一種改進(jìn)的相控陣?yán)走_(dá)TAS目標(biāo)跟蹤算法

陳 凌，商 凱，鄭 堅

(南京萊斯電子設(shè)備有限公司，江蘇 南京 210007)

雷達(dá)是現(xiàn)代戰(zhàn)場中掌握空情的重要設(shè)備組成。傳統(tǒng)的機(jī)掃雷達(dá)是利用機(jī)械轉(zhuǎn)動天線系統(tǒng)的方式使波束掃過一定的空域，在天線波束掃過空域時，既對空域進(jìn)行搜索，也對空域內(nèi)已發(fā)現(xiàn)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，采用的是TWS(Track While Search)[1]，即“邊搜索邊跟蹤”的方式，目標(biāo)的跟蹤數(shù)據(jù)率與空域搜索數(shù)據(jù)率一致。由于天線轉(zhuǎn)動1圈需要數(shù)秒或數(shù)十秒的時間，因此受此限制，目標(biāo)難以達(dá)到較高的跟蹤數(shù)據(jù)率。隨著觀測對象的發(fā)展，如戰(zhàn)機(jī)機(jī)動性能的提升及導(dǎo)彈觀測需求[2]等，低數(shù)據(jù)率機(jī)掃雷達(dá)已逐漸無法滿足目標(biāo)對象的觀測需求。

隨著雷達(dá)技術(shù)體制的發(fā)展，出現(xiàn)了一種以電子技術(shù)控制陣列天線各輻射單元的饋電相位來改變波束方向的雷達(dá)[3]，即相控陣?yán)走_(dá)，它通過電子方式控制波束，而非傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)動天線陣面方式，相較于傳統(tǒng)機(jī)掃雷達(dá)，相控陣?yán)走_(dá)對波束的控制更為靈活[4]，可以在空間范圍內(nèi)無慣性掃描[5]，因而具備目標(biāo)搜索、跟蹤等多種功能，一個顯著特點(diǎn)是TAS跟蹤方式。

TAS(Track And Search)，即搜索加跟蹤的方式[6]，目標(biāo)通過搜索波束發(fā)現(xiàn)、起始后，可以通過跟蹤波束對目標(biāo)進(jìn)行照射、跟蹤；目標(biāo)的跟蹤數(shù)據(jù)率一般高于空域的搜索數(shù)據(jù)率。根據(jù)波束資源及目標(biāo)特性可以對不同目標(biāo)設(shè)置不同的跟蹤數(shù)據(jù)率：如對威脅程度高、機(jī)動性強(qiáng)的目標(biāo)設(shè)置較高的數(shù)據(jù)率，反之，則設(shè)置低數(shù)據(jù)率，甚至通過搜索波束，即TWS的方式進(jìn)行跟蹤，不占用跟蹤波束的資源；對于RCS較小的目標(biāo)可以增加照射脈沖數(shù)，通過多波束聯(lián)合檢測的方式提高目標(biāo)的檢測概率，盡可能發(fā)揮相控陣體制雷達(dá)波束捷變的優(yōu)勢。

本文主要討論TAS目標(biāo)的關(guān)聯(lián)、跟蹤算法。

1 傳統(tǒng)TAS航跡關(guān)聯(lián)

TAS跟蹤一般采用獨(dú)立通道，相當(dāng)于單目標(biāo)跟蹤，因此TAS目標(biāo)的關(guān)聯(lián)、跟蹤流程為：接收到TAS點(diǎn)跡后，將其與目標(biāo)航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)，判斷其是否在波門范圍內(nèi)，若在波門范圍內(nèi)，則進(jìn)行跟蹤濾波，否則做丟點(diǎn)、外推處理；若波門內(nèi)存在多個點(diǎn)跡，則選擇與目標(biāo)預(yù)測最接近的點(diǎn)跡進(jìn)行跟蹤，流程如圖1所示。

目標(biāo)的關(guān)聯(lián)波門根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動特性及探測誤差設(shè)置，在實(shí)際工程應(yīng)用中，若出現(xiàn)目標(biāo)連續(xù)丟點(diǎn)，會適當(dāng)擴(kuò)大關(guān)聯(lián)波門，防止因目標(biāo)機(jī)動或濾波偏差導(dǎo)致目標(biāo)失跟的情況；但擴(kuò)大關(guān)聯(lián)波門時，非目標(biāo)的干擾點(diǎn)可能會進(jìn)入波門，引起目標(biāo)錯跟。

圖2所示為國內(nèi)某雷達(dá)使用TAS模式(跟蹤周期約為0.2 s)對某目標(biāo)的跟蹤截圖，圖2中航跡右側(cè)遠(yuǎn)距離突出的一小節(jié)(圓圈標(biāo)注)為跟錯的情況。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，跟錯原因如下：目標(biāo)在遠(yuǎn)距離切向飛行時，觀測點(diǎn)消失，在目標(biāo)同方位距離相差約500 m處存在干擾點(diǎn)，因目標(biāo)連續(xù)丟點(diǎn)，關(guān)聯(lián)波門擴(kuò)大，目標(biāo)跟到干擾點(diǎn)上，持續(xù)12個跟蹤周期，形成了圖2中遠(yuǎn)距離突出的一小節(jié)，后因干擾點(diǎn)消失，目標(biāo)點(diǎn)復(fù)現(xiàn)，又重新跟回到目標(biāo)上。

上述跟錯是由于目標(biāo)點(diǎn)連續(xù)多個周期消失，關(guān)聯(lián)波門擴(kuò)大，干擾點(diǎn)進(jìn)入關(guān)聯(lián)波門引起；但若不擴(kuò)大關(guān)聯(lián)波門，則難以應(yīng)對目標(biāo)機(jī)動等情況。這是相互矛盾的方面。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，基本通過波門的設(shè)置來濾除雜波點(diǎn)，文獻(xiàn)[7]通過殘差統(tǒng)計設(shè)置跟蹤波門，對抑制跟蹤過程中的噪聲和野值起到了較好的效果，但難以應(yīng)對目標(biāo)突然機(jī)動的情況；文獻(xiàn)[8]與文獻(xiàn)[9]均以最大機(jī)動水平設(shè)置跟蹤波門，并通過量測信息協(xié)方差擴(kuò)大關(guān)聯(lián)門，能很好地應(yīng)對目標(biāo)機(jī)動，但目標(biāo)觀測點(diǎn)消失時，易跟到附近雜波點(diǎn)上。文獻(xiàn)[10]通過設(shè)置徑向速度波門濾除了更多雜波點(diǎn)，但同樣未考慮目標(biāo)觀測點(diǎn)消失的情況。單純通過波門設(shè)置，難以兼顧機(jī)動目標(biāo)跟蹤及目標(biāo)連續(xù)消失、附近出現(xiàn)干擾點(diǎn)引起的跟錯問題。

本文提出了一種通過提前主動對目標(biāo)附近干擾點(diǎn)建立航跡，再利用航跡競爭的方法，判斷跟蹤波門內(nèi)點(diǎn)跡屬于目標(biāo)還是干擾，對屬于干擾的點(diǎn)跡取消其與目標(biāo)的關(guān)聯(lián)，有效降低目標(biāo)跟到干擾點(diǎn)上的概率。

2 TAS目標(biāo)關(guān)聯(lián)、跟蹤改進(jìn)

通常干擾點(diǎn)進(jìn)入目標(biāo)跟蹤波門前會與目標(biāo)共存若干個周期，在這段時間內(nèi)，通過多周期關(guān)聯(lián)，對干擾點(diǎn)建立航跡，形成干擾航跡，后續(xù)對目標(biāo)跟蹤波門內(nèi)的點(diǎn)跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)時，比較點(diǎn)跡與目標(biāo)以及點(diǎn)跡與干擾航跡的關(guān)聯(lián)程度，若點(diǎn)跡與干擾航跡關(guān)聯(lián)度更高，則取消該點(diǎn)跡與目標(biāo)的關(guān)聯(lián)；在剩余與目標(biāo)關(guān)聯(lián)度更高的點(diǎn)跡中，選取最優(yōu)匹配點(diǎn)作為目標(biāo)的跟蹤點(diǎn)，若無與目標(biāo)關(guān)聯(lián)度更高點(diǎn)跡，則對目標(biāo)進(jìn)行丟點(diǎn)、外推處理。

在進(jìn)行點(diǎn)航關(guān)聯(lián)度計算時，為了更好地區(qū)分點(diǎn)跡屬于目標(biāo)還是干擾，以及各點(diǎn)跡與目標(biāo)的關(guān)聯(lián)程度，在傳統(tǒng)方位、距離關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)上，增加仰角、幅度、徑向速度(測速雷達(dá)[11])及方位寬度、距離寬度等回波特征信息的關(guān)聯(lián)，將這些多維特征信息的關(guān)聯(lián)結(jié)果按一定權(quán)重加到方位、距離關(guān)聯(lián)計算中，形成綜合統(tǒng)計距離，依據(jù)綜合統(tǒng)計距離對點(diǎn)跡的隸屬度進(jìn)行判定，提升點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)確性。計算綜合統(tǒng)計距離時，各特征的權(quán)重依據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)對各特征的探測誤差及置信度進(jìn)行設(shè)置。點(diǎn)航關(guān)聯(lián)距離計算式如下：

Z=a1(P預(yù)-P點(diǎn))2+a2(Q預(yù)-Q點(diǎn))2+a3E關(guān)聯(lián)+
a4M關(guān)聯(lián)+a5V關(guān)聯(lián)+a6W關(guān)聯(lián)+a7R關(guān)聯(lián)

(1)

改進(jìn)的TAS關(guān)聯(lián)、跟蹤流程如圖3所示。

為了提前對干擾建立航跡，但又不過多增加計算量，通常設(shè)置一個比目標(biāo)跟蹤波門略大的“干擾關(guān)聯(lián)波門”，對該波門內(nèi)的干擾點(diǎn)建立“航跡”，并和目標(biāo)航跡一樣進(jìn)行更新、濾波等，當(dāng)干擾航跡離開“干擾關(guān)聯(lián)波門”時，即進(jìn)行撤銷、刪除處理，節(jié)省系統(tǒng)資源。

3 TAS跟蹤改進(jìn)算法效果

采用改進(jìn)后的關(guān)聯(lián)、跟蹤方法對前述某雷達(dá)TAS點(diǎn)跡進(jìn)行重新跟蹤，效果如圖4所示。

從圖4可以看出，目標(biāo)跟蹤軌跡中沒有了原航跡(見圖2)中因持續(xù)12個周期跟到干擾點(diǎn)上產(chǎn)生的那段類似于“尾巴”的錯誤軌跡，表明目標(biāo)在遠(yuǎn)距離處未因觀測點(diǎn)持續(xù)消失、干擾點(diǎn)進(jìn)入關(guān)聯(lián)波門而跟錯，并且在目標(biāo)觀測點(diǎn)復(fù)現(xiàn)時即跟到了目標(biāo)上，而原航跡由于干擾點(diǎn)消失才跟回目標(biāo)上，干擾點(diǎn)消失晚于目標(biāo)觀測點(diǎn)復(fù)現(xiàn)2個周期，即改進(jìn)后目標(biāo)多跟蹤了2個周期的正確點(diǎn)跡。

采用傳統(tǒng)算法，目標(biāo)在遠(yuǎn)距離處持續(xù)12個周期跟在干擾點(diǎn)上，即跟錯了12個點(diǎn)，而采用改進(jìn)算法后目標(biāo)全程跟蹤穩(wěn)定，沒有跟錯情況，并且比傳統(tǒng)算法多跟蹤了2個周期的正確點(diǎn)跡。改進(jìn)算法與傳統(tǒng)算法比較見表1。

表1 改進(jìn)算法與傳統(tǒng)算法比較

從表1可以看出，改進(jìn)算法提高了目標(biāo)正確跟蹤的點(diǎn)數(shù)，減少了跟錯的點(diǎn)數(shù)，表明改進(jìn)算法有效提升了目標(biāo)跟蹤的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

值得一提的是，該改進(jìn)算法對相控陣?yán)走_(dá)TAS跟蹤雙批或多批編隊目標(biāo)及空戰(zhàn)情形同樣具有適用性，即通過將目標(biāo)臨近范圍內(nèi)其他目標(biāo)建立“航跡”，作為目標(biāo)的“干擾航跡”，利用航跡競爭方式對點(diǎn)跡歸屬進(jìn)行判別，可以有效降低目標(biāo)航跡跟到其他目標(biāo)上的概率，提高目標(biāo)跟蹤的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

本文基于機(jī)動目標(biāo)跟蹤對波門的需求及波門擴(kuò)大引起的跟錯問題，提出了一種通過提前對干擾點(diǎn)建立航跡，利用航跡競爭方式濾除干擾點(diǎn)的方法，在保持機(jī)動目標(biāo)跟蹤能力的同時，提高了目標(biāo)跟蹤穩(wěn)定性，并通過多特征信息提高關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)確性，采用實(shí)測數(shù)據(jù)對算法有效性進(jìn)行了驗證。該算法對TWS航跡跟蹤亦具有借鑒意義。