面向多傳感器數據融合的雷達顯控終端的設計方法

郭新民

(1. 92785部隊,河北 秦皇島 066200；2. 北京理工大學雷達技術研究所,北京 100081)

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面向多傳感器數據融合的雷達顯控終端的設計方法

郭新民1,2

(1. 92785部隊,河北 秦皇島 066200；2. 北京理工大學雷達技術研究所,北京 100081)

提出了一種面向多傳感器數據融合的雷達顯控終端的設計方法。將雷達回波錄取、目標檢測與跟蹤、視頻采集與回放、目標屬性識別等信息顯示集成在一起,將二次雷達及船舶自動識別系統(AIS)發送的識別結果與一次雷達融合處理,輸出目標的屬性、航跡、編隊及敵我身份等信息,提高雷達的戰場信息感知能力。

顯控終端;數據融合;視頻采集

0 引 言

隨著現代電子對抗技術的不斷發展,戰爭對信息的獲取、傳輸及處理都提出了更高的要求,而雷達作為對空海監視防御的千里眼必須滿足現代戰爭的需求[1]。顯控終端是雷達的重要組成部分,是操作員與雷達進行信息交互的平臺,實現對雷達的操控及參數設置,顯示雷達的工作狀態及一、二次目標信息。隨著數字信號處理技術與大規模集成電路技術的不斷發展,顯控終端經歷了從模擬終端、模數混合終端到數字終端的發展過程[2]。為滿足顯控終端不斷發展的需要,本文提出了一種面向多傳感器數據融合的顯控終端設計方法。經理論分析及實際應用表明,該顯控終端可提供全面的戰場態勢信息,可靠性高,適應性好,具有廣闊的應用前景。

1 功 能

本文設計的雷達顯控終端主要用于完成以下功能:

(1) 雷達操控、開機自檢、狀態監控與報警;

(2) 電子海圖以及一、二次目標信息顯示;

(3) 目標屬性、操控指令、工作狀態、故障檢測等信息的顯示與存儲;

(4) 目標信號的檢測、關聯濾波、外推及補點跟蹤等數據處理[3];

(5) 一次雷達與二次雷達及AIS的目標航跡處理、關聯及融合;

(6) 目標航跡的存儲、視頻采集與回放;

(7) 模擬雷達回波信號,完成終端自檢、調試以及培訓操作員等功能。

2 雷達顯控終端的設計

顯控終端主要由電子機箱、顯示器及外圍操控設備等組成,其中電子機箱分為人機交互單元和航跡處理單元兩個部分。人機交互單元主要實現操作員對雷達系統的操控、狀態監控與報警、顯示處理、視頻采集與回放等功能。航跡處理單元主要實現目標回波信號的檢測、數據關聯與跟蹤、多傳感器數據融合等功能。顯控終端工作原理如圖1所示,其中各功能模塊之間傳輸的信息主要有數據流、操作流和狀態流。

圖1 顯控終端工作原理框圖

2.1 人機接口單元

人機接口單元由CPU、信號分配、綜合顯示、視頻采集回放、雙冗余網絡、同步串口、異步串口和網絡交換等模塊組成,其內部數據流程圖如圖2所示。

圖2 人機接口單元數據流程圖

信號分配模塊由FPGA芯片及外圍元件等組成,主要用于:

(1) 接收終端的各項控制信息;

(2) 接收主機的時碼信息,完成時統對時;

(3) 接收信號處理分機發送的空/海視頻和零距離脈沖以及伺服分機發送的方位角信息,處理后分配給航跡處理單元、綜合顯示模塊及視頻采集回放模塊。

如圖3所示,綜合顯示模塊是顯控終端的顯示處理中心,一方面將數字回波信號與數字方位信號進行坐標變換處理,生成P顯全景圖像及微B顯圖像;另一方面接收雷達參數設置信息、狀態監控與報警信息及其他操控信息,將這些信息分層顯示。

圖3 綜合顯示終端圖

視頻采集回放模塊由CPU、采集回放及數據存儲等模塊組成,可根據操控指令切換實時視頻數據或回放視頻數據的輸出。視頻采集回放模塊可以實時地記錄顯示器的視頻信息,按照MPEG4格式存儲在數據存儲模塊上,并可實時地從數據存儲模塊讀取視頻存儲數據,解壓并且回放到顯示器上,重現雷達訓練或試驗時的雷達數據,為專家進行事后數據分析提供保障。

2.2 航跡處理單元

航跡處理單元由數據處理、數據融合、數據存儲及電源等模塊組成,其中數據處理模塊由接口交換、檢測凝聚、航跡處理等部分組成。檢測凝聚模塊和航跡處理模塊的硬件設計完全一致,采用X86CPU和FPGA聯合處理的架構。CPU模塊負責復雜的算法實現。FPGA模塊實現并行處理算法。這種構架具有處理能力強、任務分配簡單、易于調試等優點,處理模塊間采用串行RapidIO和以太網的形式互聯以實現高速傳遞數據。

數據處理模塊通過對目標航跡的處理以實現對目標的跟蹤。目標航跡處理包括航跡的建立、目標航跡和雷達獲取的觀測數據的相關處理、航跡的濾波、預測及終止[4]。航跡相關算法首先判斷本次獲取的觀測是否在航跡的相關波門之內,然后將相關波門內的觀測和航跡進行正確配對。航跡預測是在本次航跡濾波值的基礎上根據目標運動模型來估計目標未來的狀態。濾波用來估計目標當前的運動參數,把本次相關的觀測和預測航跡估計合并處理形成新的目標運動參數[5]。本文采用Kalman濾波算法進行航跡的濾波和預測,能較為準確地得到目標的位置信息。數據處理模塊流程圖如圖4所示。

圖4 數據處理模塊

數據融合模塊主要將二次雷達與AIS發送的目標數據信息與一次雷達的目標信息進行數據預處理、航跡關聯及航跡融合等處理,綜合顯示目標的屬性信息。對空目標輸出一次雷達與二次雷達的數據融合結果,對海目標輸出一次雷達與AIS的數據融合結果。數據融合模型如圖5所示。

圖5 多傳感器數據融合模型

由于一次雷達、二次雷達及AIS三者對目標的觀測時間和空間基準點不同,因而為便于進行數據信息融合,應先對輸出的目標數據進行坐標變換和時間對準等處理。數據融合的關鍵是航跡關聯,即判斷來自兩個傳感器的兩條目標航跡是否為同一個目標,即解決空間覆蓋區域中的重復跟蹤問題,經航跡關聯檢驗確定是同一目標的航跡可進行航跡融合處理,得到目標狀態估計。航跡融合的主要方法是基于統計加權估計,將雷達測量的目標位置信息與二次雷達/AIS接收的目標位置信息按精度加權合并,從而提高了航跡精度。

3 結束語

在現代信息化戰爭中,雷達工作的電磁環境日趨復雜,電磁脈沖密度越來越高,信號形式復雜多樣,對雷達的各項功能及指標的要求也越來越高,面向多傳感器數據融合的顯控終端是未來雷達的發展趨勢[6]。本文提出的顯控終端設計方法充分利用目標檢測與跟蹤、多傳感器數據融合、視頻采集與回放等研究成果。經外場試驗測試及實際應用表明,該顯控終端可有效地將二次雷達及AIS等裝備提供的數據信息與一次雷達的目標信息融合后準確顯示目標屬性信息,實現軍用飛機的目標引導及監視、民航的空中交通管制、重點海域艦船的態勢顯示等功能,且具有良好的人機界面環境,可為指揮員提供較為直觀、全面的戰場態勢信息,能大幅度提高雷達的戰場信息感知能力,代表了未來雷達顯控終端的發展方向。

[1] 張樂鋒,虞華.信息化雷達顯控終端的設計與實現[J].現代雷達,2009(8):33-38.

[2] 丁鷺飛,耿富錄,陳建春.雷達原理[M].5版.西安:西安電子科技大學出版社,2013:392-393.

[3] 王凱,孫立國,李世丹,等.信息化雷達遠程顯控終端的設計與實現[J].信息與電子工程,2011(1):12-16.

[4] Merrill I Skolnik. 雷達手冊[M].3版.北京:電子工業出版社, 2010:461-462.

[5] 吳順君.雷達信號處理與數據處理技術[M].北京:電子工業出版社, 2008:329-330.

[6] 宋銳,張靜,夏勝平,等.基于通用微機的數字化雷達顯控終端實現[J].系統仿真學報,2003(5):745-748.

Design of radar display and control terminal based on multi-sensor data fusion

GUO Xin-min1,2

(1. Unit 92785 of the PLA, Qinhuangdao 066200, China;2.Radar Technology Research Institute of Beijing Institute of Technology, Beijing 100081)

A radar display and control terminal is designed based on the multi-sensor data fusion. The radar echo extraction, target detection and tracking, video collection and playback, target attribute identification information are displayed and integrated, and the identification results from the secondary radar and the automatic identification system (AIS) are fused with those from the primary radar to output the attributes, tracks, formation and friend-or-foe identities of the targets, which can greatly improve the information awareness ability of the radar on the battlefield.

display and control terminal; data fusion; video collection

2016-09-10;

2016-09-22

郭新民(1984-),男,工程師,在讀碩士,研究方向:雷達信號處理。

TN87

A

1009-0401(2016)04-0053-03