一種低配硬件資源的雷達目標點跡提取凝聚方法

邢永昌，洪 偉，孫 斌

(中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

當前目標點跡提取和凝聚主要有兩種方法：

一種是通過FPGA或DSP等芯片中的邏輯軟件實現點跡提取，計算機實現點跡凝聚與濾波跟蹤。該方法的特點是提取波門內點跡，點跡組成往往只包含方位、距離和方位延伸值等基本信息。其優點是可以通過邏輯軟件實現大規模數據處理的要求，只發送少部分數據給計算機，計算機集中資源用于目標的凝聚、跟蹤，可以釋放大量計算機資源用于人機交互和接口控制，能夠簡化雷達數據處理和顯示控制硬件架構，節約實現成本；缺點是點跡凝聚精度不高，原因是計算機沒有實時接收大規模點跡數據的接口，點跡提取芯片不能進行復雜的邏輯處理，因此往往利用點跡處理芯片進行簡單的邏輯處理，把基本的目標點跡數據發送給計算機，計算機收到有限的點跡數據，只能采用幾何中心等方法進行凝聚分裂并獲取目標點跡中心，該方法僅適用于硬件配置低且對目標精度要求不高的情況。

另一種是通過高速通道(如Rapid IO等)把整個雷達視頻數據發送給計算機，由專用的計算機(一個或多個)實現目標的點跡提取，然后送給專用計算機進行目標凝聚、目標跟蹤和顯示控制。由于點跡提取過程處理數據量大，且要求實時性高，需要占用大量計算機資源，故該處理過程需要專用的計算機(往往需要多臺)用于點跡提取；目標凝聚和目標跟蹤處理也需要專用的計算機。該方法的優點是點跡提取精度比較高，由于目標點跡提取的輸出目標點跡信息數據精細，目標凝聚可以進行高精度處理；缺點是需要多個與邏輯芯片之間的高速接口的計算機系統，該架構系統的硬件架構復雜，因此硬件成本和研制成本相對第一種方法均大幅提高。

本文以上述兩種方法為基礎：基于第一種方法的硬件基礎，通過改進點跡提取算法和目標凝聚算法，能夠輸出接近甚至等同于第二種方法可實現的目標跟蹤精度。點跡提取邏輯芯片僅需增加輸出每個點的幅度信息，在目標凝聚算法中采用質心法來獲取目標的位置信息和時間信息。該方法在數據傳輸上增加的數據量為原來的一倍，完全可以實現第一種方案的硬、軟件架構。測試驗證環境：在點跡提取芯片與計算機之間采用PCI總線；計算機硬件配置：單核CPU，主頻2.2 GHz；運行軟件包含的功能：目標凝聚、跟蹤；雷達顯示控制；雷達操控與故障檢測；雷達對外接口等。

1 實現原理

本文提供一種低配硬件資源的雷達目標點跡處理方法，該方法在點跡提取、輸出格式設計、點跡凝聚過程中進行算法改進，即可達到以較低的成本獲取較高精度的目標航跡信息的效果；在保證目標點跡精度的前提下，提取范圍要小、輸出數據要少、點跡凝聚的計算量要小。本方案實現步驟如下：

(1)點跡提取

針對每個脈沖回波數據，采用M-N檢測器，對同一個仰角層、相同距離相鄰脈沖視頻數據進行方位上滑窗提取。

針對每一個距離單元進行門限過濾處理，脈沖數據過門限則開始記錄當前脈沖的幅度值，如果記錄到第(N-M+2)個時，沒有出現第2個過門限值，則放棄記錄；當記錄數據量超過N時，查看是否滿足M/N點跡起始條件(不低于M/N)，如果沒有滿足，則從第二個過門限點開始記錄數據，并丟棄前面記錄的數據；如果滿足，則結束條件(低于M/N)，方位延伸值從第一個記錄的超出門限值開始計算，到滿足結束標志為止；滿足結束條件后，判斷是否滿足方位延伸值≥T(T值一般取一個波束寬度對應點目標主觸發個數的一半)，如果滿足，則判斷該起始與結束數據之間為一個完整點跡。判斷該點跡的位置是否在需要輸出的區域(以下稱為波門)中，如果在波門中，存入目標點跡寄存器，用于待輸出；如果不在，則清除該數據，并繼續準備下一個點跡的判斷。如果超過波門內最大點跡的個數，且已檢測區域小于2/3波門區域(為了保證波門中心區域點跡能夠獲得提取，必須保證檢測區域不小于2/3波門區域)，則繼續提取點跡，并從第一個點跡開始覆蓋。具體處理流程如圖1所示。

圖1 點跡提取流程圖

(2)點跡輸出

輸出波門內目標點跡數據到計算機系統，包括當前波門號；所處仰角值；波門內的點跡個數；第n1個點跡的方位、距離、方位延伸值；第m個距離單元幅度值等，具體如表1所示。

(3)目標點跡凝聚

計算機根據收到的目標點跡信息(含有方位、距離、仰角、延伸值和方位延伸值對應點的幅度信息)，采用式(1)～(5)可以分別計算出方位幅度和、距離幅度和、仰角幅度和，通過式(6)～(9)可以分別計算出獲取目標的位置質心。

根據目標點的位置質心和點跡延伸值連接性進行凝聚處理，點跡凝聚后根據組成目標的每個點跡對應的數據分別累加，獲取凝聚后目標點對應的幅度和、方位幅度和、距離幅度和、仰角幅度和。通過式(6)計算出天線掃過目標位置中心時刻的時戳質量中心。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式(1)～(9)的均值針對某一個點跡，其中PAA為方位幅度和；PDA為距離幅度和；PEA為仰角幅度和；PTA為時間幅度和；PA為幅度和；Ampi為方位上第i點的幅度值；Disi為第i點的距離值；Elei為第i點仰角值；A為方位質心點值；D為距離質心點值；E為仰角質心點值；T0為第0點的時戳值；TAN為天線掃描一個周期的時間；P0為第0點的方位值；T為時戳質心點值。

2 實現過程

實施步驟如下：

首先通過邏輯軟件實現點跡提取，計算機實現目標凝聚和檢測跟蹤的硬件環境，硬件環境邏輯圖如圖2所示。

圖2 硬件環境邏輯圖

采用M-N檢測器，根據實現原理中描述的具體方法劃窗提取點跡。方法的驗證試驗采用M=4，N=7(下文關于該取值僅指在該試驗中的取值)。針對每一個距離單元進行門限過濾處理，有脈沖數據過門限，則開始記錄當前脈沖的幅度值，如果記錄到第5個沒有出現第2個過門限值，則放棄記錄；當記錄數據量超過7時，查看是否滿足4/7點跡起始條件，若不滿足，則從第2個過門限點開始記錄數據，并丟棄前面記錄的數據；如果滿足結束條件(低于4/7)，方位延伸值從第1個記錄的超出門限值開始計算，直到滿足結束標志為止；滿足結束條件后，判斷方位延伸值是否大于等于5，如果滿足，則判斷該起始與結束數據之間為一個完整的點跡。判斷該點跡的位置是否在需要輸出的區域(波門)中，如果在波門中，則存入目標點跡寄存器，用于待輸出；如果不是，則清除該數據，并繼續準備下一個點跡的判斷。具體處理流程如圖3所示。

將波門內目標點跡數據輸出到計算機系統，點跡輸出數據的內容和格式見表1；采用第1章描述的方法計算獲取目標的位置質心。

根據目標點的位置質心和點跡延伸值連接性進行凝聚處理，點跡凝聚后根據組成目標的每個點跡對應的數據分別累加，獲取凝聚后目標點跡對應的幅度和、方位幅度和、距離幅度和、仰角幅度和。采用式(6)～(9)可以計算獲取目標點跡參數的質量中心。

計算機根據收到的目標點跡信息(方位、距離、仰角、延伸值、點的幅度信息)，通過計算幅度和、方位幅度和、距離幅度和、仰角幅度和計算獲取目標的質量中心。具體計算公式如式(1)～(5)。

凝聚后目標點跡信息發送至目標跟蹤單元、顯示單元等，進行目標的外推和外推點跡信息顯示等。

3 實驗驗證

采用真實雷達目標回波進行測試后發現，當目標中心位置偏離幾何中心時，該方法效果明顯。同樣的雷達回波分別采用幾何中心法和本文質心法的測試結果表明，目標的位置中心和時戳中心精度均得到明顯提高。

采用本文方法和傳統方法提取得到的目標測量位置中心和時戳中心分別如圖4和圖5所示，其中白色十字標志是根據邏輯軟件輸出的波門內點跡數據提取的目標位置。

圖4 采用本文方法提取的點跡位置圖

圖5 采用傳統方法獲取的目標位置圖

4 結束語

隨著數據處理芯片中RAM容量的提高，邏輯軟件可以存儲更多的處理數據，這為利用硬件實現波門內點跡提取軟件和實現目標凝聚的方法提供了提高精度的必要條件。在該硬件條件下，本文方法在硬件簡化基礎上實現了目標測量精度的提高，是一種低成本的雷達目標測量精度提高方法。