一種機載GMTI雷達點跡凝聚方法研究

劉 浩， 呂 楊， 李 川

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

具備地面動目標檢測(Ground Moving Target Indication，GMTI)能力的機載雷達系統早在海灣戰爭中就發揮了不可替代的作用，為美軍及其盟友提供了海量敵方地面部隊的行動信息，并在隨后的一系列戰爭和地區沖突中日趨成熟，成為現代戰場重要的信息來源和態勢感知手段。機載GMTI雷達通常采用相控陣體制，利用其波束在方位向和俯仰向快速切換的特點，實現對遠距離、大范圍重點區域內敵方運動目標的實時監視和跟蹤，成為了掌握地面戰場實時態勢的重要手段。

機載GMTI雷達的重要功能就是用于對地面運動的坦克、裝甲車等目標的檢測、定位與跟蹤。但是，機載GMTI雷達在進行目標探測時，雷達和目標都在運動，目標所處的背景環境復雜，地雜波反射嚴重，且地面目標數量多、密度大，目標機動速度慢、持續時間短又相對比較靈活，這些因素都給地面運動目標的檢測、定位和跟蹤帶來了很大的困難，造成目標定位精度差、虛警率高等難題，很大程度上限制了機載GMTI雷達的應用。

在進行機載GMTI雷達系統設計時，受限于機載平臺對雷達重量、體積等約束條件，雷達的天線規模較小，雷達波束較寬，為了提高檢測概率，通常采用多個波束交疊的工作方式，因此一個目標在方位上可能有十幾甚至幾十個點跡，而且由于雷達和目標的運動，以及背景信號的影響，造成目標幅度在方位上存在不規則起伏，因此，必須對這些點跡進行凝聚處理，才能更好地進行目標定位和跟蹤處理。

點跡凝聚作為雷達數據處理過程中的一個重要環節，就是要通過一定的算法盡可能在大量雜波干擾的情況下提取出目標的真實位置、運動信息等參數，且在雷達掃描一幀時，一個運動目標只輸出一個位置信息，點跡凝聚處理能夠減少參與處理的數據量，提高點跡定位精度，減少虛警，為后面的航跡跟蹤打下良好基礎。本文首先提出了一種基于信號幅度復原和質心凝聚相結合的凝聚方法，并通過二次檢測的方式，提高點跡定位精度和降低虛警。

1 機載GMTI雷達點跡凝聚技術

相控陣體制機載GMTI雷達在進行地面運動目標探測時，一個掃描周期內，由于目標跨檢測單元，以及雷達波束交疊設計，一個目標通常可在相鄰的距離單元、方位單元產生多個檢測結果，這些測量值同樣包含噪聲和地雜波，經信號處理檢測后形成原始點跡數據輸出，這些數據是無法直接通過跟蹤濾波器進行處理的，需要在處理之前進行點跡凝聚處理，這將直接決定目標跟蹤質量。

對于信號處理輸出的過檢測門限的原始點跡，首先進行點跡預處理，包括時空統一、解模糊處理等，預處理后的點跡進行幅度復原處理，對點跡的幅度進行聚焦增強，然后進行質心凝聚處理，分別對點跡距離和方位進行凝聚，形成目標唯一的距離、方位、幅度等信息，最后對凝聚點跡進行二次檢測，過濾幅度較低的噪聲和雜波點跡，剩余的凝聚點跡參與航跡跟蹤處理，圖1給出了點跡處理的流程。

圖1 點跡處理流程

1.1 目標信號幅度復原

機載GMTI雷達在對地面運動目標進行探測時，由于平臺姿態、雷達特性、目標運動、地面背景等因素影響，形成的點跡信號幅度會出現散焦，難以反映目標真實分布狀態，給點跡凝聚處理帶來一定的困難，造成目標定位精度較差。本文采用高斯型點擴散函數(Point Spread Function, PSF)對目標信號幅度進行復原的方法，對雷達探測目標點跡幅度進行復原，獲取目標相對真實的信號幅度分布。

在進行機載GMTI雷達點跡處理時，一般將雷達每個掃描幀的觀測區域分為×個分辨單元，和分別表示觀測區域在和方向的分辨單元數量，將第幀的雷達量測表示為一個×的數組，×表示目標點跡分布單元的大小，通常由目標的類型確定，雷達量測對應分辨單元(,)的點跡幅度表示為(,)，=1,…,，=1,…,，因此，第幀的雷達量測表示為

={(,):=1,…,,

=1,…,}

(1)

假設雷達探測的原始點跡(含目標點跡和雜波噪聲點跡)獨立分布在觀測區域的各分辨單元中。此時，當每個單元僅有噪聲和有噪聲加目標時，第幀的單元信號幅度分別表示為

(,)=(,,)

(2)

和

(,)=(,,,,,)+

(,,)

(3)

式中，(,,,,,)表示第幀單元(,)的目標信號幅度，(,,)表示第幀單元(,)的噪聲信號幅度。

通常，雷達目標因為能量擴散和多波位覆蓋，導致其點跡出現在周圍的多個分辨單元中，目標點跡信號幅度為均勻分布的高斯點擴展函數，目標的信號幅度表示如式(4)。

(,,,,,)=

exp(-((,-)+(,-)))

(4)

需要注意的是，通過還原的目標信號幅度僅僅是個近似值，一般在處理過程中忽略雷達其他方面的影響，圖2為仿真的點目標信號幅度分布，從圖中可以看出目標點跡信號幅度分散在多個相鄰單元中，并且靠近目標位置單元的信號幅度最高。

圖2 點目標信號幅度分布

通過對目標點跡信號幅度進行復原處理，能夠近似地還原出目標的真實信號幅度分布，還原后的點跡再進行質心凝聚處理，能夠獲取較高精度的目標位置參數。

1.2 點跡質心凝聚

1.2.1 點跡數據在距離上的凝聚處理

機載雷達在進行地面運動目標探測時，對于同一目標產生的、在距離單元上連續或間隔一定量化單元的點跡，按式(5)求取距離質心，距離質心的值為相應點跡的距離估值，公式為

(5)

式中,為點跡個數，,分別為第個點跡的距離、回波幅度值。采用求質心方法對目標距離進行估值，其準確度主要取決于雷達信噪比和回波幅度測量準確度，由于已經對目標信號幅度進行了還原和增強，因此通過目標信號幅度能夠明顯區分目標和雜波點跡。

1.2.2 點跡數據方位上的凝聚處理

對由同一目標產生的、在方位上相鄰的目標點跡按式(6)求取方位質心，質心數值作為相應點跡的方位估值，公式為

(6)

式中,為點跡個數，,分別為第個點跡的方位、回波幅度值。此時可求得目標點跡的方位唯一估值。

1.2.3 目標點跡的距離唯一估值

前面已經求得目標在各方位上的距離估值，但并沒有獲得目標距離的唯一估值，可根據目標方位估值落入的位置，求得距離唯一估值。假設方位估值落在經距離估值的第、+1點之間，則求距離唯一估值的內插公式如下：

′=+(+1-)(-)(+1-)

(7)

式中，′為目標點跡距離唯一估值，為目標點跡方位唯一估值，+1，，+1，分別為第+1、第點跡的距離和方位值。至此，目標的原始點跡經凝聚處理后，可獲得目標的唯一距離、方位估值。

1.3 凝聚點跡二次檢測

對于任何一種動目標檢測方法，信雜噪比(Signal Clutter Noise Ratio，SCNR)都是決定檢測及估計性能的關鍵因素之一，本文通過前述的凝聚處理，目標信號幅度已明顯增強，從而大幅增加了信雜噪比，此時只需要設定合適的檢測門限，對凝聚后的點跡進行二次檢測，過濾掉信雜噪比較低的凝聚點跡，剩余的凝聚點跡參與后續航跡跟蹤處理。

2 數據分析及驗證

本文選取了某機載X波段GMTI雷達實際飛行采集的數據進行分析，為了提升地面運動目標的發現概率，在進行雷達工作參數設計時，設計了多個波位交疊的策略，因此雷達在每幀掃描時，目標會出現在多個連續波位中，每幀掃描后獲取的點跡數量也非常大，不能夠直接參與航跡跟蹤處理，需要進行凝聚處理。

首先對選取的點跡數據進行坐標變換處理，將點跡數據由相對于載機的極坐標轉換到經緯度坐標下，并選取其中的四幀數據進行分析，如圖3所示。

利用點跡位置和時間與配試目標GPS數據匹配后定位目標區域，從圖3中可以看出目標分布區域明顯區別于周邊雜波區域，但是整個目標分布范圍大，點跡在距離、方位上擴展嚴重，由于雷達方位分辨率的原因，在方位向擴展更為嚴重，且探測區域背景雜波較強，點跡密度大，這給后續的點跡凝聚和航跡跟蹤都帶來了極大的困難。

圖3 目標原始點跡位置分布

通過分析可以看出目標點跡在距離和方位上擴展嚴重，在進行點跡質心凝聚處理前，通過構造適用于本雷達的點擴散函數對目標點跡信號幅度進行復原處理，處理結果如圖4所示。

(a) 復原前點跡分布

通過圖4幅度復原前后的對比可以看出，復原前原始點跡幅度值分布相對均勻，目標區域信號幅度較強，但擴散嚴重，經復原處理后目標點位置不變，但目標中心位置處的幅度大幅增強，且明顯區別于周邊雜波區域。

點跡幅度復原后再進行距離和方位向的質心凝聚，獲取目標的唯一位置點，圖5(a)為凝聚前結果，圖5(b)為凝聚后結果，從圖中可以看出凝聚后目標幅度不變，但目標位置轉移到質心位置。

(a) 凝聚前

文中處理的原始點跡已經是經過信號處理一次檢測后的過門限點跡，但是探測區域雜波點仍然很密集，通過點跡凝聚處理后，目標信號幅度集中且增強，與周圍雜波點區別更為明顯，因此對凝聚后的點跡進行二次檢測，過濾信號幅度較弱的雜波點，保留幅度較強的目標凝聚點跡。

采用本文方法對本次試驗全部幀數據進行凝聚和二次檢測處理后，分別得到完整的凝聚點跡分布，如圖6所示，其中圖6(a)和圖6(b)分別為二次檢測前后點跡分布，從圖中可以看出經過二次檢測后保留了完整的目標點跡，但雜波點已大幅減少。

(a) 二次檢測前點跡分布

對本試驗數據分別采用常規的凝聚方法和本方法處理后進行航跡跟蹤處理，通過對兩種處理方法獲得的航跡跟蹤結果與GPS數據進行對比分析，采用本方法處理后的航跡跟蹤穩定，定位精度有明顯提升。圖7顯示分別為合作目標原始點跡、凝聚點跡、航跡以及目標GPS數據，圖7(a)為采用常規方法凝聚后跟蹤結果，圖7(b)為采用本方法凝聚后跟蹤結果。

(a) 常規方法凝聚跟蹤效果

經過統計分析，采用常規方法凝聚后跟蹤航跡的方位、距離精度(1σ)分別為0.55°和57 m，而采用本方法凝聚后跟蹤航跡的方位、距離精度(1σ)分別為0.48°和46 m，跟蹤精度提升效果明顯，具體分析過程本文不再贅述。

3 結束語

針對機載GMTI雷達多目標點跡凝聚和跟蹤過程中存在的困難，本文提出了一種基于目標信號幅度的點擴展函數對目標信號幅度進行復原處理的方法，對目標點跡進行凝聚和二次檢測處理，從而提升點跡凝聚的效果和質量。通過對實際飛行數據分析和處理結果表明，本方法在GMTI目標的點跡凝聚上具有良好的效果，能夠為后續的目標跟蹤提供更高質量的凝聚點跡，獲取高質量的目標航跡，滿足實際應用需求。