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        基于小型相控陣天線二次雷達(dá)的自適應(yīng)航跡濾波方法

        2022-10-31 04:01:38程旗吳兵林洪彬
        電子制作 2022年18期
        關(guān)鍵詞:曲線擬合相控陣航跡

        程旗,吳兵,林洪彬

        (四川九洲空管科技有限責(zé)任公司,四川綿陽(yáng),621000)

        0 引用

        二次雷達(dá)系統(tǒng)是地面詢(xún)問(wèn)機(jī)和機(jī)載應(yīng)答機(jī)組成的系統(tǒng),由地面詢(xún)問(wèn)機(jī)發(fā)射詢(xún)問(wèn)電磁波,機(jī)載應(yīng)答機(jī)接收到地面詢(xún)問(wèn)機(jī)發(fā)射的詢(xún)問(wèn)電磁波后,并產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)詢(xún)問(wèn)模式的應(yīng)答電磁波,地面詢(xún)問(wèn)機(jī)再接收應(yīng)答的電磁波進(jìn)行探測(cè)定位以及解碼。二次雷達(dá)系統(tǒng)采用一問(wèn)一答的工作方式,通過(guò)較小的發(fā)射功率可以獲取目標(biāo)的距離、方位、身份代碼(或?qū)傩裕⒏叨纫约捌渌麛U(kuò)展信息,可以為航管指揮或航空戰(zhàn)略決策提供重要數(shù)據(jù)支撐。通常稱(chēng)地基部分為二次雷達(dá)或二次監(jiān)視雷達(dá)[1]。一套地面二次雷達(dá)設(shè)備由二次天線、電源、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理、顯控終端構(gòu)成。在二次雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中,由點(diǎn)跡處理和航跡處理兩部分組成。航跡處理的航跡濾波是采用濾波算法對(duì)目標(biāo)探測(cè)位置進(jìn)行最佳估計(jì)方法的處理,且用估計(jì)值來(lái)刷新目標(biāo)位置,并預(yù)測(cè)目標(biāo)下一周期最大概率出現(xiàn)的位置。通過(guò)濾波算法可降低探測(cè)噪聲的影響,從而得到更加精準(zhǔn)的目標(biāo)位置。隨著社會(huì)發(fā)展需求,二次雷達(dá)設(shè)備要求具備工作靈活化、體積小型化、功能齊全、性能優(yōu)越、抗干擾強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn),從而新增加了配套小型相控陣天線的二次雷達(dá)設(shè)備在高機(jī)動(dòng)車(chē)載平臺(tái)的應(yīng)用場(chǎng)景。

        1 現(xiàn)狀簡(jiǎn)介

        不同應(yīng)用場(chǎng)景的二次雷達(dá),其航跡處理部分采用不同的航跡濾波算法。若配套天線為機(jī)械天線或大型相控陣天線時(shí),航跡處理中的航跡濾波常采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法;若配套天線為小型相控陣天線時(shí),航跡處理中的航跡濾波常采用曲線擬合最小二乘法算法。

        小型相控陣天線的尺寸小,重量輕,安裝靈活性好,滿足車(chē)載平臺(tái)的高機(jī)動(dòng)性,卻因尺寸小,可排列的輻射陣子數(shù)量就少,由移相特性決定了差通道形成效果并不理想,故有詢(xún)問(wèn)波束寬度過(guò)寬、接收信號(hào)幅度抖動(dòng)明顯、和差相位差計(jì)算誤差較大等特征[2]。單脈沖二次雷達(dá)的測(cè)角是通過(guò)對(duì)接收到的應(yīng)答電磁波信號(hào)經(jīng)過(guò)高頻和/差混合器實(shí)現(xiàn)兩個(gè)波束的加/減,即等效為和波束和差波束,從而可以得到和通道的應(yīng)答幅度和差通道的應(yīng)答幅度,根據(jù)和通道幅度與差通道的幅度差值,查找對(duì)應(yīng)二次天線的特性偏移量表,即可得到當(dāng)前方位與主軸法向的偏移量(OBA)。再由和通道與差通道的相位差可表示出當(dāng)前探測(cè)目標(biāo)是在掃描基準(zhǔn)軸的左邊還是右邊,也即稱(chēng)為符號(hào)位(0值表示在左側(cè),1值表示在右側(cè))。掃描基準(zhǔn)軸信息(0θ)由方位碼盤(pán)器或者波位調(diào)度器給出,綜合以上信息即可算出本次應(yīng)答脈沖對(duì)應(yīng)的方位值(ω)。

        若符號(hào)位為0,則ω=θ0+OBA

        若符號(hào)位為1,則ω=θ0-OBA

        當(dāng)二次雷達(dá)的詢(xún)問(wèn)波束掃過(guò)目標(biāo)時(shí),目標(biāo)會(huì)產(chǎn)生多次的應(yīng)答信號(hào),從而會(huì)得到一組目標(biāo)的方位探測(cè)值1ω、2ω、3ω…nω。在點(diǎn)跡處理過(guò)程中,計(jì)算出最終目標(biāo)的方位(finalω)為:

        主波束寬度過(guò)寬會(huì)導(dǎo)致波束指向精度不高,也即是0θ的精度相對(duì)較差;接收信號(hào)幅度抖動(dòng)明顯會(huì)導(dǎo)致查找特性偏移量表得到的偏移量(OBA)數(shù)值不精確;和差相位差計(jì)算誤差較大會(huì)導(dǎo)致局部符號(hào)位不準(zhǔn)確。根據(jù)單脈沖二次雷達(dá)測(cè)角原理,可知配套小型相控陣天線的二次雷達(dá)的測(cè)角精準(zhǔn)度并不理想,探測(cè)點(diǎn)跡效果常出現(xiàn)方位歪曲的現(xiàn)象,故在此條件下,航跡濾波使用曲線擬合最小二乘法算法,可最大限度地利用目標(biāo)的歷史運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù),使濾波后的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和是最小的。該算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單而且運(yùn)算簡(jiǎn)潔高效。

        曲線擬合的最小二乘法就是針對(duì)公式(1)要找到函數(shù)S*(θ)使得殘差平方和最小。

        用多元線性回歸來(lái)描述,假設(shè)函數(shù)Sφ(x111,x2,…xm)=φ0+φx+…φm xm的矩陣表達(dá)式為:

        其中假設(shè)函數(shù)Sφ(X)=Xφ為n×1的向量,φ為m×1的向量,X為n×m維矩陣;m代表樣本的特征數(shù),n代表樣本的個(gè)數(shù)。

        上述公式整理計(jì)算得到φ=X TY(X TX)-1。

        在二次雷達(dá)航跡處理過(guò)程中,根據(jù)飛行目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征,忽略高階運(yùn)動(dòng)曲線帶來(lái)的失真以及大運(yùn)算量,可將目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡近似的看作是由二次曲線和一次曲線的共同組合體,若目標(biāo)偏移當(dāng)前計(jì)算的共同組合體軌跡時(shí),需根據(jù)歷史趨勢(shì)對(duì)探測(cè)值進(jìn)行修正以及對(duì)共同組合體的運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行改進(jìn)處理。故在實(shí)際工程中,樣本特征m的取值分別為1和2。根據(jù)上述原理,在曲線擬合最小二乘法濾波算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中需涉及4個(gè)參數(shù),分別是擬合點(diǎn)數(shù)(N)、一階占比率(P1)、擬合占比率(Pf)和修正系數(shù)(F)。

        因二次雷達(dá)探測(cè)是在極坐標(biāo)系下完成的,在航跡處理時(shí),根據(jù)曲線擬合最小二乘法算法的特性,常采用直角坐標(biāo)系進(jìn)行計(jì)算,故需對(duì)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)的位置信息進(jìn)行直接坐標(biāo)系的變換:設(shè)目標(biāo)在極坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值為(R,θ),在直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值為(x,y),則轉(zhuǎn)換公式如公式(4)和公式(5)。

        對(duì)x軸歷史樣本值分別進(jìn)行二次曲線擬合和一次曲線擬合。二次曲線擬合計(jì)算出其二次曲線函數(shù)的系數(shù)數(shù)組a2[2],一次曲線擬合計(jì)算出其一次曲線函數(shù)的系數(shù)數(shù)組a1[1]。再由設(shè)定的一階占比率計(jì)算出本次預(yù)測(cè)值(V1)和均值差(V2)。二次曲線預(yù)測(cè)值(V3)=a2[2]·N2+a2[1]·N+a2[0];一 次 曲 線 預(yù) 測(cè) 值(V4) = a1[1]·N+a1[0];V1=V3·(1-P1)+V4·P1。,其中Prei是歷史預(yù)測(cè)值,Vali是歷史樣本值。

        在計(jì)算出V1和本次探測(cè)值(DV1)的差值(DV2),當(dāng)DV2FV2時(shí),表明當(dāng)前擬合曲線偏離目標(biāo)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)軌跡曲線,需要修正本次探測(cè)值,修正偏移量(OV)的計(jì)算公式為:。若V1>DV1,則修正探測(cè)值(FV)=DV1+OV;若V1

        然后將FV帶入擬合樣本數(shù)中,分別進(jìn)行二次曲線擬合和一次曲線擬合。二次曲線擬合計(jì)算出二次曲線函數(shù)的系數(shù)數(shù)組a2[2],一次曲線擬合計(jì)算出一次曲線函數(shù)的系數(shù)數(shù)組a1[1]。再由設(shè)定的一階占比率計(jì)算出本次擬合后數(shù)值(SV)。二次曲線擬合值(S2)=a2[2]·N2+a2[1]·N+a2[0];一次曲線擬合值(S1)=a1[1]·N+a1[0];擬合后數(shù)值(SV)=S2·(1-P1)+S1·P1。最終濾波值= DV1·(1-Pf)+SV·Pf。y軸的濾波處理和x軸是相同的處理過(guò)程。

        完成對(duì)x軸和y軸的曲線擬合最小二乘法濾波處理后,得到x'和y'。再將其轉(zhuǎn)換至極坐標(biāo)下的距離和方位,其轉(zhuǎn)換公式如公式(6)和公式(7)。

        即可得到濾波后的目標(biāo)距離(′R)和方位(′θ)。

        根據(jù)濾波算法的工作原理,若擬合點(diǎn)數(shù)的數(shù)值過(guò)大,則會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)滯后,不利用機(jī)動(dòng)或轉(zhuǎn)彎目標(biāo)的濾波,若擬合點(diǎn)數(shù)的數(shù)值過(guò)小,則因擬合樣本值太少,達(dá)不到擬合效果;若一階占比率的數(shù)值太高,則對(duì)直線飛行目標(biāo)濾波效果好,但轉(zhuǎn)彎或機(jī)動(dòng)目標(biāo)濾波效果差,若一階占比率的數(shù)值過(guò)低,則直線飛行目標(biāo)的濾波效果差;若擬合占比率的數(shù)值太大,則會(huì)趨向擬合運(yùn)動(dòng)模型,偏離真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡;若擬合占比率的數(shù)值太小,則航跡濾波效果不佳;若修正系數(shù)的數(shù)值偏高,則會(huì)趨向擬合運(yùn)動(dòng)模型,偏離真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡;若修正系數(shù)的數(shù)值偏低,則濾波效果會(huì)不理想。故這4個(gè)航跡濾波參數(shù)直接影響航跡濾波的最終效果。

        原工程應(yīng)用中,二次航跡濾波處理中擬合點(diǎn)數(shù)固定設(shè)置為5次,一階占比率固定設(shè)置為0.7,擬合占比率固定設(shè)置為0.6,修正系數(shù)固定設(shè)置為1.3。雖對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡模型失真的情況進(jìn)行了修正處理,但是固定的航跡處理參數(shù)針對(duì)所有目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行濾波處理,導(dǎo)致目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡效果并不理想。

        2 基于小型相控陣二次雷達(dá)自適應(yīng)航跡濾波的方法

        針對(duì)上述問(wèn)題本文提出,通過(guò)計(jì)算每個(gè)目標(biāo)的歷史運(yùn)動(dòng)航向變化特性,得到目標(biāo)運(yùn)動(dòng)航向的變化趨勢(shì),由航向變化趨勢(shì)來(lái)判斷目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),再由已知的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)參數(shù)來(lái)自適應(yīng)的調(diào)整4個(gè)航跡濾波參數(shù),從而使航跡濾波效果達(dá)到更佳的狀態(tài)。

        首先是根據(jù)記錄的歷史航向樣本值,由公式(8)計(jì)算出最近n(n通常取5)次的航向平均值,再由公式(9)計(jì)算出航向變化的均方差。

        其中Hi表示歷史航向樣本值,表示航向平均值,ΔH表示航向變化的均方差。

        然后根據(jù)航向均方差來(lái)查找自適應(yīng)匹配表,從而達(dá)到自適應(yīng)調(diào)整擬合點(diǎn)數(shù)、一階占比率、擬合占比率、修正系數(shù)的數(shù)值,使之航跡濾波參數(shù)與飛行目標(biāo)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡盡可能地相符合。最后使用曲線擬合最小二乘法濾波算法進(jìn)行航跡濾波處理。自適應(yīng)航跡濾波處理的整個(gè)過(guò)程圖如圖1所示。

        圖1 二次雷達(dá)自適應(yīng)航跡濾波處理流程圖

        本工程項(xiàng)目示例的相控陣天線主要指標(biāo):2500mm (長(zhǎng))×540mm(高)×400mm(寬),法向波束寬度≤10度,±45°波束寬度范圍≤15度,調(diào)度波位寬度為2度。其對(duì)應(yīng)的自適應(yīng)系數(shù)匹配關(guān)系詳見(jiàn)表1。

        表1 自適應(yīng)系數(shù)匹配表

        3 工程實(shí)現(xiàn)

        在工程實(shí)踐中,通過(guò)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)上述方法,大幅度提升了基于小型相控陣天線二次雷達(dá)的航跡濾波效果,目前已在實(shí)際工程項(xiàng)目中成功應(yīng)用。工程中采集了2個(gè)特征明顯目標(biāo)的數(shù)據(jù),第一個(gè)直線飛行目標(biāo)的航跡濾波處理效果對(duì)比圖如圖2, 觀察圖2可知,點(diǎn)跡探測(cè)效果軌跡扭曲得非常明顯。在原曲線擬合最小二乘法算法濾波下,目標(biāo)軌跡雖有一定的平滑度,但仍然有明顯的扭曲度。在使用自適應(yīng)曲線擬合最小二乘法算法后,目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡明顯得更加趨于直線。

        圖2 直線目標(biāo)的航跡濾波處理效果圖

        第二個(gè)轉(zhuǎn)彎飛行目標(biāo)的航跡濾波處理效果對(duì)比圖如圖3所示。觀察圖3可知,點(diǎn)跡探測(cè)的位置稀疏不一。在原曲線擬合最小二乘法算法濾波下,目標(biāo)軌跡稍有平滑,但轉(zhuǎn)彎時(shí)有位置外突的現(xiàn)象,偏離目標(biāo)的真實(shí)軌跡。在應(yīng)用自適應(yīng)曲線擬合最小二乘法算法后,目標(biāo)的軌跡位置稀疏度更加均勻,轉(zhuǎn)彎時(shí)位置更新與點(diǎn)跡之間的時(shí)延性低,更加符合目標(biāo)飛機(jī)的真實(shí)軌跡。

        針對(duì)目標(biāo)直線飛行或轉(zhuǎn)彎飛機(jī)的情況,采用本文提出的自適應(yīng)航跡濾波算法后,輸出的飛行目標(biāo)軌跡效果明顯更加平滑、位置更新的延時(shí)性低、更加貼近目標(biāo)飛行的真實(shí)軌跡,從而提高二次雷達(dá)設(shè)備的在配套小尺寸相控陣天線時(shí)對(duì)應(yīng)的探測(cè)位置精度指標(biāo)要求。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        本文通過(guò)計(jì)算最近n(n通常取5)次目標(biāo)飛行航向變化的均方差值,使航跡濾波參數(shù)可根據(jù)均方差的數(shù)值進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)整,確認(rèn)每個(gè)目標(biāo)的航跡濾波處理過(guò)程中都有一個(gè)合宜的航跡軌跡模型所對(duì)應(yīng)的航跡濾波參數(shù),進(jìn)而有效地優(yōu)化了航跡濾波處理的效果,提高了二次雷達(dá)設(shè)備的探測(cè)位置精度。

        通過(guò)數(shù)據(jù)分析與比較,本文中的自適應(yīng)航跡濾波方法能在一定程度上提升基于小型相控陣天線二次雷達(dá)設(shè)備的探測(cè)位置精度,改善二次雷達(dá)設(shè)備性能。此方法是以探測(cè)點(diǎn)跡的位置為基準(zhǔn),故還需設(shè)備前端盡可能地提高性能,從而提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

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