一種海面虛假航跡的分析與抑制

代 霞，方 睿

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088；2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230088)

0 引 言

海面態勢感知是海戰場綜合信息系統的重要基礎和組成部分，其面臨的挑戰以及未來的發展趨勢需要海面探測設備不斷地提升能力。由于機載雷達具有平臺高度和機動優勢，能夠靈活實現對非固定海面的大范圍偵察、監視，經過幾十年的發展，目前機載海面監視雷達已經成為各國海軍的必備偵察手段，在各類軍事/非軍事任務中得到廣泛應用。

海面偵察的物理環境和電磁環境都比較復雜，雜波、干擾、雷達體制等一系列因素都對機載海面監視雷達的目標有效跟蹤提出了嚴峻挑戰。副瓣干擾是一種典型的干擾情況，點源干擾或海面地物強反射目標回波從雷達副瓣進入后，會影響甚至淹沒雷達主瓣接收的目標回波信號。

通常雷達會在信號處理域采用副瓣對消、副瓣匿影等方式進行抗干擾，但當天線性能或處理效果不佳時，進入副瓣的干擾信號難以得到有效抑制和過濾，往往被誤檢測為目標。由于平臺運動，雷達和副瓣干擾信號源之間的相互位置不斷發生變化，從而產生這種由副瓣“折疊”到主瓣目標的運動假象，形成虛假航跡。

因此，機載監視雷達目標跟蹤處理需要能夠有效識別這些虛假航跡，并進行抑制和剔除，提升系統的抗干擾能力。

1 副瓣干擾引起的海面虛假航跡

圖1是一次機載雷達仿真實驗過程中的部分結果場景，其中連續點表示對目標跟蹤形成的航跡，航跡最新的位置點附著文字標牌，顯示航跡的批號和速度。

圖1 部分實驗結果場景

從圖中可以看出，實驗過程出現了大量虛假航跡，對真實目標的跟蹤效果產生了干擾。虛假航跡不僅分布密集，而且方向和速度都非常穩定，呈勻速直線運動狀態。此外，虛假航跡還表現出分組的特征，每一組航跡方向幾乎一致，直觀上看類似幾組平行線。

經排查分析，虛假航跡定位為副瓣干擾和載機運動共同作用產生的結果。一方面當副瓣內的干擾或強反射被誤檢測到后，會“折疊”到對應主瓣產生虛警；另一方面，隨著載機本身的運動，主、副瓣相對反射源的角度和位置關系也在發生變化，導致每幀探測的虛警位置也不相同，從而產生運動假象，形成虛假航跡。

2 特征分析

2.1 建模分析

為提取特征給后續識別和抑制提供參考，進一步對虛假航跡進行定量分析，根據成因建立相應模型。

如圖 2所示，選擇載機和副瓣干擾所在平面建立慣性直角坐標系，其中表示載機，表示副瓣干擾(點源干擾或海面地物強反射目標等，假定固定，位置不隨時間發生變化)。干擾從副瓣“折疊”到主瓣引起虛警的過程可以抽象為圍繞，從副瓣旋轉角度到主瓣，產生虛假目標檢測點′。

圖2 虛假航跡成因模型

假設各點坐標為((),())、(,)、′(′(),′())，其中表示時間。根據旋轉公式可得：

′()=(-())·cos-

(-())·sin+()

(1)

′()=(-())·sin+

(-())·cos+()

(2)

令上述兩式對時間求導，可得：

(3)

(4)

對上述兩式分別平方并求和，可得：

(5)

即：

(6)

因此，對于虛假航跡，可以先通過式(6)，根據航跡速度和載機速度計算，進一步代入式(3)、式(4)即可預測其運動速度與方向(通過2個速度分量的比值)。

2.2 實測數據分析

為驗證上述模型的合理性，采用圖1對應的原始數據進行分析。

分別人工選擇4條虛假航跡和真實航跡作為樣本，對于航跡的每一幀數據，首先通過式(6)和(3)、(4)計算得到模型預測的虛假航跡方向速度分量_，然后計算其與真實速度分量的相對誤差Δ，計算公式為：

Δ=(-_)

(7)

分析結果如圖 3所示，可以看出：虛假航跡的相對誤差明顯較小，絕大部分都在±30%以內，而且比較穩定，幾乎不隨時間改變，與模型符合；反之，真實航跡的相對誤差波動明顯，呈現出隨機性，且數值范圍較大。

圖3 原始數據分析結果

理論上，虛假航跡速度分量的相對誤差應為0，但實際工作中由于波束形態、測量誤差、隨機噪聲等因素的存在，通常是難以達到的。

3 識別和抑制方法

3.1 方法流程

基于前文的特征分析結果，由副瓣干擾引起的虛假航跡識別和抑制方法流程設計如下：

(1) 獲取航跡狀態數據

取一條航跡個最近更新點的狀態數據，的取值范圍一般為[2,5]，數據包括載機和航跡分別在慣性直角坐標系下、2個方向上的運動速度分量，具體可通過慣導信息、目標地速、運動方向等計算得到。

之所以取多個點，是為了通過信息累積消除偶然因素的影響，防止因誤差或噪聲引起誤判。

(2) 計算相對誤差Δ

按照2.2節的過程計算每個更新點對應的相對誤差，得到一組共計個Δ。

需要注意的是，由于航跡每次更新只增加一個點，重新計算一次即可，另外-1個相對誤差值可以保存沿用前面的計算結果。

(3) 識別抑制虛假航跡

基于每組Δ，綜合對每條航跡是否虛假進行識別。

首先，設置相對誤差的合理值域[-,](為范圍調節參數，恒正，根據實測數據分析經驗一般可取0.5)，判斷若個Δ是否均處于該范圍內；

其次，設和分別表示個Δ的方差和均值，判斷<0.1是否成立。

如果上述2個條件都滿足，即該航跡多個更新點的速度分量相對誤差既靠近0又穩定一致，與模型特性符合，則判斷其為虛假航跡，進行刪除處理；否則，航跡保留，繼續觀察。

從上述流程可以看出，該方法對于每條航跡而言，只需要額外存儲幾個計算過程值，在每幀航跡更新時進行一次簡單計算即可，時間和空間資源開銷都非常小，不會對目標跟蹤正常的處理流程產生影響。

3.2 方法效果

分別在采用和不采用本文方法的情況下，回放同一段原始數據，保持其他目標跟蹤處理流程不變，進行對比實驗。不失一般性，實驗選取了若干不同區域。

如圖4所示，其中每組子圖對應同一個區域，左側為原始處理效果，右側為采用方法后的對比處理效果。

圖4 對比實驗結果

可以看出，采用本文方法后，虛假航跡普遍得到了有效識別和抑制，抗干擾效果明顯。此外，原本的真實航跡依然可以正常處理，跟蹤效果和實時性得以保證。

4 結束語

本文在分析副瓣干擾引起虛假航跡過程的基礎上，建立了相關的成因模型，對虛假航跡的特征進行了定量分析，進一步提出一種識別和抑制此類虛假航跡的方法。該方法首先假設待處理的航跡為虛假航跡，根據航跡的狀態數據計算若干最近更新點的預測速度分量，然后與實際速度分量對比得到1組相對誤差，通過值域范圍和一致性2個維度對其進行檢驗，判定虛假航跡的假設通過與否，并分別進行相應處理。實測數據的對比實驗結果表明，該方法抑制虛假航跡的效果明顯，且不會對正常航跡產生影響，能夠提升系統的抗干擾能力。

后續可以將干擾源的時變信息、雷達波束形態等因素納入研究范疇，進一步提高理論模型與實際情況的符合程度，以便對虛假航跡的特性進行更加精確的分析與預測。