一種跟蹤掠海飛行小目標的雷達光電融合處理方法

戴春華

(海軍駐中國船舶重工集團公司第七二三研究所軍事代表室，江蘇 揚州 225001)

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一種跟蹤掠海飛行小目標的雷達光電融合處理方法

戴春華

(海軍駐中國船舶重工集團公司第七二三研究所軍事代表室，江蘇 揚州 225001)

傳統跟蹤雷達在跟蹤掠海飛行小目標時，容易形成多路徑誤差。提出了一種雷達光電融合的處理方法，首先采用雷達進行捕獲，通過處理，提供目標距離、初始位置、仰角的初始偏差以及目標預測角等信息，然后光電跟蹤設備產生光電目標測偏信息及目標有效信息，最后利用雷達及光電跟蹤設備提供的誤差數據進行自適應行加權處理，形成角度誤差，輸入功放控制電路完成對掠海飛行小目標的跟蹤。

掠海小目標；跟蹤雷達；光電跟蹤；雷達光電融合

0 引 言

雷達在跟蹤掠海飛行小目標時，雷達波束直接照射海面，回波信號有可能直接或經過海面反射后到達雷達接收天線。直接波和反射波相互干涉，引起仰角誤差在幅度和相位上發生變化，隨著目標高度和距離而變化，形成多路徑誤差，這時雷達接收到的誤差已經不能反映目標的真實信息。若直接采用這個誤差控制雷達跟蹤將會造成較大誤差，甚至丟失目標[1-3]。艦炮系統中一般采用雷達和光電不同的探測設備實現對掠海飛行小目標的跟蹤，不同的傳感器有著各自的優缺點，寬波束跟蹤雷達(如X波段)作用距離遠，捕捉速度快，但抑制多路徑能力較差，跟蹤精度不高；窄波束跟蹤雷達(如Ka波段)跟蹤精度高，但作用距離近，不易捕獲目標；光電傳感器測量精度高，數據可靠性高，跟蹤穩定，但受氣象條件約束，易受海雜波干擾，無法全天侯工作[4-5]。一般在艦炮武器系統中通常會配備跟蹤雷達和光電探測設備，起到互補作用；也有的采用復合技術，將不同傳感器配裝在同一部設備中；但很多傳感器在使用中僅做了優化選擇，即在一種傳感器故障或被干擾情況下使用另一種傳感器，沒有完全實現多傳感器的數據融合[6-7]。

因此，本文提出了一種對掠海飛行遠距離小目標采用寬波束雷達進行捕獲的方法，捕獲后采用雷達光電融合處理進行跟蹤。

1 基本原理

單獨采用雷達跟蹤無法克服海面反射形成多路徑效應造成的誤差波動和失真；單獨采用光電跟蹤易受海雜波干擾，跟錯目標、受氣象條件約束，無法全天候工作。通過對二者的融合，充分利用不同傳感器的優點，提高對掠海飛行小目標的跟蹤精度。

在雷達指向器上安裝一臺同天線電軸相平行的光電攝像機，2個通道均可以獨立跟蹤。雷達進行目標捕獲，發現目標后即轉入跟蹤，測量目標跟蹤角誤差；同時光電傳感器測量誤差，分別對2路傳感器數據進行濾波和平滑處理，進而對雷達和光電數據進行加權融合，生成目標位置數據。若該誤差小于天線指向的最小值，則采用天線指向的最小值作為輸出目標角度。根據信號質量進行融合，實現對目標的精確跟蹤。具體工作示意圖如圖1所示。

2 雷達光電融合處理方法

2.1 處理方法

采用雷達進行捕獲，提供目標距離、初始的目標位置信息及仰角的初始偏差。

確定天線指向的最小值，即根據雷達的天線架高、目標距離和飛行的最低高度實時計算出天線指向位置的最小值：

(1)

式中：θ0為天線指向的最小值；h1為天線架高；h2為目標飛行的最低高度；R為目標至雷達的斜距。

采用自適應變系數α-β-γ濾波，輸入天線數據、誤差數據和補償數據，將角度量經極值變換、搖擺變換、航向變換后在直角坐標系中濾波，濾波系數根據目標距離和目標運行速度2個參數自動變化，濾波生成目標預測直角坐標量，再經航向正變換、坐標正變換和極直變換，變換成目標角度和距離量。

濾波過程中濾波時間常數由目標速度和目標距離決定的，原則上速度越快，時間常數越小；速度越慢，時間常數越大；距離越遠，時間常數越大；距離越近，時間常數越小。濾波時間常數和采樣時間決定了濾波參數α,β,γ值，其算法如下：

(2)

式中：t為采樣時間；T為濾波時間常數。

(3)

(4)

對海雜波干擾帶來的誤差，采取位置定位，確定光電數據是否有效。判斷準則為：光電波門位置全部高于海面，光電數據有效；光電波門中心位置高于海平面，且仰角光電誤差為正時，光電數據有效；光電波門中心位置高于海平面，仰角光電誤差數據為負，且天線中心位置與光電誤差和大于0.5 mrad時，光電數據有效，見圖2(陰影部分為光電數據有效區域)。

自適應權值數據融合，即利用雷達及光電傳感器提供的誤差數據進行加權處理，形成角度誤差，輸入功放控制電路。在不同跟蹤模式下，根據距離，通過查表確定雷達傳感器和光電傳感器誤差的權值，原則為：

(1) 遠距離不使用光電數據；

(2) 連續采集20幀數據中光電數據有效值>80%時，才能使用光電數據；

(3) 融合權值見表1。

表1 光電傳感器、雷達融合權值

(5)

式中：Δε為融合后的仰角誤差；ΔεTV為光電通道仰角誤差；ΔεDSP為雷達通道仰角誤差；KTV為光電數據權值；KDSP為雷達通道數據權值。

連續判別天線指向的最小值，對雷達通道數據進行重濾波加補償求得目標的仰角位置，對光電傳感器數據進行處理得出角誤差值，最后對光電傳感器的數據進行自適應權值融合，產生角度誤差經數字模擬轉換，輸入功放控制電路。

2.2 處理流程及分析

圖3給出了處理的具體流程圖。

與現有技術相比，該方法利用不同數據源提高了數據的可靠性，在傳統跟蹤雷達的基礎上引用了光電跟蹤技術，提高了對掠海小目標的跟蹤能力，同時在惡劣氣象條件下或者在有海雜波干擾的情況下采用雷達傳感器作為數據補充，最終顯著改善雷達低角時的跟蹤精度。

3 實驗分析

融合原則為：

(1) 大于8km時不使用光電數據；

(2) 連續采集20幀數據中，光電數據有效值>80%時，才能使用光電數據；

(3) 融合權值見表3。

表2 不同時刻濾波α、β值

表3 不同距離融合權值

4 結束語

本文利用不同數據源，在傳統跟蹤雷達的基礎上引用了光電跟蹤技術，提高了對掠海小目標的跟蹤能力，同時在惡劣氣象條件下或者在有海雜波干擾的情況下采用雷達傳感器作為數據補充，最終顯著改善雷達低角時的跟蹤精度，特別適用于對掠海飛行目標的跟蹤。

[1]TURLEYMDE.Signalprocessingtechniquesformaritimesurveillancewithskywaveradar[C]//2008InternationalConferenceonRadar,2008:241- 246.

[2] 王俊.微弱目標信號積累檢測的方法研究[D].西安:西安電子科技大學,1999.

[3] 吳順君,梅曉春.雷達信號處理和數據處理技術[M].1版.北京：電子工業出版社,2008.

[4] 何友,修建娟,張晶煒,等.雷達數據處理及應用[M].1版.北京：電子工業出版社,2008.

[5] 吳為,陳建文,王永良,陳輝.一種基于動態規劃的多目標檢測方法[J].空軍雷達學院學報,2008,22(1):18- 21.

[6] 孫立宏,王俊.高速運動雷達弱小目標檢測方法研究[J].系統工程與電子技術,2008,30(2):258-260.

[7] 吳順君,梅曉春.雷達信號處理和數據處理技術[M].1版.北京：電子工業出版社,2008.

A Radar Photoelectricity Fusion Processing Method for Tracking Small Target Skimming the Sea

DAI Chun-hua

(Naval Representative Office Based in the 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

When traditional tracking radar tracks the small target skimming the sea,multi-path error will generate easily.This paper presents a processing method of radar photoelectricity fusion,firstly uses the radar to capture the target,performs the processing,provides the information of target range,initial position,elevation initial deviation and target prediction angle,etc.,then generates photoelectricity target deviation information and effective information by means of photoelectricity tracking equipment,finally uses the error data from radars and photoelectricity tracking equipments to perform the adaptive row weighting processing to form the angle error,and input power amplification control circuit to perform the tracking to small target skimming the sea.

small target skimming the sea;tracking radar;photoelectricity tracking;radar photoelectricity fusion

2017-03-28

TN95

A

CN32-1413(2017)02-0056-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.02.013