李宏偉，汪 洋

(中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

雷達(dá)在搜索和跟蹤過程中不可避免地會(huì)受到地物雜波、氣象雜波等的影響，在信號(hào)處理檢測(cè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生雜波點(diǎn)跡，尤其是在雜波密集區(qū)，此類雜波點(diǎn)跡數(shù)量會(huì)更多[1-3]。信號(hào)處理若將這些所有檢測(cè)點(diǎn)跡包括真實(shí)目標(biāo)點(diǎn)跡和雜波點(diǎn)跡全送往空情顯控臺(tái)，會(huì)干擾雷達(dá)操作員對(duì)目標(biāo)信息和空情態(tài)勢(shì)的準(zhǔn)確把握，降低其人工干預(yù)操作的正確率，因此需要對(duì)雜波點(diǎn)跡進(jìn)行濾除。

雜波濾除的方法主要有基于幀內(nèi)處理的濾除方式和基于幀間處理的濾除方式兩大類。幀內(nèi)處理又分為基于信號(hào)級(jí)處理的濾除和基于數(shù)據(jù)級(jí)處理的濾除，基于信號(hào)級(jí)處理的濾除即在信號(hào)處理過程中使得雜波回波盡可能不形成雜波點(diǎn)跡輸出[4-5]，基于數(shù)據(jù)級(jí)的濾除即對(duì)利用單幀的雜波點(diǎn)跡和目標(biāo)點(diǎn)跡的特征統(tǒng)計(jì)分析后對(duì)雜波點(diǎn)跡進(jìn)行數(shù)據(jù)級(jí)濾除。幀間處理主要是基于幀間目標(biāo)和雜波運(yùn)動(dòng)等特征的不同，在數(shù)據(jù)級(jí)上進(jìn)行雜波點(diǎn)跡濾除。

本文針對(duì)搜索警戒雷達(dá)在該方面的技術(shù)需求，提出了一種基于幀間數(shù)據(jù)處理的雜波點(diǎn)跡濾除方法，實(shí)時(shí)地對(duì)單個(gè)駐留內(nèi)的回波進(jìn)行相關(guān)處理，同時(shí)輔以速度、幅度和RCS等門限控制提高雜波點(diǎn)跡正確濾除率[6-8]。該方法將輸入原始點(diǎn)跡進(jìn)行質(zhì)量劃分，并濾除送往空情顯控臺(tái)的雜波點(diǎn)跡，大大提高了顯控輸入點(diǎn)跡質(zhì)量。

本文利用某雷達(dá)實(shí)際跟飛數(shù)據(jù)對(duì)該方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，從數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，通過該方法的處理，在此類試驗(yàn)場(chǎng)景下，可以大幅度地濾除雜波點(diǎn)跡，并完整地保留真實(shí)目標(biāo)點(diǎn)跡，提高空情顯示的清晰度和可視度。

1 算法原理和算法設(shè)計(jì)

1.1 算法原理

基于幀間處理的雜波點(diǎn)跡濾除原理框圖如圖1所示，當(dāng)雷達(dá)接收到一個(gè)波位的點(diǎn)跡數(shù)據(jù)后，即進(jìn)入處理流程，通過幀間的相關(guān)處理對(duì)所有點(diǎn)跡進(jìn)行等級(jí)劃分。這里將航跡化分為3個(gè)階段：確認(rèn)航跡階段、潛在航跡階段和臨時(shí)航跡階段。在幀間點(diǎn)航相關(guān)處理中，與不同階段航跡就表明該點(diǎn)跡的質(zhì)量等級(jí)存在不同，得到4個(gè)不同的點(diǎn)跡等級(jí)。這種相關(guān)處理，除了考慮目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息的相關(guān)之外，還可以對(duì)距離展寬、幅度信息和RCS信息等進(jìn)行利用，以提高雜波點(diǎn)跡濾除率，對(duì)于不同的目標(biāo)，這些信息的可利用程度也存在差異。從處理流程上看，主控需要對(duì)等級(jí)較低的點(diǎn)跡進(jìn)行緩存，直至超過點(diǎn)跡設(shè)定壽命結(jié)束門限才確定為真正的雜波點(diǎn)。顯控可以根據(jù)選擇開關(guān)對(duì)一次點(diǎn)跡信息進(jìn)行選擇性顯示。

圖1 雜波點(diǎn)跡濾除處理原理

基于幀間相關(guān)處理對(duì)點(diǎn)跡等級(jí)進(jìn)行劃分的結(jié)果如表1所示，在一次駐留內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，將一次駐留的所有點(diǎn)跡劃分4個(gè)等級(jí)：

① 與已有穩(wěn)定確認(rèn)航跡關(guān)聯(lián)的點(diǎn)為等級(jí)最高的點(diǎn)跡，確定為真實(shí)目標(biāo)點(diǎn)跡的概率非常高，為等級(jí)1點(diǎn)跡。對(duì)確認(rèn)航跡的點(diǎn)航關(guān)聯(lián)設(shè)置專門的門限參數(shù)；

② 與潛在航跡關(guān)聯(lián)的點(diǎn)為等級(jí)2點(diǎn)跡，一般采用連續(xù)N拍相關(guān)上的準(zhǔn)則進(jìn)行潛在航跡向確認(rèn)航跡的切換，同時(shí)對(duì)潛在航跡的點(diǎn)航相關(guān)設(shè)置專門的門限參數(shù)；

③ 與臨時(shí)航跡關(guān)聯(lián)的點(diǎn)為等級(jí)3點(diǎn)跡，一般采用N1/M1準(zhǔn)則進(jìn)行臨時(shí)航跡向潛在航跡的切換，同時(shí)對(duì)臨時(shí)航跡的點(diǎn)航相關(guān)設(shè)置專門的門限參數(shù)，該參數(shù)的范圍比潛在航跡的點(diǎn)航相關(guān)參數(shù)閾值要大；

④ 在M1次照射中達(dá)不到N1次相關(guān)的點(diǎn)跡為孤立點(diǎn)跡，即為等級(jí)4點(diǎn)跡。對(duì)于等級(jí)4點(diǎn)跡主控進(jìn)行緩存，用于后續(xù)驗(yàn)證是否為新出現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)跡，當(dāng)一個(gè)點(diǎn)跡的緩存時(shí)間超過ns(n按照實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，一般為多次照射的總時(shí)長(zhǎng))后仍為孤立點(diǎn)跡則視為雜波點(diǎn)跡，予以濾除。若某孤立點(diǎn)跡為新生目標(biāo)點(diǎn)跡，在后續(xù)的M1次照射后則轉(zhuǎn)為等級(jí)3點(diǎn)跡。

表1 點(diǎn)跡等級(jí)劃分

點(diǎn)跡等級(jí)點(diǎn)跡分類備注1目標(biāo)點(diǎn)跡是目標(biāo)點(diǎn)跡的置信度最高2疑似目標(biāo)點(diǎn)跡是目標(biāo)點(diǎn)跡可能性較高3可能目標(biāo)點(diǎn)跡可能是目標(biāo)點(diǎn)跡4雜波點(diǎn)跡其中可能含有新生目標(biāo)點(diǎn)跡,在該點(diǎn)跡等級(jí)階段無法區(qū)分。若為新生目標(biāo)點(diǎn)跡,則后續(xù)照射過程中其點(diǎn)跡等級(jí)會(huì)提升,將對(duì)該點(diǎn)跡予以保留;雜波點(diǎn)跡則等級(jí)質(zhì)量不會(huì)提升,將予以濾除。

1.2 算法設(shè)計(jì)

1.2.1 主要算法模塊設(shè)計(jì)

該雜波點(diǎn)跡濾除原理中有2個(gè)主要的算法模塊：

① 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法模塊(含邏輯法的航跡起始模塊)

常用的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法包括GNN，JPDA[7]，MHT[8-9]，PHD[10-12]，IPDA和多伯努利濾波器[13]等，本文選用GNN方法。這里將航跡起始功能的實(shí)現(xiàn)合并在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法模塊內(nèi)，航跡起始采用邏輯法起始，便于工程實(shí)現(xiàn)。

② 航跡濾波算法模塊

常用的航跡濾波算法包括α-β，α-β-γ，EKF，UKF等。當(dāng)目標(biāo)存在機(jī)動(dòng)的情況下，可以考慮基于多個(gè)模型的IMM[14-15]算法，本文對(duì)濾波算法不展開討論。本文的分析對(duì)象主要是跟蹤飛機(jī)目標(biāo)，且不考慮其機(jī)動(dòng)的情況，因此對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)采用混合坐標(biāo)系下的α-β跟蹤算法。采用混合坐標(biāo)系即在雷達(dá)陣地直角坐標(biāo)系下進(jìn)行目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向量的預(yù)測(cè)，在雷達(dá)陣面方向余弦坐標(biāo)系下進(jìn)行濾波更新處理。這樣處理的好處是消除目標(biāo)運(yùn)動(dòng)相對(duì)于雷達(dá)站址的視在加速度的影響，同時(shí)降低雷達(dá)測(cè)量非線性對(duì)航跡濾波精度的影響。

1.2.2 徑向速度輔助的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

信號(hào)處理輸出的點(diǎn)跡信息中，除了目標(biāo)的位置信息外，還包括目標(biāo)的諸多屬性信息，這些屬性信息的可信度如何、如何建模、能否用來輔助數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)等是有待持續(xù)研究的問題[16-17]。若點(diǎn)跡屬性信息的可信度不高，或者屬性信息與運(yùn)動(dòng)信息的權(quán)值分配不當(dāng)，都有可能降低關(guān)聯(lián)的正確率。當(dāng)雷達(dá)具有目標(biāo)徑向速度測(cè)量能力時(shí)，可選擇徑向速度信息對(duì)確認(rèn)航跡進(jìn)行輔助的點(diǎn)航關(guān)聯(lián)處理。

當(dāng)目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)的徑向速度較小時(shí)，雷達(dá)探測(cè)得到的徑向速度誤差較大，可信度低，因此直接將其用來輔助數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，可能不會(huì)達(dá)到理想的效果。算法中可利用徑向速度信息對(duì)確認(rèn)航跡進(jìn)行輔助關(guān)聯(lián)，其實(shí)現(xiàn)方法如下：

① 對(duì)確認(rèn)航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)時(shí)，判斷確認(rèn)航跡的徑向速度濾波絕對(duì)值是否大于預(yù)設(shè)門限；

② 若確認(rèn)航跡的徑向速度絕對(duì)值大于門限，則對(duì)點(diǎn)跡的徑向速度的方向進(jìn)行判斷，只選擇與確認(rèn)航跡徑向速度方向一致的點(diǎn)跡進(jìn)行后續(xù)的關(guān)聯(lián)判決；

③ 若確認(rèn)航跡的徑向速度過小，其對(duì)應(yīng)的點(diǎn)跡的徑向速度測(cè)量誤差較大，可信度不高，此時(shí)不利用點(diǎn)跡的徑向速度信息輔助關(guān)聯(lián)。

1.2.3 精細(xì)化設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)門限

這里設(shè)置3個(gè)點(diǎn)航相關(guān)門限，分別為臨時(shí)航跡關(guān)聯(lián)門限、潛在航跡關(guān)聯(lián)門限和確認(rèn)航跡關(guān)聯(lián)門限。相關(guān)門限大小順序?yàn)椋?/p>

臨時(shí)航跡關(guān)聯(lián)門限>潛在航跡關(guān)聯(lián)門限>確認(rèn)航跡關(guān)聯(lián)門限。

每個(gè)門限設(shè)置考慮多個(gè)關(guān)聯(lián)因素，包括典型的歸一化的橢球RAE位置誤差門限，還可以設(shè)置速度門限、距離展寬門限、RCS起伏門限和幅度起伏等[18-19]。

相關(guān)門限存在正向調(diào)整和逆向調(diào)整2個(gè)過程，正向調(diào)整為門限逐漸縮小的過程，典型的是航跡階段從臨時(shí)航跡到潛在航跡再到確認(rèn)航跡這一過程中，相關(guān)門限逐漸縮小。逆向調(diào)整過程是門限擴(kuò)大的過程，即當(dāng)航跡的連續(xù)多拍未相關(guān)上點(diǎn)跡，則相關(guān)門限應(yīng)進(jìn)行擴(kuò)大，直至滿足航跡刪除條件。

在進(jìn)行點(diǎn)航關(guān)聯(lián)時(shí)，需要對(duì)關(guān)聯(lián)區(qū)域和關(guān)聯(lián)門限進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)針對(duì)目標(biāo)的類型和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)模型加以約束，以獲得最佳的點(diǎn)跡-航跡關(guān)聯(lián)配對(duì)結(jié)果。本文在對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)時(shí)，采用了多層次的關(guān)聯(lián)門設(shè)計(jì)：

① 距離和方位角度分區(qū)：在進(jìn)行點(diǎn)航關(guān)聯(lián)時(shí)，由于雷達(dá)掃描覆蓋范圍較大，為避免不同區(qū)域的點(diǎn)跡和航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)計(jì)算而增加不必要的計(jì)算量，對(duì)掃描區(qū)域在距離和角度上分別進(jìn)行分區(qū)，若該幀點(diǎn)跡與某條航跡上一幀的位置不在同一區(qū)域內(nèi)，則將其關(guān)聯(lián)值設(shè)為極大值，即不進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

② 徑向速度方向判斷：對(duì)距離和方位處在同一分區(qū)內(nèi)的點(diǎn)跡和航跡，對(duì)其徑向速度的方向進(jìn)行判斷，與航跡徑向速度方向一致的點(diǎn)跡才能與其進(jìn)行關(guān)聯(lián)，否則將其關(guān)聯(lián)值設(shè)為極大值。

③ 全速度門限約束：對(duì)關(guān)聯(lián)門內(nèi)剩余的點(diǎn)跡計(jì)算點(diǎn)航關(guān)聯(lián)后的全速度，并與全速度門限(最大速度和最小速度)進(jìn)行比較，對(duì)于不在全速度門限范圍內(nèi)的關(guān)聯(lián)點(diǎn)跡，設(shè)置其關(guān)聯(lián)值為極大值。

④ 精關(guān)聯(lián)門限設(shè)置：前3項(xiàng)關(guān)聯(lián)約束可視為點(diǎn)航粗關(guān)聯(lián)，對(duì)粗關(guān)聯(lián)門內(nèi)的點(diǎn)跡進(jìn)一步進(jìn)行精關(guān)聯(lián)，計(jì)算關(guān)聯(lián)值。首先對(duì)航跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到點(diǎn)跡與預(yù)測(cè)位置的信息，計(jì)算歸一化關(guān)聯(lián)值：

針對(duì)不同的航跡狀態(tài)，精關(guān)聯(lián)門限的設(shè)置不同：

① 確認(rèn)航跡：一旦某條航跡被確認(rèn)，該條航跡即處于穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)，此時(shí)其位置和速度信息較為穩(wěn)定，預(yù)測(cè)位置和目標(biāo)的實(shí)際位置相差不大，此時(shí)采用較小的關(guān)聯(lián)門限即可保證目標(biāo)點(diǎn)跡正確關(guān)聯(lián)，一般確認(rèn)航跡的精關(guān)聯(lián)門限可根據(jù)橢圓波門及其落入概率進(jìn)行計(jì)算。

② 潛在航跡：潛在航跡介于臨時(shí)航跡和確認(rèn)航跡之間，此時(shí)航跡已經(jīng)具有起始的位置和速度，但其位置和速度誤差相對(duì)較大，在進(jìn)行點(diǎn)航關(guān)聯(lián)時(shí)，不能設(shè)置過于嚴(yán)苛的門限，否則易導(dǎo)致目標(biāo)點(diǎn)跡丟失。潛在航跡的關(guān)聯(lián)門限一般可設(shè)置為確認(rèn)航跡關(guān)聯(lián)門限的n倍，n值可根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行調(diào)整。

③ 臨時(shí)航跡：通常，大多數(shù)臨時(shí)航跡只包含一個(gè)點(diǎn)，此時(shí)目標(biāo)只有初始化的位置信息，而沒有速度信息，其關(guān)聯(lián)門限可設(shè)置為：

式中，Vmax為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的最大速度；Tscan為雷達(dá)的掃描周期；σR為距離測(cè)量噪聲均方根值；C為可調(diào)整參數(shù)。

對(duì)某次駐留點(diǎn)跡與確認(rèn)航跡的多層次關(guān)聯(lián)過程進(jìn)行描述，如圖2所示，通過4重關(guān)聯(lián)判決，最終得到點(diǎn)跡-航跡關(guān)聯(lián)矩陣，通過分配算法獲得點(diǎn)跡-航跡配對(duì)關(guān)系。

圖2 確認(rèn)航跡的點(diǎn)航關(guān)聯(lián)過程

2 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

對(duì)雷達(dá)跟蹤民航飛機(jī)實(shí)測(cè)的點(diǎn)跡數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這些原始點(diǎn)跡數(shù)據(jù)不僅有飛機(jī)目標(biāo)的回波點(diǎn)跡數(shù)據(jù)，同時(shí)還存在較多的地雜波、氣象雜波點(diǎn)跡數(shù)據(jù)。采用上一節(jié)介紹的點(diǎn)跡濾除方法和流程對(duì)所有的點(diǎn)跡進(jìn)行等級(jí)劃分，并對(duì)雜波點(diǎn)跡進(jìn)行濾除，同時(shí)評(píng)估濾除的效果。

2.1 在不進(jìn)行幀間點(diǎn)跡濾除的顯控點(diǎn)跡顯示結(jié)果

為評(píng)估處理后的點(diǎn)跡濾除效果，首先給出不進(jìn)行幀間點(diǎn)跡濾除的顯控點(diǎn)跡顯示效果。為突出顯示，將真實(shí)目標(biāo)的點(diǎn)跡用深灰點(diǎn)標(biāo)識(shí)，雜波點(diǎn)用淺灰進(jìn)行標(biāo)識(shí)。截取的該段探測(cè)時(shí)間內(nèi)總的點(diǎn)跡數(shù)為1 001個(gè)，其中大部分為雜波點(diǎn)跡，真實(shí)目標(biāo)點(diǎn)跡329個(gè)，雜波點(diǎn)跡672個(gè)。

點(diǎn)跡濾除的最終目的就是要對(duì)這些紅色點(diǎn)的進(jìn)行辨識(shí)，確定其為雜波點(diǎn)跡或者等級(jí)低的點(diǎn)跡；同時(shí)確認(rèn)黑色點(diǎn)為真實(shí)的目標(biāo)點(diǎn)跡。送顯控點(diǎn)跡如圖3所示。

圖3 送顯控點(diǎn)跡(不做幀間雜波點(diǎn)跡濾除)

2.2 進(jìn)行幀間點(diǎn)跡抑制的顯控點(diǎn)跡顯示結(jié)果

下面經(jīng)關(guān)聯(lián)門限采用上面提高的歸一化RAE位置誤差橢球關(guān)聯(lián)門，同時(shí)對(duì)比分析了利用全速度門限進(jìn)行輔助關(guān)聯(lián)和不利用全速度門限進(jìn)行輔助關(guān)聯(lián)的效果對(duì)比。

2.2.1 門限設(shè)置1：采用歸一化RAE位置誤差橢球關(guān)聯(lián)門

采用歸一化RAE位置誤差橢球關(guān)聯(lián)門進(jìn)行幀間雜波點(diǎn)跡濾除，得到結(jié)果如圖4所示。此時(shí)顯控選擇顯示等級(jí)1，2，3的點(diǎn)跡，濾除等級(jí)4點(diǎn)跡。其中綠色“+”符號(hào)代表等級(jí)3點(diǎn)跡，藍(lán)色“*”符號(hào)代表等級(jí)2點(diǎn)跡，黑色實(shí)心圓點(diǎn)代表等級(jí)1點(diǎn)跡，下同。總顯示點(diǎn)跡數(shù)據(jù)為356個(gè)，目標(biāo)點(diǎn)跡(等級(jí)1點(diǎn)跡)329個(gè)，等級(jí)2點(diǎn)跡6個(gè)，等級(jí)3點(diǎn)跡21個(gè)。因此濾除的雜波點(diǎn)跡645個(gè)，雜波點(diǎn)跡正確濾除率為95.9%。

圖4 送顯控點(diǎn)跡(做幀間雜波點(diǎn)跡濾除后，門限設(shè)置1)

2.2.2 門限設(shè)置2：采用RAE位置誤差橢球關(guān)聯(lián)門限與全速度關(guān)聯(lián)門限相結(jié)合

當(dāng)采用RAE位置誤差橢球關(guān)聯(lián)門限與全速度關(guān)聯(lián)門限相結(jié)合進(jìn)行幀間相關(guān)處理，得到顯控點(diǎn)跡濾除效果如圖5所示。其中等級(jí)1點(diǎn)跡329個(gè)，等級(jí)2點(diǎn)跡1個(gè)，等級(jí)3點(diǎn)跡5個(gè)，雜波點(diǎn)跡正確濾除率為99.1%?？梢钥闯?，結(jié)合速度門限后可以提高雜波點(diǎn)跡的正確濾除率。

圖5 送顯控點(diǎn)跡(做幀間雜波點(diǎn)跡濾除后，門限設(shè)置2)

通過對(duì)以上雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果對(duì)比可以看出，采用本文給出的算法結(jié)合對(duì)應(yīng)的目標(biāo)屬性信息可以較好地進(jìn)行雜波點(diǎn)跡濾除，同時(shí)保留完整的真實(shí)目標(biāo)點(diǎn)跡信息。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一種基于幀間相關(guān)處理的雜波點(diǎn)跡濾除方法，對(duì)該方法的處理流程、算法選取和門限參數(shù)的選取進(jìn)行了詳細(xì)說明。通過雷達(dá)實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，通過幀間的相關(guān)處理，可以抑制絕大部分的雜波點(diǎn)跡，同時(shí)對(duì)真實(shí)目標(biāo)點(diǎn)跡可以完整地保留下來，經(jīng)過雜波濾除后，點(diǎn)跡顯示輸出質(zhì)量大幅度提高，空情空間態(tài)勢(shì)顯示效果更清楚明了。