基于數據優先級的雷達目標跟蹤偏差補償方法

(信息工程大學 密碼工程學院，昆明 650032)

0 引言

隨著雷達技術的不斷發展，在越來越多的領域中都應用了一定程度的雷達技術，雷達的目標跟蹤是雷達技術中的一個重要組成成分，這項技術的成熟程度決定著雷達對目標的跟蹤精確度，具有精準度的雷達目標跟蹤、直交流控制、模擬項數字控制成為了未來雷達目標跟蹤的發展趨勢，本文便主要針對雷達目標的跟蹤精確度偏差補償問題進行研究[1]。

雷達的追蹤目標一般處于海、陸、空三個環境中，當雷達對目標進行追蹤時，雷達發射的波束直接掃描到目標上，此時對目標進行定位需要考慮兩種情況對雷達目標的跟蹤精準度造成的影響，陸地與海洋中會出現干擾雷達波束的雜質，使雷達獲取的目標測量位置數據受到影響；而對空中的目標進行跟蹤時會出現多徑效應，增強雷波束的信噪比周期，這種情況的出現很難應用常規的區域信號處理手段解決，因此空中目標的多徑效應的產生會影響雷達對目標追蹤的精準度。雷達追蹤目標的精準度隨著波束掃描角度的改變而改變，這一本質特征也是造成雷達追蹤目標產生誤差的重要原因之一[2]。

為了提高雷達對目標的追蹤準確度，對雷達目標追蹤偏差進行補償，本文將基于數據優先級提出雷達目標跟蹤偏差補償方法。本文提出的方法基于數據優先級處理，主要解決雷達對目標的精準測量偏差補償，并應用雷達單相脈沖、極化相位控制等技術[3]。

1 基于數據優先級的雷達目標跟蹤偏差測量與校準

1.1 雷達極化測量目標信號

雷達對極化目標的測量是在三維空間中的坐標系下進行的，雷達觀測坐標系需要與目標的坐標系相同，在兩坐標系之間建立完整的雷達波束航道，如果目標的信號姿態已經知道，則可以通過坐標轉化的形式將雷達位置固定在三維空間坐標系中。雷達極化測量目標信號時采用的發射器在三維空間坐標系中，實時地對目標所放出的電磁波進行檢測，從而能夠達到雷達對目標信號的實時測量要求[4]。

為了提高雷達對目標信號測量的精準度，本文將采用極化散射的方式對目標信號進行測量。建立如圖1所示的三維空間坐標系。

圖1 三維空間坐標系模型圖

在坐標系中給信號的波形制定一套參數，當目標在運動的狀況下分為兩種情況對目標信號進行測量，一種情況是忽略目標運動的距離彎曲程度，確定目標參數包絡處于對齊的狀態，考慮多普勒定律完成運動參數在坐標系中的參數積累，補償雷達相位中時間二次項的參數運算；另一種情況是考慮到目標運動的距離彎曲程度，將雷達坐標系中的參數與目標信號的坐標系位置參數進行精準匹配，完成匹配后，應用匹配數據對目標的運動彎曲距離進行校正并保證包絡對齊，考慮多普勒參數定律完成雷達相位中的時間二次項運算，保證目標信號的參數累積[5]。運動狀況下目標先后測量的處理方法程序如圖2所示。

圖2 運動狀況下目標先后測量的處理方法程序框圖

通常情況下，在雷達中應用濾波器對目標的回波信號進行濾波匹配，目標在一定的運動范圍內小于雷達到目標距離的分辨率，雷達對目標信號的檢測可以忽略由于濾波器失配而造成的影響，可以應用線性補償的方式實時檢測目標信號進行雷達的極化測量，由于多普勒定律具有擴展的可能性，容易對線性補償方法下的目標運動時間二次項運算產生影響，不利于雷達對目標信號的參數累積，因此，需要通過濾波器來對雷達脈沖波形進行控制[6]。

在實際的雷達目標信號檢測中，目標的速度常常是未知的，因此目標信號相關參數不能準確地認定，本文便以一定的時間間隔對目標信號進行搜索，將搜索到的信號值與波形信號進行對比匹配，若兩組數據匹配成功則說明雷達對速度未知情況下的目標信號參數測量較為準確，能夠進一步地對目標速度進行估測。

1.2 相位控制偏差校準

雷達對于目標的位置測量由于受到多方面的因素影響，會出現一定程度的偏差，本文將應用相位控制方法對測量出來的數據偏差進行校準。首先測出雷達距離目標之間相位步長，篩選出相位步長在一個單位范圍內的距離條件，對目標的回波信號進行部署校正，要求不同步長的目標回波距離采用不同的補償方式[7]。

根據相位距離不同對雷達所測得的回波信號進行校準，若雷達距離目標的相位偏差較大，本文將采用速度相位校準的方法，并最終對校準結果作為參數的積累，速度校準后相位的參數積累被回波包絡聚集到一個單元格內，限制相位的距離運動和多普勒定律擴展通道。若雷達距離目標的相位偏差較小，本文將對目標的加速度進行相位距離估算校準，首先本文將測出多普勒定律的擴展頻率，通過目標加速度與速度之間的聯系計算出三維坐標系中每個單元格所蘊含的能量，獲取能量最大的單元格中多普勒定律擴展頻率值，在對多普勒定律頻率進行搜索預測時，將所有的目標加速度以及回波信號進行初步校準，將初步校準的結果圖與多普勒三維圖相結合表現出來如圖3所示。

圖3 初步校準結果與多普勒三維結合圖

為了提高對雷達目標跟蹤偏差補償方法的準確性，本文還通過增加雷達的相位發射功率，降低雷達信號接收器的信噪比系數等一系列措施對雷達跟蹤目標的偏差進行矯正，由于部分目標信號較為弱小，使雷達不能快速地、實時地對其進行檢測，因此利用多普朗擴展來改善雷達監測性能運行環境從而提升相位的距離，進一步提升了雷達對目標跟蹤的精準度。高速目標進行相位參數積累時，與目標相鄰的回波信號有著固定時間的信號脈沖，相位時域上有著一定的延時，通過指數函數運算即可完成在時域上的延遲計算，能夠顯著地節省人工運算量， 為相位控制偏差校準提供了便利的條件[8]。圖4為相位脈沖模型圖。

圖4 相位脈沖模型圖

2 雷達目標跟蹤偏差補償方法

在完成了相位控制偏差校準的基礎上，采用數據優先級方法實現目標跟蹤偏差補償方法。根據極化脈沖技術實現極化脈沖測角補償；考慮陣列中互耦和陣列輻射特性不同以及波束指向下陣列極化特性差異提出雷達跟蹤目標位置差異補償方法，雷達合成波束的極化特性將會根據雷達掃描角度變化，使得雷達獲取極化信息的敏感度趨向于波束角度，在相同的環境下雷達的計劃信息提取更趨向于波束角度方向。據此精準地獲取目標所在位置以及目標所發出的回波極化信息，實現雷達跟蹤目標位置差異補償；最后基于超分辨率成像技術完成目標跟蹤偏差補償后的雷達目標成像。

2.1 基于數據優先級的極化脈沖測角

極化脈沖技術能夠克服雷達掃描順序和天線波束敏感度對目標固有特性位置角度的測量問題，應用單個極化脈沖對雷達跟蹤目標角度的測量技術已經成熟，這種傳統的單一性極化脈沖在進行角度測量時，往往會受到天線極化和回波匹配程度的形象，當目標回波與天線的極化程度嚴重不匹配時，甚至會造成雷達跟蹤目標丟失。本文為了避免這種問題出現，使用波束方向圖與目標脈沖極化聯合匹配，減小因為波形信號與目標極化失配而導致的目標位置角度偏差的產生。在常規的平面三維坐標系中，雷達將追蹤目標的所在位置劃分為四個不同的三維遙感模式如圖5所示。

圖5 4個不同的三維遙感模式圖

在象限圖中雷達所發出的波束方向與目標所產生的波束方向形成零斜差率的波束線段，為了避免全極化天線特性對零斜差波束線段測角性能的影響，需要在合成零斜差波束線段的同時考慮極化特性的天線合并，零斜差波束測角中全極化天線合并是針對波束陣列而言，每個波束陣列都可能產生變頻情況，所以需要讓雷達直接采用ADC儲存方式進行數字采樣[9]。

對零斜差波束線段和極化天線進行數字儲存后，便可以通過數據直接進行測角，首先對脈沖的N極化和Y極化分別進行獨立的求和求差并與波束的方向線段圖相結合，再根據兩極化交叉點所形成的信噪比關系進行非能量干擾合成，根據合成后的極化坐標數據可以直接對角度進行估計測量。本文為了確保所測量的角度具有精準性，應用基于最優級數字脈沖技術進行檢驗，首先對波束的陣列回波和目標的波數方向進行聯合極化處理，獲取脈沖的N極化和Y極化的測角輸出通道，在通道中經過目標值的檢測后，采用脈沖技術對目標的回波信號進行角度檢驗，然后根據檢驗目標的波束狀態，將N極化和Y極化的角度輸出通道進行最優匹配，分別將最佳的角度測量值，傳入到雷達檢測器中。測角方法的流程如圖6所示。

圖6 測角方法的流程圖

2.2 雷達跟蹤目標位置差異補償方法

研究基于優先級的雷達目標方向圖，是對雷達天線輻射特性分析的重要手段，對雷達目標方向圖進行求解分析使雷達對目標的跟蹤在目標方向方面有更高的突破，本文將進一步對全極化陣列方向圖進行綜合性分析，為了補償雷達對目標跟蹤測量的偏差。

本文在研究雷達目標方向圖采用的分析方法是逆過程方法，首先獲取雷達已經合成的雷達目標方向圖特征，在雷達的數據端口進行求解和激勵，將受到求解和激勵的數據優先處理，使雷達所檢測到的方向圖特征與數據陣列的因子相乘，將最終的數據傳輸到雷達端口中綜合優先級處理，傳統的處理方法常常不對陣列與方向圖之間的差異進行合并極化，進而導致雷達對目標跟蹤測量位置產生偏移。本文將主要考慮陣列中互耦和陣列輻射特性不同以及波束指向下陣列極化特性差異提出雷達跟蹤目標位置差異補償方法，對于極化隊列控制的雷達波束，僅需要對雷達波束因子進行數據化控制，雷達合成波束的極化特性將會根據雷達掃描角度變化，使得雷達獲取極化信息的敏感度趨向于波束角度，在相同的環境下雷達的計劃信息提取更趨向于波束角度方向[10]。

在雷達目標方向圖中，由于各個陣列的功率大小不同，進而形成了雷達波束功率特性和波束的設計陣列方向圖不完全匹配現象，包括雷達目標方向圖中的電平、零差斜率、波束深度等，因此本文為了針對這些現象提出了全極化陣列雷達靈活空間掃描波束技術，能夠精準地獲取目標所在位置以及目標所發出的回波極化信息，但是這種技術需要同陣列的合成方向以及極化特性和波束功率同時的進行控制。

2.3 基于超分辨率成像技術的雷達目標成像

對雷達跟蹤目標偏差進行補償，使雷達對目標具有超分辨率的圖像是補償方法的基礎，本文將通過雷達發射器所發出的寬帶信號獲取高分辨率的目標距離，然后利用雷達控制平臺對目標的相對運動進行分析，使雷達控制系統對目標進行長時間的連續觀測，增強雷達對目標距離的分辨能力。對雷達目標進行超分辨成像需要雷達接收機的配合，要求雷達接收機必須有應對目標寬帶信號的能力，能夠有效地克服雷達信號的調頻技術，并且接收機在成像的過程中，需要保證接收機內部設備的勻速運行，確保目標等距離成像并將分辨率均勻分布。

現代雷達通常處于多功能多模式工作狀態，雷達可以在正常對目標跟蹤的同時對目標進行三維空間等速旋轉跟蹤，能夠及時應對目標多普勒時間變化的回波信號，在實際應用中，雷達常常對多目標進行跟蹤，在完成高分辨率的目標成像功能之外，還要同時完成大范圍的目標搜索、跟蹤定位等任務，所以本文將在雷達體系中增加超分辨率成像技術，有效地增強圖像對比和目標成像定位精度，利用CPO數據實現對目標超分辨率成像從低維數據觀測轉換到高維空間目標觀測，應用壓縮感知理論探測目標稀疏信號，可以應用較短的數據來實現高分辨率的目標成像。傳統的雷達成像方法主要采用寬帶外推，這類方法主要是以線性預測和數據擬合的方式來對目標模型參數進行估計，再通過小孔外推來提高分辨率，這類方法很難對分散目標位置進行高精準度的高分辨率成像，由于科技的不成熟不能夠增加寬帶外推的距離，導致傳統的超分辨率成像會因為噪聲以及模型誤差的原因產生偏移超分辨率成像。

由上述分析可知，基于數據優先級實現極化脈沖測角測量，考慮陣列中互耦和陣列輻射特性不同以及波束指向下陣列極化特性差異提出雷達跟蹤目標位置差異補償方法，實現雷達目標跟蹤偏差補償。通過對增強雷達對目標距離的分辨能力，去除噪聲及模型誤差造成的雷達目標跟蹤圖像的偏差量，實現雷達目標補償成像。

3 實驗結果與分析

3.1 實驗目的

為了驗證本文方法的有效性，在不同的角度對雷達對目標的跟蹤偏差進行補償，以基于多路徑反射的雷達目標跟蹤偏差補償方法為實驗對比方法，進行對比實驗研究，通過實驗結果來證明本文方法的穩定可靠性。

3.2 實驗過程及結果分析

首先，設定雷達的信號寬帶參數為500 MHz，載頻為6.5 GHz,實驗中調節脈沖的波束頻率為200 Hz,選取雷達測量圖中的多普勒寬度適中的超分辨率成像圖，預防實驗出現偶然性，兩種方法分別對雷達跟蹤目標的偏差進行多次補償，并分別采用126次脈沖回波技術對補償結果進行檢驗，應用雷達相位控制手段最大范圍的減少周圍環境信噪比的強度，保障了實驗環境的穩定性。為了表現兩種方法下對雷達跟蹤目標偏差補償的精準程度，將兩種圖像的最終結果圖利用目標回波數的形式表現出來，圖7為精準度補償對比圖。

圖7 實驗精準度補償對比圖

本文方法分別通過脈沖極化測角、對目標方向圖、目標超分辨率圖像、以及微弱信號測量同時進行偏差補償，通過脈沖極化測角測量確定雷達目標偏轉角度，減小因為波形信號與目標極化失配而導致的目標位置角度偏差的產生；考慮陣列中互耦和陣列輻射特性不同以及波束指向下陣列極化特性差異，根據雷達掃描角度變化，精準地獲取目標所在位置以及目標所發出的回波極化信息，完成目標方位補償，最后通過超分辨率成像技術完成雷達目標補償成像。

根據圖中的對比結果可知，基于多路徑反射的雷達目標跟蹤偏差補償方法主要應用寬帶外推的方式對雷達跟蹤目

標進行線性預測和數據擬合，這種方式主要適應于雷達技術不發達時期的偏差補償，而當代的雷達具有多功能表現性，需要從多方面同時進行偏差補償，精準度較低，而本文方法對雷達跟蹤目標偏差的補償精準度較高，能夠有效去除噪聲、方位及模型誤差造成的雷達目標跟蹤圖像的偏差量，實現對雷達目標的準確跟蹤。

4 結束語

本文針對雷達目標跟蹤偏差提出了新的補償方法，從補償目標信號的測量到應用極化脈沖對雷達目標的測量均提出了新的有效解決方法，根據數據優先級原則選取適宜測量方案，實現對雷達目標跟蹤偏差補償方法的研究。實驗結果表明所提方法的補償精準度高，能夠從多方面完成雷達偏差補償。