王浩丞

(電子信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610036)

0 引 言

隨著電磁對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)單模傳感器面臨越來(lái)越大的技術(shù)挑戰(zhàn)。采用主動(dòng)雷達(dá)體制的傳感器(簡(jiǎn)稱主動(dòng)傳感器)具有全天時(shí)探測(cè)、測(cè)向精度高、可精確測(cè)距等優(yōu)點(diǎn)，但易受有源電子干擾和無(wú)源假目標(biāo)的影響。采用被動(dòng)雷達(dá)的傳感器(簡(jiǎn)稱被動(dòng)傳感器)具有遠(yuǎn)距離截獲、電磁靜默、先敵發(fā)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但難以獲得準(zhǔn)確的距離信息，同類型多目標(biāo)分選難度較大?；谥鳌⒈粍?dòng)復(fù)合的傳感器可以綜合兩者優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)兩者的性能互補(bǔ)，提高作戰(zhàn)保障能力。

主動(dòng)傳感器主要面臨抗有源干擾和無(wú)源干擾的壓力。在噪聲壓制干擾情況下，有可能不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的航跡跟蹤。在角度或距離欺騙干擾情況下，有可能跟錯(cuò)目標(biāo)。在假目標(biāo)干擾情況下，也有可能跟錯(cuò)目標(biāo)。

被動(dòng)傳感器具備遠(yuǎn)距離截獲能力，但被動(dòng)傳感器獲取的信息主要包含電磁參數(shù)和角度信息，無(wú)法直接獲得較為精確的距離信息。目前，被動(dòng)傳感器通常依靠角度信息形成角度航跡跟蹤，但隨著傳感器與雷達(dá)距離變化、傳感器自身姿態(tài)變化等因素導(dǎo)致被動(dòng)角度航跡劇烈變化，使得航跡跟蹤時(shí)被動(dòng)角度聚類的門限較大，且聚類持續(xù)時(shí)間較短；另一方面，聚類速度慢，實(shí)現(xiàn)時(shí)間滯后。

目前主被動(dòng)復(fù)合傳感器主要采用角度信息融合,本文提出了一種位置聚類和融合方法，用于主被動(dòng)復(fù)合傳感器。相比于角度融合，可以更早地分開多個(gè)目標(biāo)，且聚類效果更加穩(wěn)定，提高復(fù)合傳感器融合目標(biāo)選擇的能力。

1 探測(cè)目標(biāo)場(chǎng)景

在目標(biāo)海域內(nèi)存在多部同型號(hào)雷達(dá)，分布如圖 1所示。被動(dòng)傳感器探測(cè)距離較遠(yuǎn)，多部雷達(dá)的輻射信號(hào)均可以截獲，并測(cè)量其角度；受目標(biāo)物理尺寸、材料、角度等影響，主動(dòng)傳感器對(duì)不同目標(biāo)探測(cè)距離差別較大，同時(shí)通常跟蹤一個(gè)目標(biāo)。

圖1 多部雷達(dá)布置圖

主被動(dòng)復(fù)合傳感器需要通過被動(dòng)傳感器、主動(dòng)傳感器及主被動(dòng)信息融合的方式從雷達(dá)陣地附近篩選出雷達(dá)目標(biāo)。被動(dòng)傳感器可以從遠(yuǎn)處同時(shí)獲取多個(gè)雷達(dá)的信號(hào)，但由于同類型雷達(dá)電磁參數(shù)相近，需要依靠角度信息進(jìn)行目標(biāo)聚類；同時(shí)被動(dòng)傳感器不能直接獲得較為精確的距離信息，因此只能提供多個(gè)角度信息參與融合。

另一方面，主動(dòng)傳感器的角度跟蹤范圍較窄，需要被動(dòng)傳感器提供引導(dǎo)搜索目標(biāo)。在主動(dòng)傳感器受到有源干擾時(shí)，可能難以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤，需要被動(dòng)傳感器維持對(duì)目標(biāo)角度的跟蹤。另外，通過主被動(dòng)復(fù)合，可以降低主動(dòng)傳感器受假目標(biāo)誘偏的概率。

2 傳感器定位和位置融合方法

2.1 目標(biāo)定位方法

(1)

在預(yù)示點(diǎn)北天東坐標(biāo)系下，平臺(tái)指向目標(biāo)的矢量為：

(2)

(3)

式中：表示預(yù)示點(diǎn)北天東坐標(biāo)系轉(zhuǎn)平臺(tái)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，因此在預(yù)示點(diǎn)北天東坐標(biāo)系中，目標(biāo)的位置為:

(4)

定位精度主要取決于距離、測(cè)向誤差和平臺(tái)飛行軌跡，距離越小，測(cè)向誤差越小，高度越高，則定位精度越高。慣導(dǎo)雖然存在位置誤差和姿態(tài)誤差，但在短期內(nèi)慣導(dǎo)的誤差基本不變，可以認(rèn)為是個(gè)固定誤差，對(duì)位置聚類和融合的影響可以忽略。

2.2 多目標(biāo)位置聚類和融合方法

多目標(biāo)位置聚類和融合方法的流程圖如圖 2所示，過程如下：

圖2 復(fù)合傳感器位置聚類和融合流程

(2) 主動(dòng)傳感器用單脈沖進(jìn)行測(cè)向測(cè)距，獲得目標(biāo)的角度和距離信息[,,]。

(3) 根據(jù)主動(dòng)傳感器測(cè)向測(cè)距結(jié)果，結(jié)合上一小節(jié)的計(jì)算公式，計(jì)算出主動(dòng)目標(biāo)在預(yù)示點(diǎn)北天東坐標(biāo)系下的位置：

(5)

(4) 根據(jù)被動(dòng)傳感器測(cè)向結(jié)果，借用主動(dòng)測(cè)距信息，結(jié)合上一小節(jié)的計(jì)算公式，計(jì)算出被動(dòng)多個(gè)目標(biāo)在預(yù)示點(diǎn)北天東坐標(biāo)系下的位置：

(6)

(5) 對(duì)被動(dòng)多目標(biāo)測(cè)量位置樣本量進(jìn)行積累，積累到一定數(shù)量后完成堆中心的初始化。

(6) 根據(jù)K均值法對(duì)被動(dòng)測(cè)量的各個(gè)目標(biāo)進(jìn)行聚類，并計(jì)算堆的中心。每個(gè)堆存放的數(shù)據(jù)時(shí)間不超過1 s，滑動(dòng)更新(下節(jié)為方便分析，只給出不同時(shí)間段的數(shù)據(jù))。

(7) 將主動(dòng)目標(biāo)定位結(jié)果和被動(dòng)的多目標(biāo)定位結(jié)果一一比較，計(jì)算它們的空間距離，并將距離和設(shè)定門限比較，小于門限表示融合成功。

3 仿真結(jié)果

3.1 仿真場(chǎng)景和條件假設(shè)

假設(shè)主動(dòng)傳感器進(jìn)行測(cè)角測(cè)距，角度測(cè)量誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.2°，誤差均值為0.1°，測(cè)距誤差標(biāo)準(zhǔn)差為4 m，誤差均值為2 m。被動(dòng)傳感器測(cè)向誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.4°，誤差均值為0.2°。陣地布置有4部同類型、不同個(gè)體雷達(dá)，如圖 1所示。在預(yù)示點(diǎn)北天東坐標(biāo)系中雷達(dá)位置如圖 3所示。

圖3 預(yù)示點(diǎn)北天東坐標(biāo)系中雷達(dá)相對(duì)位置

3.2 傳感器測(cè)向測(cè)距仿真結(jié)果

仿真過程中傳感器的位置和姿態(tài)角結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定。被動(dòng)傳感器可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)目標(biāo)。結(jié)合上節(jié)的條件假定，多目標(biāo)角度跟蹤航跡仿真曲線如圖 4所示。傳感器自東向西移動(dòng)，如圖中所示，4個(gè)目標(biāo)在方位角差異大，俯仰角差異小。平臺(tái)距離目標(biāo)越近，多目標(biāo)角度區(qū)分得越開。

圖4 被動(dòng)傳感器角度航跡跟蹤仿真結(jié)果

主動(dòng)傳感器進(jìn)行單脈沖測(cè)距、測(cè)向，一般只能跟蹤1個(gè)目標(biāo)，假設(shè)跟蹤的目標(biāo)是雷達(dá)，角度航跡跟蹤仿真曲線如圖 5所示。

圖5 主動(dòng)傳感器距離和角度航跡跟蹤仿真結(jié)果

3.3 傳感器角度聚類和角度融合

圖6 被動(dòng)傳感器角度聚類結(jié)果

如果直接采用角度差進(jìn)行融合，在末端主被動(dòng)角度融合結(jié)果如圖 7所示。如果角度融合門限取為1.5°，從圖7可以看到，只有在第4 s后(200幀以后)才能逐漸將其中的雷達(dá)角度分開。

圖7 主被動(dòng)角度直接融合結(jié)果

如果對(duì)角度先進(jìn)行聚類，再將被動(dòng)測(cè)向的多個(gè)角度堆中心和主動(dòng)測(cè)角堆中心進(jìn)行融合，結(jié)果如圖 9所示。采用角度堆中心融合后，同樣門限的情況下，可在3.5 s分開多部雷達(dá)。

圖8 主被動(dòng)角度堆中心融合結(jié)果

3.4 復(fù)合傳感器位置聚類和位置融合

基于3.2節(jié)的被動(dòng)多目標(biāo)測(cè)向信息，結(jié)合主動(dòng)測(cè)距信息，通過2.2節(jié)的被動(dòng)目標(biāo)定位公式，可以計(jì)算在預(yù)示點(diǎn)北天東坐標(biāo)系下的多目標(biāo)位置。仿真結(jié)果如圖 9所示。圖 9中6幅圖分別為6 s時(shí)間的位置聚類結(jié)果，每幅圖橫軸、縱軸跨度都是700 m。從圖9可以看到，在第1 s內(nèi)(平臺(tái)距離目標(biāo)為12.5 km時(shí)，對(duì)應(yīng)時(shí)間記為0 s)，通過位置聚類可以明顯區(qū)分多部雷達(dá)。隨著距離的減小，雷達(dá)聚類效果更為穩(wěn)定。

圖9 被動(dòng)傳感器位置聚類結(jié)果

位置融合結(jié)果如圖 10所示，其中的位置差等于2個(gè)定位點(diǎn)之間的水平距離。如果位置融合門限取為180 m，從圖10可以看到，在第0.1 s后就能逐漸保證融合成功，但存在一定的虛警和漏警概率。詳細(xì)位置融合結(jié)果如圖 11所示。由于定位誤差的存在，依靠被動(dòng)測(cè)向進(jìn)行無(wú)源定位的目標(biāo)雷達(dá)位置可能在融合圈以外，導(dǎo)致漏檢。同時(shí)，其他雷達(dá)可能在融合圈里，導(dǎo)致虛警。隨著平臺(tái)距離目標(biāo)的減小，定位精度變高，漏檢和虛警的概率逐步減小。

圖10 主被動(dòng)直接位置融合結(jié)果

圖11 復(fù)合傳感器主被動(dòng)位置融合示意圖

如果采用位置堆中心融合，結(jié)果如圖 12所示。位置融合門限仍然取為180 m，從圖 12可以看到融合成功概率大大提高，虛警和漏警概率大大降低。

圖12 主被動(dòng)位置堆中心融合結(jié)果

不同融合方法的漏檢和虛警概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表 1所示。從表中可以看到，位置堆中心融合方式效果最好。

表1 漏檢和虛警概率統(tǒng)計(jì)

綜上，由于傳感器在運(yùn)動(dòng)中，傳感器對(duì)目標(biāo)的測(cè)向結(jié)果隨著平臺(tái)距離和姿態(tài)變化，但在北天東坐標(biāo)系下，目標(biāo)的位置不變，對(duì)比位置聚類和角度聚類結(jié)果，位置聚類相對(duì)于角度聚類可以提前分開多部雷達(dá)，而采用位置中心聚類的方法能夠進(jìn)一步提前聚類的時(shí)間，并提升其虛警和漏檢性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一種目標(biāo)位置融合方法，用于復(fù)合傳感器目標(biāo)融合。相比傳統(tǒng)角度融合，采用主被動(dòng)位置聚類和位置堆中心融合方法可以提前分開多個(gè)目標(biāo)，且穩(wěn)定性更好，可以提前實(shí)現(xiàn)被動(dòng)和主動(dòng)跟蹤目標(biāo)的融合。