一种基于三坐标雷达的点迹凝聚方法

周 喃

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

在现代战争电子信息化的背景下，被称为“千里眼、顺风耳”的雷达日益重要。作为雷达系统的核心部分，信号处理越来越受到关注，技术指标要求也越来越高。雷达系统的主要任务就是判定目标是否存在，以及对多批次多目标进行精确的探测和跟踪，而回波数据的点迹提取是这一切任务实现的基础。性能良好的点迹提取系统能够精确有效地提取目标，这对于雷达系统的性能有着至关重要的意义。

随雷达系统的工作方式及参数不同，需要处理的数据内容及具体方法也不相同。本文所述的点迹提取是针对典型三坐标雷达而言的，系统对回波数据进行采集，并以重复周期为单位进行数据的预处理、处理，提取出目标信息，送航迹处理和终端显示。由于目标与雷达载机平台的相对运动及雷达照射波束的主旁瓣关系，属于同一目标的回波信号一般会在相邻的距离、俯仰波束和方位分辨单元都有体现。因此，要提取准确、有效的目标信息，点迹提取系统解决的首要问题就是进行3个维度上的凝聚［1-2］。

1 点迹凝聚的技术概述

1.1 回波信号的特性及凝聚的意义

理想的目标回波在方位上应表现为雷达天线方向图的展宽，而在距离上则取决于信号处理机所采用的脉冲压缩波形。图1 从距离、方位、俯仰角度三方面展示了回波的特性。如图所示，经典的三坐标雷达一般是机械扫描天线雷达，天线波束有一定的宽度，转速较慢(一般是6 r/min），波束扫过目标时将获得一串回波脉冲，所以一个点目标在可检测方位上可能占据几十甚至上百个主脉冲。同时，点目标回波信号经过脉冲压缩处理后，在距离方向上也同样存在展宽，通常将雷达作用距离由近及远等分成多个距离单元τ，每个τ代表150 m，意味着一个目标可能在相邻的几个距离单元上都产生过门限数据。另外，由于俯仰方向是接收多波束Bi(i=1…n，n为形成的俯仰波束个数），相邻波束之间的交叠处Jik(i，k 是交叠的两个波束号）信号强度要求不超过峰值的3 dB 衰减，从而确保俯仰全空域的探测覆盖，但同时也造成了相邻多个波束都能有效照射到目标，产生多个过门限信号［3-5］。

因此，回波信号经前端处理以后，一个目标可能在不同距离、不同方位和不同俯仰波束同时输出多个过门限的信号，若不经过融合处理，就会在3个维度上产生多个点迹，这样就很难满足航迹处理一个目标在某一时刻只有一个点迹的要求。而且，点迹提取系统的设计者必须面对如何确定目标真实的距离中心、方位中心和俯仰角度的问题。对于三坐标雷达系统而言，这个问题尤为重要。点迹提取的精度必须足够高，才能满足雷达系统对距离、方位和高度分辨力的要求。所以，原始信号的融合处理——点迹凝聚(plots-centroid）理所当然地成为目标点迹提取的核心步骤。

图1 目标回波在距离、方位、俯仰3个维度上的典型特性

1.2 凝聚前的原始数据预处理

有目标时雷达系统接收到的是目标信号加噪声，而没目标时接收到的只有噪声。信噪比大小不同，进行目标检测的难易程度也不同:信噪比大时目标检测较容易，而信噪比小时目标检测就比较困难。对雷达使用者来说，关心的不是信噪比的大小，而是直接判定目标是否存在的结果，所以目标信号是否能准确检测出来对雷达系统至关重要。原始回波数据经过前端脉冲压缩、滤波、恒虚警等技术处理后，将以脉冲重复周期(FR）为单位，按照距离单元、俯仰波束依次分层排列的形式送至点迹提取系统。某距离单元中一个俯仰波束的信号就是点迹提取的基本操作单元(以下简称“提取单元”）。此时的输入数据中还包括相当多的杂波数据和虚警。为减轻系统压力，提高提取效率，必须要设定合适的门限滤除杂波数据。门限不可过高，否则很可能会无法检测小目标或弱信号目标，也不可过低，否则就失去了设置门限的意义。因此，具体的门限值一般是根据经验划定范围，再根据实际的观测效果调整得到［6-7］。

过门限检测是点迹提取的入口操作。经过门限检测后，所有提取单元的信号分为0/1两种状态，后面的所有操作都只针对过门限(状态为1）的提取单元进行。另外，对于前端进行了动目标检测(MTD）处理的数据，每个原始的提取单元还会细分为多个频道，这时需要首先进行频道筛选(通常是幅度选大），取出一个频道的数据作为实际的提取单元，进入下一步处理。

1.3 点迹提取——凝聚的基本处理流程

点迹凝聚的最终目的就是对3个维度上展宽了的目标信号进行融合，属于同一目标的，进行“合并”，分属两个或多个目标的，进行“区分”。凝聚的过程中，可同时精确测算目标的距离、方位和仰角。由于前端数据是以FR为单位送来，因此点迹提取——凝聚操作也是以FR为周期由数据触发，每个FR 全距离段处理一次，单次处理的具体流程如图2所示。

图2 点迹提取——凝聚的基本处理流程

2 关键技术和实现方法

2.1 FR 内融合——距离和俯仰波束凝聚

距离/波束凝聚主要完成同一个FR 内(同一方位）、不同距离单元以及俯仰波束的目标检测，基本的方法是幅度选大提取，然后进行单脉冲参数测算处理。设计原理是首先对各个距离单元判别各俯仰波束幅度是否过门限，根据过门限的幅度值找出俯仰包络峰值及当前包络峰值所在波束。然后，将包络峰值和相邻距离单元(±1τ）上对应波束的幅度值相比较，如果此包络峰值在距离上同时为极值，则认为找到一个疑似目标点，根据此包络峰值的一些信息测算目标参数。

2.1.1 波束选大——取包络“峰值”

波束选大是多个波束之间相互关联的一种经典处理算法。在俯仰接收多波束的情况下，对于同一脉冲重复周期、同一距离单元内，比较各波束上过门限的信号幅度，取包络峰值所在波束作为当前目标中心波束。根据实际经验，在一定仰角范围(20°）内，同一时刻同一距离单元出现不同高度的两批目标概率极低(除非是特技飞行表演）。因此，比较幅度只取峰值点，而不是极值点。换句话说，一组接收多波束(由同一个发射波束形成）至多只会凝聚出一个目标。

如图3所示，一个发射波束形成6个接收波束，信号幅度值分别是A1～A6，其中过门限的是2、4、5、6波束，整个包络形成2个极值点A2和A5，经过比较A5是峰值点，因此认为目标中心位于5波束，波束选大的结果为B5。

2.1.2 距离选大——取包络“极值”

距离选大通常安排在波束选大之后进行，以波束选大的结果为对象考察其同波束信号在距离维上的状况，主要目的是完成距离维幅度包络极值点的提取，从而产生疑似目标点。根据各个距离段的幅度值不同，距离分辨力的高低，可以提取不同的包络极值。在距离包络中可能会遇到复杂的回波信号，如图4所示(横轴每一个刻度代表一个距离单元）。可以看到，在8个τ(1200 m）的范围内，出现了3个极值，其中Ra、Rc较为明显，基本可以确定为目标;Rb幅度偏低，可能是邻近目标产生的距离副瓣，也可能是较弱的小目标。一般情况，若距离分辨力要求不低于500 m(＞3τ），可以只取Ra、Rc为两个极值点为目标;若距离分辨力高一些(如≤300 m），可将Rb也定为目标。具体的情况要按照雷达的具体指标要求具体处理，权衡提高距离分辨力和降低虚警率的取舍。

图4 距离-幅度变化示意

如果距离分辨力要求不高，那么经过波束选大处理，在某距离单元Ri(i为距离单元序号）上得到结果Bk(k为波束选大得到的中心波束号），其幅度值为Aik，则只需考察其前后相邻距离单元(Ri±1）上同波束k的幅度A(i±1）K的情况，前提是A(i±1）K过门限。若同时满足如下2个条件①②(其中f(Rx）是过门限判定函数，若Rx过门限则取幅度原值Aix，不过则按为0处理），则认为Ri上得到的Bk是距离极值点，即产生一个疑似目标点，立即保存该提取单元的相关信息，建立相关的数据结构，进入下一步处理;否则，认为Bk不是距离包络极值点，不会是目标，该提取单元处理结束。

如果要求的距离分辨力较高，则可视具体要求，增加考察的距离单元数，譬如前后两个距离单元(Ri±2）的情况，操作步骤同上，考察条件由2个增加为4个即可。

3.1.3 单脉冲目标参数测算

经过距离/波束凝聚后，可以得到疑似目标点，在进行多重复周期累积相关之前，需要测算出当前脉冲下该目标的具体参数，包括距离、方位、仰角以及其他一些点迹提取所需要的信息。

(1）距离R

可参照距离选大后的结果，由于在方位凝聚后还要进行二次融合提取，因此确定极值所在的距离单元为当前目标距离已基本足够。若要进一步提高精度，可以取前后距离单元幅度值做3 点加权平均，求质心距离，方法如下所示。

(2）方位角α

一般来说，在天线机械扫描的过程中，发射和接收波束中心线在水平面上和天线机械方位(法线方位）是一致的，因此经典的算法是:当前目标方位α=当前天线法线方位Az+目标相对于波束中心偏角△Az。其中，Az 可以根据回波数据的参数字头直接得到，而△Az 则需要利用方位上的和、差波束，进行“和差波束测角”得到(见图5）。

图5 和差波束测角示意

(3）仰角β

波束凝聚后可得到目标中心波束，每个波束的中心仰角是预设的，且各波束上的信号幅度已知，可以进行比幅测角。参照图3，目标中心位于5 号波束，再根据相邻的4、6 号波束幅度，进行三波束比幅测角，令β4、β5、β6分别为4、5、6波束的俯仰指向角，计算方法如下:

以上参数测算完毕后，要建立一个新的目标结构体，存在指定的目标相关缓区中，为后面的方位凝聚作准备。

2.2 FR 间融合——方位凝聚提取点迹

如图6所示，天线波束总是具有一定宽度△A，机械转动时，目标从一侧进入照射范围到从另一侧离开照射范围，天线将正好转过角度△A。同时，由于传统三坐标雷达天线转速通常不超过6 r/min，若发射重复周期为T，那么在此期间内，将获得n个回波脉冲:

可以看出，波束越宽，周期越短，转速越慢，n的值就越大。通常一个正常回波强度的点目标在可检测方位上至少占据十几个主脉冲。理想情况下，每个脉冲都会在同一距离、同一俯仰波束上检测出疑似目标保存在指定的相关缓区中，而这n个可检测脉冲对应的天线方位均不同，为了形成最终的点迹，必须再进行一次判别和凝聚，这就是脉冲间融合——方位凝聚。

2.2.1 目标检测和判断

为了剔除噪声和干扰造成假目标，并尽可能多地收集有效脉冲参与积累融合，提高测算准确度，方位凝聚有一个关键的前提，就是疑似目标必须满足真实目标的判定提取的条件。对于距离/波束凝聚得到的多个连续脉冲积累的疑似目标，为了判定是否是真实目标以及选择提取点迹的时机，本文采用基于开始/结束准则判定的滑窗检测法。

使用滑窗检测法，要点是在距离/波束凝聚完成后，对首次检测出的疑似目标，创建一个二进制位操作滑窗检测标，初始值设为1，后面的每个脉冲都要对之前所有已存在的疑似目标进行录取标定，若同距离同波束上本次脉冲也检测到疑似目标点则将其检测标左移加1，若没检测到则左移加0。同时，每个脉冲处理流程都要遍历相关缓区内所有疑似目标的滑窗检测标，执行如下操作:

(1）“开始”判定

截取滑窗检测标后m 位为检测窗，计算窗内“1”的个数是否达到了n个，即执行“n/m 开始”准则，判定真实目标起始，置起始标志为“1”，否则保留该点不作处理。

(2）“结束”判定

截取滑窗检测标后k 位为检测窗，考察窗内是否全“0”，即执行“k个0 结束”准则。如果不是全“0”，则认为目标尚未扫描结束，保留该点不做处理;如果全“0”，则再查看起始标志值，“1”表示该点是真实起始的目标，当前已结束，开始提取点迹，而“0”则表示尚未起始，非真实目标，直接丢弃该点。

使用滑窗检测法，既可实现科学合理的判定目标，又可剔除大部分的噪声和干扰。更加值得一提的是，上述准则中的“m”、“n”、“k”一般依经验事前设定，在实际操作过程中，可根据实际效果和需要随时调整，灵活易用。

2.2.2 脉间融合提取点迹

脉间融合目的是完成凝聚，提取点迹，其主要设计原理是根据多个重复周期(FR）之间相关的疑似目标点参数信息，使用统计学的方法拟合出当前目标的精确三坐标参数以及其他的信息。

每个满足开始/结束准则的目标点，其相关缓区都保留了n个FR的单脉冲参数Pi(Ri，αi，βi…）。此时要把所有的Pi进行二次融合，形成唯一的目标点P，完成方位凝聚，提取出点迹。常用的二次融合方法主要有“质心法”(加权平均）、“中间值法”(算术平均）和“幅度取大法”等。依据经验和实际效果，本文分别对各参数采取了不同的办法进行融合。

(1）距离R

单脉冲测的距离一般已经较为精确，所以可以直接采用“中间值法”求得:

(2）方位α

信号幅度在方位上成一般呈高斯分布，故采用“质心法”，结合信号幅度信息进行统计学拟合:

(3）仰角β 及其他参数

对于仰角β 及其他参数，经验表明，只要是有效照射到目标的脉冲，其测量结果基本可反映目标状态，因此直接选用信号幅度最强(Amax）的脉冲的测量结果即可。

所有参数拟合完毕后，该目标的方位凝聚也就完成了。将计算的结果填入协议规定点迹数据包，即可作为最终结果提交系统。

3 结束语

本文基于三坐标雷达的原理，根据实际目标回波信号在距离、方位、仰角3个维度上存在展宽现象的典型特性，进行了较为深入的分析，提出了一种实际可行的凝聚准则和算法。同时，将各种统计学的方法灵活运用在距离、方位、仰角的三维凝聚和参数测算中，提高了目标提取的真实可信度和点迹参数的精度。该方法已在现实产品中成功得以应用，充分证明了其在工程上的实用性。

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