于天線指向的最小值，則采用天線指向的最小值作為輸出目標(biāo)角度。根據(jù)信號質(zhì)量進行融合，實現(xiàn)對目標(biāo)的精確跟蹤。具體工作示意圖如圖1所示。

2 雷達(dá)光電融合處理方法

2.1 處理方法

采用雷達(dá)進行捕獲，提供目標(biāo)距離、初始的目標(biāo)位置信息及仰角的初始偏差。

確定天線指向的最小值，即根據(jù)雷達(dá)的天線架高、目標(biāo)距離和飛行的最低高度實時計算出天線指向位置的最小值：

(1)

式中：θ0為天線指向的最小值；h1為天線架高；h2為目標(biāo)飛行的最低高度；R為目標(biāo)至雷達(dá)的斜距。

采用自適應(yīng)變系數(shù)α-β-γ濾波，輸入天線數(shù)據(jù)、誤差數(shù)據(jù)和補償數(shù)據(jù)，將角度量經(jīng)極值變換、搖擺變換、航向變換后在直角坐標(biāo)系中濾波，濾波系數(shù)根據(jù)目標(biāo)距離和目標(biāo)運行速度2個參數(shù)自動變化，濾波生成目標(biāo)預(yù)測直角坐標(biāo)量，再經(jīng)航向正變換、坐標(biāo)正變換和極直變換，變換成目標(biāo)角度和距離量。

濾波過程中濾波時間常數(shù)由目標(biāo)速度和目標(biāo)距離決定的，原則上速度越快，時間常數(shù)越?。凰俣仍铰?，時間常數(shù)越大；距離越遠(yuǎn)，時間常數(shù)越大；距離越近，時間常數(shù)越小。濾波時間常數(shù)和采樣時間決定了濾波參數(shù)α,β,γ值，其算法如下：

(2)

式中：t為采樣時間；T為濾波時間常數(shù)。

(3)

(4)

對海雜波干擾帶來的誤差，采取位置定位，確定光電數(shù)據(jù)是否有效。判斷準(zhǔn)則為：光電波門位置全部高于海面，光電數(shù)據(jù)有效；光電波門中心位置高于海平面，且仰角光電誤差為正時，光電數(shù)據(jù)有效；光電波門中心位置高于海平面，仰角光電誤差數(shù)據(jù)為負(fù)，且天線中心位置與光電誤差和大于0.5 mrad時，光電數(shù)據(jù)有效，見圖2(陰影部分為光電數(shù)據(jù)有效區(qū)域)。

自適應(yīng)權(quán)值數(shù)據(jù)融合，即利用雷達(dá)及光電傳感器提供的誤差數(shù)據(jù)進行加權(quán)處理，形成角度誤差，輸入功放控制電路。在不同跟蹤模式下，根據(jù)距離，通過查表確定雷達(dá)傳感器和光電傳感器誤差的權(quán)值，原則為：

(1) 遠(yuǎn)距離不使用光電數(shù)據(jù)；

(2) 連續(xù)采集20幀數(shù)據(jù)中光電數(shù)據(jù)有效值>80%時，才能使用光電數(shù)據(jù)；

(3) 融合權(quán)值見表1。

表1 光電傳感器、雷達(dá)融合權(quán)值

(5)

式中：Δε為融合后的仰角誤差；ΔεTV為光電通道仰角誤差；ΔεDSP為雷達(dá)通道仰角誤差；KTV為光電數(shù)據(jù)權(quán)值；KDSP為雷達(dá)通道數(shù)據(jù)權(quán)值。

連續(xù)判別天線指向的最小值，對雷達(dá)通道數(shù)據(jù)進行重濾波加補償求得目標(biāo)的仰角位置，對光電傳感器數(shù)據(jù)進行處理得出角誤差值，最后對光電傳感器的數(shù)據(jù)進行自適應(yīng)權(quán)值融合，產(chǎn)生角度誤差經(jīng)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換，輸入功放控制電路。

2.2 處理流程及分析

圖3給出了處理的具體流程圖。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該方法利用不同數(shù)據(jù)源提高了數(shù)據(jù)的可靠性，在傳統(tǒng)跟蹤雷達(dá)的基礎(chǔ)上引用了光電跟蹤技術(shù)，提高了對掠海小目標(biāo)的跟蹤能力，同時在惡劣氣象條件下或者在有海雜波干擾的情況下采用雷達(dá)傳感器作為數(shù)據(jù)補充，最終顯著改善雷達(dá)低角時的跟蹤精度。

3 實驗分析

融合原則為：

(1) 大于8km時不使用光電數(shù)據(jù)；

(2) 連續(xù)采集20幀數(shù)據(jù)中，光電數(shù)據(jù)有效值>80%時，才能使用光電數(shù)據(jù)；

(3) 融合權(quán)值見表3。

表2 不同時刻濾波α、β值

表3 不同距離融合權(quán)值

4 結(jié)束語

本文利用不同數(shù)據(jù)源，在傳統(tǒng)跟蹤雷達(dá)的基礎(chǔ)上引用了光電跟蹤技術(shù)，提高了對掠海小目標(biāo)的跟蹤能力，同時在惡劣氣象條件下或者在有海雜波干擾的情況下采用雷達(dá)傳感器作為數(shù)據(jù)補充，最終顯著改善雷達(dá)低角時的跟蹤精度，特別適用于對掠海飛行目標(biāo)的跟蹤。

[1]TURLEYMDE.Signalprocessingtechniquesformaritimesurveillancewithskywaveradar[C]//2008InternationalConferenceonRadar,2008:241- 246.

[2] 王俊.微弱目標(biāo)信號積累檢測的方法研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),1999.

[3] 吳順君,梅曉春.雷達(dá)信號處理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)[M].1版.北京：電子工業(yè)出版社,2008.

[4] 何友,修建娟,張晶煒,等.雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用[M].1版.北京：電子工業(yè)出版社,2008.

[5] 吳為,陳建文,王永良,陳輝.一種基于動態(tài)規(guī)劃的多目標(biāo)檢測方法[J].空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報,2008,22(1):18- 21.

[6] 孫立宏,王俊.高速運動雷達(dá)弱小目標(biāo)檢測方法研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2008,30(2):258-260.

[7] 吳順君,梅曉春.雷達(dá)信號處理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)[M].1版.北京：電子工業(yè)出版社,2008.

A Radar Photoelectricity Fusion Processing Method for Tracking Small Target Skimming the Sea

DAI Chun-hua

(Naval Representative Office Based in the 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

When traditional tracking radar tracks the small target skimming the sea,multi-path error will generate easily.This paper presents a processing method of radar photoelectricity fusion,firstly uses the radar to capture the target,performs the processing,provides the information of target range,initial position,elevation initial deviation and target prediction angle,etc.,then generates photoelectricity target deviation information and effective information by means of photoelectricity tracking equipment,finally uses the error data from radars and photoelectricity tracking equipments to perform the adaptive row weighting processing to form the angle error,and input power amplification control circuit to perform the tracking to small target skimming the sea.

small target skimming the sea;tracking radar;photoelectricity tracking;radar photoelectricity fusion

2017-03-28

TN95

A

CN32-1413(2017)02-0056-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.02.013