检测前跟踪技术在雷达终端数据处理中的应用

检测前跟踪技术在雷达终端数据处理中的应用

自探测雷达小型目标以来，检测低合作重点一直是一个非常挑战的研究主题。传统雷达首先检测每个初始数据的阈值，然后使用阈值测量跟踪和处理后的跟踪。这种方法可以抑制数据流，但也会丢失许多有用的信息，特别是随着弱目标的发展和设备的广泛使用，如隐身飞机、巡洋舰、无人机等。为了提高对低目标的识别和跟踪效率，检测和跟踪前的多段原始数据需要获得能量。同时，检测前的跟踪算法（nbd）受到了高度重视。检测前跟踪(TBD)技术是一种低信噪比下信号检测和跟踪技术,最初主要针对红外弱目标,近来TBD检测算法也应用到雷达系统中.常用的TBD方法有基于Hough变换的直线航迹积累法,基于粒子滤波的递归方法以及基于动态规划的能量积累法.基于Hough变换TBD方法受限于目标航迹,当目标偏离直线航迹时,能量积累性能严重下降.基于粒子滤波的递归方法计算量大,而且不利于工程实现.通过对雷达点迹长期大量的积累和统计,本文结合目标在雷达斜距上移动的连续性和相对稳定性,对某型气球载雷达数据处理方法进行了探讨,使用了一些新方法来帮助用户判断不明空情,为雷达用户提供了更加可靠的信息.1自动发现的目标目标分类标准很多.从威胁空中交通管制和国家安全角度出发,本文不从军民或大小来划分,而是按照合作与非合作目标划分成两大类.合作目标就是飞行器携带二次雷达应答器,雷达由询问机发射规定编码的询问信号,飞机上的应答器接收此询问信号,译码并显示飞机代码和位置,地面雷达解码就能得到目标位置信息.能够被民用航管雷达或敌我识别器识别的目标都属于这个范畴.合作目标绝大多数都是严格按照空管飞行计划飞行,对于空中交通管制系统来说这种目标都是安全的.真正威胁大的是那些没有使用二次雷达应答器的非合作目标,此类目标只能依赖一次雷达的反射回波来发现,由于虚警和地杂波等因素的干扰,非合作目标,特别是低空、低速、低截获概率的隐身目标(低慢小目标)往往需要很长一段时间才会被人关注到.因此从雷达使用的角度出发,如果能减少判断决策时间,及时自动发现非合作目标,杜绝隐患是非常必要的.2处理低慢目标的方法对于非合作目标,问题的难点不仅仅是如何对付像快速飞行的目标,还有可能面临低空低速小型飞机(低慢小目标)的威胁.不久的将来,我国低空空域也要开放,300m、600m、1000m以下高度将充斥大量私人飞机,慢速直升机,如何安全有效实行低空交通管制值得深思.地面雷达由于受到地球曲率、地形地貌和高大建筑遮挡的限制,往往很难发现非合作的低慢小目标,即使发现,持续时间也不长,不易掌握此类目标的空情信息.气球载雷达升空工作后,在低空和超低空探测领域有着天然的优越性,由于几乎没有遮挡,地球曲率也影响不到观察,所以在其威力范围内,能够全程发现低空目标.空对地俯视雷达由于作用范围内大部分地区都是强烈的地杂波反射回波,这种情况下单纯依赖常规反射雷达照射能量来发现空中目标的方法已经不能解决实际问题.采用信号处理中常用的MTI或MTD技术,虚警率依然很高,因此必须研究新的手段来解决此类问题.从雷达技术发展来看,更多的空对地雷达采用了脉冲多普勒体制,通过把TBD方法的思想有效地引入到雷达数据处理中来,再结合先进的数据处理技术来识别有一定径向速度的目标,从而把目标从强杂波的背景中有效地分离开来,而且虚警率也得到了有效控制.2.1低慢小目标检测同一目标,多帧的点迹间存在位置和速度上的相关性,如果找到一条关联性强的点迹轨迹,把它用区别背景的方式醒目地显示出来,提醒操纵员注意这些移动的目标,这种计算机自动处理帧与帧之间强相关点迹的过程称为点迹数据滤波技术.举例来说,图1是一幅雷达原始点迹积累多帧以后的叠加的画面,其中150~50km以内有低慢小目标,为了方便小目标被检测到,降低了该区域的信号处理门限.因此依赖人工从中发现低慢小目标非常困难.从图1可知,如果不依赖计算机数据滤波处理技术,仅依靠人工发现低慢小目标或者非合作目标显然是不可能的.在某型雷达检飞期间,如果完善数据滤波技术,对同样的画面,经过计算机全自动数据滤波技术处理,可以得到如图2所示的清洁雷达画面效果.其中圆内检飞的低慢小无人机点迹被数据滤波软件自动检测出来.根据叠加了多帧的数据回波余辉,很容易发现整个量程范围内有移动特征的目标的运行轨迹.用有别于背景、又符合传统回波颜色的绿色来突出显示计算机识别出来的移动目标点迹,付出的代价是计算机处理需要延迟2~6帧,速度越快的目标,延迟帧数越少;背景越复杂,速度越慢的目标,数据滤波延迟时间越多.由于强调目标尽早发现,使得计算机自动过滤时间不能无限延迟,要尽快从大量点迹中过滤出有价值的点迹,不可避免带来虚警点迹和虚假航迹问题,最好的办法就是把人和计算机有机结合起来,为此引入了TBD技术.2.2球载雷达暂航迹控制经过数次扫描的积累,在目标的航迹被估计出来后检测结果与目标的航迹同时宣布.TBD算法的特点使其适合于低信噪比背景下的弱小目标的检测.用好TBD算法,前提必须是虚假航迹发生概率低,否则人们不敢使用并相信计算机相干处理出来的航迹.为此通常的做法对计算机硬件要求很高,需要多个服务器、大量存储器用来并行计算并存放大量检测前假设的暂时航迹.通常雷达数据处理机是嵌入式计算机,内存几百兆,而对于气球载雷达每帧需要处理上万个点迹.如何既利用TBD思想发现目标,又不使计算机饱和崩溃,需要克服的困难有:解决TBD算法下,大容量暂时航迹筛选方法,控制暂时航迹分支数量;自动起始的航迹可信度高,虚假航迹少;航迹最终总由人工确认并上报,而不是自动上报.为此,采用如下关键技术:(1)逐帧丢弃大量相关性差的点迹和暂时航迹;(2)用穷举法,对每一个点迹关联多条可能的暂时航迹;(3)累积帧数越长的关联的暂时航迹,维持时间也越长;(4)根据出现的虚警航迹多寡,自动设置TBD关联帧数,达到真正的目标都能被自动发现,虚假航迹极少.这些技术适应于不同情况下工作的地面情报警戒雷达.图3给出了数据滤波后未经过TBD算法和经过TBD算法的航迹自动跟踪图.图3(a)是积累了8帧数据滤波后回波余辉的画面,能否发现低慢小回波(图中圆内)完全取决于操纵员个人素质和警惕性.采用TBD算法后,相同数据下,2min内计算机就能自动起始容易被操纵员忽视的非合作目标.操纵员需要做的事情基本上就是决定要不要上报TBD发现的航迹.图3(b)中圆圈内航迹是低截获概率小型无人机,它以100km/h超低空贴地飞行,低慢小目标从20km出现,23km被TBD数据处理自动航迹起始,数据处理软件TBD方法可以给出从第一点开始位置(20km处)到最后一点(23km处)判明是真航迹的所有轨迹.2.3低慢小目标航迹与虚假轨迹的区分由于采用TBD技术,计算机保留了航迹被检测前的位置信息,所以一旦出现TBD航迹,是伴随历史轨迹(通常2min内,可自由设定)一同出现,给操纵员判断目标起始位置、目标速度、航向和目标特性提供了依据,对于快速目标很容易区分是不是飞机.但是由于我国公路网的迅速发展,高速、一级、二级公路上行驶的汽车多数能被检测到,加上越来越密集的高铁、动车、城际列车,只要相对雷达径向移动达到一定速度,画面上都可能出现检测到的点迹.再做一个提高多普勒检测门限实验:当速度门限提高到35m/s,雷达作用范围内高速公路上熙熙攘攘的回波不见了,35m/s折合126km/h,而高速公路限速120km/h.如果把汽车轨迹也当低慢小目标航迹上报,那就是虚假情况,为此,本文给出3种区分低慢小目标航迹与虚假轨迹的方法.1)根据最新公路铁路地图,建立数字化地图,随时调出到雷达画面,比对类似低慢小目标的航迹是不是汽车.图4给出了叠加数字化地图的雷达画面(曲线为高速公路).099批航线长、连续且没有与公路线铁路线吻合,所以是低慢小目标,而151批和156批航迹完全与公路重叠,应该更可能是汽车.如果没有其他情报来源,操纵员不用上报操作该批就行了.对于辨明低慢小目标与动车和城际列车的差异,除了要结合铁轨路线以外,还要记住运行时刻表.2)建立固定和动态的软件杂波图,对阵地明确以后的周围地形地图制作高速公路分布图,使得图内慢速目标不自动形成航迹.对未知区域经常露出来的固定点迹交由软件实时统计形成软件杂波图,根据杂波强度采用不同的宽松或严格的起始准则.3)借助周围其他雷达发现的航迹相互印证不明空情.为提高情报准确率和及时性,结合阵地实际情况,还可以自由定义最多9个不同TBD起始帧数的区域,使得快目标在清洁区尽快自动起始航迹.并且做到在复杂背景下,慢速目标的虚警航迹尽量减少或不出现.3帧后,移动点迹提示对于国土防空面临低慢小、非合作目标发现难、跟踪难的现状,针对人工判断起始航迹的不确定性,设计了本文的工作方式.在雷达录取计算机工作2~6帧以后,用区别