四川九洲空管科技有限責(zé)任公司 何 川 李 璐

二次監(jiān)視雷達(dá)目標(biāo)點(diǎn)跡分裂分析與凝聚方法

四川九洲空管科技有限責(zé)任公司 何 川 李 璐

二次監(jiān)視雷達(dá)點(diǎn)跡凝聚是二次監(jiān)視雷達(dá)信號(hào)處理的重要組成部分，合適的點(diǎn)跡凝聚方法，能有效的提高目標(biāo)距離、方位探測(cè)精度。但是在復(fù)雜的情況影響下，會(huì)產(chǎn)生目標(biāo)分裂狀況，對(duì)后續(xù)的航跡處理跟蹤的準(zhǔn)確性產(chǎn)生直接影響，對(duì)二次監(jiān)視雷達(dá)的探測(cè)效果產(chǎn)生較大的影響，不利于監(jiān)視人員掌握空勤狀況。因此本文將分析二次雷達(dá)點(diǎn)跡分裂的原因及解決該問(wèn)題的方法。

二次監(jiān)視雷達(dá)；點(diǎn)跡分裂；點(diǎn)跡凝聚

1.引言

在空中交通管制系統(tǒng)中，單脈沖航管二次監(jiān)視雷達(dá)可提供合作目標(biāo)的方位、距離、高度和識(shí)別屬性等新息。由于探測(cè)距離遠(yuǎn)、測(cè)量精度高、獲取信息多等優(yōu)點(diǎn)，航管二次雷達(dá)成為空中交通管制重要的感知系統(tǒng)和決策依據(jù)。然而，隨著航空運(yùn)輸業(yè)的飛速發(fā)展，飛行密度日益增加，給航管二次雷達(dá)測(cè)量質(zhì)量提出了更高的要求[1]。更加復(fù)雜的電磁環(huán)境也給航管二次雷達(dá)的信號(hào)及數(shù)據(jù)處理帶來(lái)的新的挑戰(zhàn)。

在單脈沖二次監(jiān)視雷達(dá)設(shè)備中，點(diǎn)跡提起器（Plot Extractor）是各種類、各廠商航管二次雷達(dá)不可缺少的組成部分，它的主要功能是：凝聚目標(biāo)的距離、方位，計(jì)算目標(biāo)的識(shí)別代碼（M3/A、MC、MS代碼）等信息。點(diǎn)跡凝聚的處理精度及能力是二次監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。圖1給出了一般情況下，工程應(yīng)用中的點(diǎn)跡凝聚處理的框圖。

圖1 二 次雷達(dá)點(diǎn)跡處理框圖

常用的點(diǎn)跡凝聚方法在復(fù)雜的地形及各種干擾影響下，會(huì)產(chǎn)生目標(biāo)分裂情況，對(duì)二次雷達(dá)的效果產(chǎn)生極大的影響。本文介紹的點(diǎn)跡凝聚的基本概念，并且通過(guò)對(duì)目標(biāo)分裂現(xiàn)象的分析, 提出一種適合二次監(jiān)視雷達(dá)的點(diǎn)跡凝聚方法,以抑制目標(biāo)分裂現(xiàn)象的發(fā)生, 提高雷達(dá)跟蹤目標(biāo)的準(zhǔn)確性[2]。

2.點(diǎn)跡分裂分析

2.1 點(diǎn)跡分裂的定義

所謂目標(biāo)分裂是指雷達(dá)對(duì)同一目標(biāo)的一次掃掠過(guò)程中，目標(biāo)機(jī)的應(yīng)答信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理后表現(xiàn)為兩個(gè)或兩個(gè)以上目標(biāo)的現(xiàn)象,也就是說(shuō)二次雷達(dá)把同一個(gè)目標(biāo)判成幾個(gè)目標(biāo)。目標(biāo)分裂又可分為方位上分裂和距離上分裂兩種。方位分裂是指某一目標(biāo)在同一距離, 不同方位上被判為多個(gè)目標(biāo); 距離分裂是指某一目標(biāo)在同一方位, 不同距離上被判為多個(gè)目標(biāo)。目標(biāo)的分裂可只在距離或方位上出現(xiàn), 也可同時(shí)在方位和距離上出現(xiàn)[2-3]。

2.2 距離分裂的原因分析

二次雷達(dá)原始應(yīng)答信號(hào)在進(jìn)行點(diǎn)跡凝聚之前，需要進(jìn)行框架檢測(cè)、脈沖前沿后沿檢測(cè)、6dB檢測(cè)，用于提取目標(biāo)的量化幅度及量化距離。ICAO附件10中的應(yīng)答器標(biāo)準(zhǔn)定義了應(yīng)答脈沖的前沿時(shí)間位置，其定義為應(yīng)答器應(yīng)答調(diào)制信號(hào)前沿的半壓點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間。ICAO附件10所允許的應(yīng)答機(jī)應(yīng)答脈沖持續(xù)時(shí)間在0.35-0.55us范圍內(nèi)，任何持續(xù)時(shí)間超過(guò)最大的0.55us的脈沖都可能是2個(gè)脈沖。所以當(dāng)兩個(gè)應(yīng)答脈沖發(fā)生疊加時(shí)，脈沖寬度就會(huì)大于0.55us，脈沖應(yīng)答信號(hào)真實(shí)的前沿（ALE）被檢測(cè)出來(lái)，根據(jù)二次雷達(dá)信號(hào)處理的脈沖后沿反推檢測(cè)規(guī)則，會(huì)出現(xiàn)偽前沿（PLE）也被檢測(cè)出來(lái)[4-5]。

在設(shè)備連續(xù)波干擾、多路徑反射、異步應(yīng)答干擾、遠(yuǎn)距離信號(hào)幅度迅速衰落等情況時(shí)，甚至在某些時(shí)候會(huì)出現(xiàn)3個(gè)或以上應(yīng)答前沿的情況，那么在臨近的距離單元會(huì)出現(xiàn)大量的虛假應(yīng)答。

由于現(xiàn)代二次雷達(dá)的測(cè)距精度及分辨力指標(biāo)要求是相對(duì)很高一般是約幾十米，甚至更低，大多數(shù)的凝聚處理使用的距離凝聚窗都很小，因此由于距離因素引起的點(diǎn)跡分裂更易產(chǎn)生。距離上目標(biāo)分裂示意圖如圖5所示。

圖2 距離目標(biāo)分裂示意圖

2.3 方位分裂原因分析

在2.1章節(jié)中已經(jīng)說(shuō)明了，安裝機(jī)械式天線的二次監(jiān)視雷達(dá)工作時(shí)，天線連續(xù)旋轉(zhuǎn)對(duì)周圍空域進(jìn)行掃描時(shí)，能夠在方位上獲取同一目標(biāo)掃描的N個(gè)應(yīng)答信號(hào), 這些回波經(jīng)信號(hào)處理后形成目標(biāo)原始點(diǎn)跡，攜帶目標(biāo)的方位、距離、識(shí)別代碼、信號(hào)幅度等信息[2]。如果同一個(gè)目標(biāo)在方位上的應(yīng)答因?yàn)槟承┰蜷g斷性或者連續(xù)性丟失，一旦丟失程度達(dá)到目標(biāo)結(jié)束原則時(shí)，就會(huì)造成目標(biāo)在方位上的分裂。

下面是幾個(gè)情況是造成目標(biāo)丟失的可能原因：

a）詢問(wèn)應(yīng)答信號(hào)之間的傳播路徑上的地物遮擋；

b）應(yīng)答機(jī)應(yīng)答率限制；

c）機(jī)載設(shè)備的相互抑制；

d）上下天線切換的限制；

e）異步干擾（FRUIT）；

f）應(yīng)答脈沖信號(hào)的重疊；

方位目標(biāo)分裂示意圖如圖3所示。

圖3 方位目標(biāo)分裂示意圖

在大多數(shù)情況下，點(diǎn)跡分裂是有距離和方位上的綜合因素造成的。如圖4所示。

圖4 常見(jiàn)的目標(biāo)分裂情況

3.深度強(qiáng)相關(guān)和點(diǎn)跡間相關(guān)方法解決點(diǎn)跡分裂問(wèn)題

在常規(guī)的點(diǎn)跡凝聚方法的基礎(chǔ)上，新增加了深度強(qiáng)相關(guān)和點(diǎn)跡間相關(guān)的方法，既保證了目標(biāo)的分辨能力，也一定程度上處理了二次雷達(dá)點(diǎn)跡分裂的問(wèn)題。方法基本流程圖如圖5所示。

圖5 點(diǎn)跡凝聚方法的基本流程圖

3.1 小門(mén)限凝聚（窄門(mén)限寬準(zhǔn)則凝聚）

常規(guī)的方法采用距離和方位分別一次凝聚的方法，而該方法距離方位同時(shí)凝聚。并且由于該二次雷達(dá)采用單脈沖測(cè)角體制，測(cè)角的精度要求高，在兼并考慮分辨力的前提下，采用小距離-方位窗進(jìn)行相關(guān)。

當(dāng)點(diǎn)跡凝聚收到攜帶距離、方位、和差幅度值、相位、代碼信息的應(yīng)答信號(hào)后，如果該應(yīng)答是首次應(yīng)答，則創(chuàng)建一個(gè)候選點(diǎn)跡群組（candidate plot group），等待后續(xù)應(yīng)答信號(hào)與之相關(guān)。如果該點(diǎn)不是首次應(yīng)答則和所有已經(jīng)存在的候選點(diǎn)跡群組進(jìn)行距離方位相關(guān)。相關(guān)時(shí)以候選點(diǎn)跡群組中上一次應(yīng)答的方位（PreA）和距離（PreR）為中心，以RG{rmin，rmax}、AG{amin，amax}為相關(guān)窗進(jìn)行位置相關(guān)，相關(guān)窗計(jì)算公式為：

rmin= PreR - RStep

rmax= PreR + RStep

amin= PreA - AStep

amin= PreA + AStep

其中RStep為距離分辨力指標(biāo)要求、AStep為距離分辨力指標(biāo)要求，如AStep=0.6度、RStep=50米。小相關(guān)窗示意圖如圖6所示。

與該點(diǎn)跡候選群組能夠相關(guān)上的應(yīng)答，均將信息保存入該候選點(diǎn)跡群組。按照應(yīng)答數(shù)據(jù)的接收順序?qū)⒛繕?biāo)應(yīng)答依次相關(guān)，直到滿足相關(guān)結(jié)束準(zhǔn)則，獲得候選點(diǎn)跡群組。同時(shí)所有未被相關(guān)的原始應(yīng)答均被存入剩余應(yīng)答組（remainder reply group），進(jìn)入深度強(qiáng)凝聚。

圖6 小相關(guān)窗示意圖

3.2 深度強(qiáng)凝聚（寬門(mén)限嚴(yán)準(zhǔn)則凝聚）

經(jīng)過(guò)小門(mén)限凝聚，雖然被凝聚的原始應(yīng)答相對(duì)可靠，但是有可能漏掉一定的應(yīng)答數(shù)據(jù)，漏掉的應(yīng)答數(shù)據(jù)，重新形成候選點(diǎn)跡群組，容易形成點(diǎn)跡分裂現(xiàn)象，因此我們根據(jù)二次雷達(dá)應(yīng)答信號(hào)的特點(diǎn)使用深度強(qiáng)凝聚，進(jìn)行補(bǔ)充凝聚。

在上面的步驟中已經(jīng)得到了基本的候選應(yīng)答群組，現(xiàn)在將沒(méi)有相關(guān)上的應(yīng)答從剩余原始應(yīng)答群組依次提取出來(lái)，與所有候選點(diǎn)跡群組進(jìn)行一個(gè)寬大窗的相關(guān)處理，RGS{rmin，rmax}、AGS{amin，amax}，RGS是可能出現(xiàn)的最大距離偏移值，AGS是可能出現(xiàn)的最大方位偏移值。在本次相關(guān)中，凡是被相關(guān)上的原始應(yīng)答，必須經(jīng)過(guò)代碼判斷，如果剩余應(yīng)答的識(shí)別代碼（如M3/A、MS地址等）與點(diǎn)跡組的應(yīng)答識(shí)別代碼相同，則將其重新加入候選點(diǎn)跡群組中。如果是高度應(yīng)答，相同的高度碼的剩余應(yīng)答也加入群組，根據(jù)高度應(yīng)答碼的變化規(guī)律，如果剩余高度碼與候選點(diǎn)跡的高度碼相差1個(gè)碼位的應(yīng)答，也加入點(diǎn)跡組群組。

該方法找回了有效的原始應(yīng)答，并且減少了剩余應(yīng)答的個(gè)數(shù)，從而的降低剩余應(yīng)答形成新的候選點(diǎn)跡群組的幾率。深度強(qiáng)凝聚示意圖如圖7所示。

圖7 深度相關(guān)示意圖

3.3 融合提取點(diǎn)跡

獲取了最終確認(rèn)的候選點(diǎn)跡群組使用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法擬合出當(dāng)前目標(biāo)的精確坐標(biāo)位置以及其他的信息，完成凝聚，提取出點(diǎn)跡。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況，本文分別對(duì)各距離方位采取了不同的辦法進(jìn)行計(jì)算。

a）計(jì)算距離（Range）

二次雷達(dá)的脈沖采樣時(shí)鐘一般較高，所以二次雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量的距離一般精度較高，所以直接采用“均值法”求得：

b）計(jì)算方位（Azimuth）

信號(hào)幅度越大的位置越接近目標(biāo)的真實(shí)方位，所以采用“質(zhì)心法”，結(jié)合信號(hào)幅度信息進(jìn)行計(jì)算：

c）獲取高度及其他參數(shù)

二次雷達(dá)探測(cè)的高度信息，是應(yīng)答信號(hào)的攜帶的高度編碼數(shù)據(jù)，因此按照高度編碼規(guī)則將高度數(shù)值進(jìn)行解析，即可獲取目標(biāo)準(zhǔn)確的海拔高度數(shù)據(jù)。

同時(shí)為了后續(xù)航跡融合處理能夠有更好的效果，可以將波束寬度、目標(biāo)幅度、有效應(yīng)答次數(shù)，等信息進(jìn)行附帶統(tǒng)計(jì)，形成點(diǎn)跡數(shù)據(jù)準(zhǔn)備送給航跡處理。

圖8 方法應(yīng)用前（左圖）與應(yīng)用后（右圖）效果對(duì)比

3.4 點(diǎn)跡間相關(guān)

通過(guò)以上處理后，點(diǎn)跡分裂的情況大為改善，但是在某些特定的電磁環(huán)境極其惡劣的場(chǎng)合仍然可能出現(xiàn)個(gè)別分裂點(diǎn)跡，在進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)分析以后，發(fā)現(xiàn)對(duì)于同一個(gè)目標(biāo)分裂出的多個(gè)點(diǎn)跡，滿足點(diǎn)跡結(jié)束條件的時(shí)間很接近，因此點(diǎn)跡間相關(guān)的方法，做進(jìn)一步的凝聚。

在所有點(diǎn)跡被上報(bào)給數(shù)據(jù)處理進(jìn)行后續(xù)的航跡跟蹤之前，延時(shí)一定的時(shí)間，一般為3～5個(gè)觸發(fā)周期。在所有點(diǎn)跡群組中進(jìn)行點(diǎn)跡間位置相關(guān)，如果發(fā)現(xiàn)位置靠近且代碼相同，高度相當(dāng)?shù)狞c(diǎn)跡，立即進(jìn)行幅度、距離比較，按照距離近優(yōu)先、幅度高優(yōu)先的原則，進(jìn)行合并或剔除處理，最終僅保留一個(gè)最終點(diǎn)跡上報(bào)數(shù)據(jù)處理。

4.試驗(yàn)對(duì)比

該方法在某型地面二次監(jiān)視雷達(dá)設(shè)備中進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。將出現(xiàn)分裂的原始應(yīng)答進(jìn)行回放，驗(yàn)證點(diǎn)跡凝聚性能。點(diǎn)跡凝聚方法使用前和使用后的效果對(duì)比如圖8所示。點(diǎn)跡凝聚方法對(duì)點(diǎn)跡分裂有較好的抑制。

5.結(jié)束語(yǔ)

目標(biāo)分裂造成二次雷達(dá)探測(cè)的點(diǎn)跡數(shù)量增加，影響二次雷達(dá)的點(diǎn)跡效果。同時(shí)分裂的點(diǎn)跡也加大了航跡相關(guān)處理的工作量，容易造成航跡處理過(guò)載，影響后續(xù)目標(biāo)的正確處理, 以及二次雷達(dá)航跡對(duì)目標(biāo)的跟蹤質(zhì)量，從而影響整個(gè)二次監(jiān)視雷達(dá)的性能。針對(duì)二次監(jiān)視雷達(dá)的點(diǎn)跡凝聚方法和點(diǎn)跡分裂原因，不少文件均未提到，本文介紹了二次監(jiān)視雷達(dá)點(diǎn)跡凝聚方法，分析了出現(xiàn)點(diǎn)跡分裂的原因，并且提出了一種實(shí)際可行的凝聚準(zhǔn)則和方法，包括小門(mén)限凝聚、深度強(qiáng)凝聚方法及點(diǎn)跡間相關(guān)方法等。理論上，該方法合理可行。在實(shí)際應(yīng)用中，文中的方法已成功運(yùn)用于多型號(hào)的二次監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)中，并取得了較好的效果。

[1]崔海歐,方詠秋．某航管二次雷達(dá)受擾問(wèn)題定位及分析[J]．科協(xié)論壇,2013．

[2]劉樹(shù)峰．雷達(dá)目標(biāo)點(diǎn)跡分裂與改進(jìn)的點(diǎn)跡提取器設(shè)計(jì)[J]．電子技術(shù),2010年第23卷第Z1期．

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[5]張慰,徐炎祥．二次雷達(dá)遠(yuǎn)離[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2007．11