雷达航迹处理算法研究陈娟

雷达航迹处理算法研究陈娟

陈娟刘浩

(安徽四创电子股份有限公司安徽合肥230088)

雷达航迹处理是从每一时刻雷达探测到的点迹中找出目标的运动轨迹并对目标的运动进行跟踪或预测。雷达航迹处理主要包括雷达航迹起始、雷达航迹数据关联和雷达航迹跟踪滤波。雷达航迹起始的工作是从众多的点迹中建立目标运动的航迹；雷达航迹数据关联决定如何从多个候选回波中找出最可能的那个回波作为目标点；雷达航迹跟踪滤波根据已有的航迹推测下一个目标点的位置。本文对各种算法进行了仿真实验，分析了各种算法的性能。

关键词：雷达航迹处理；航迹起始；航迹数据关联；航迹跟踪滤波；

引言：雷达航迹起始是目标进入雷达监测范围（被检测到）到建立航迹的过程。航迹起始是雷达航迹处理的重要问题，如果航迹起始都不正确，那就更加没有办法实现航迹的正确跟踪。航迹起始的主要任务是在安静或嘈杂环境下建立目标航迹，一般来说，安静环境下的航迹起始更加容易完成，嘈杂环境下的航迹起始更加复杂。在实际应用中，考虑到战场环境较为复杂，可能的航迹的数量太多，为了保证航迹起始的速度和效率问题，最常用的是直观法和逻辑法。其他的航迹起始算法，因其复杂度较高或需要先验知识，很少能够应用在实际工程中。

一、雷达航迹处理的基本概念

雷达航迹处理的输入是雷达下发过来的点迹的集合，处理完成后输出的是航迹的集合。一般来说，雷达航迹处理包括点迹预处理，航迹起始和航迹终结，数据互联，航迹滤波等部分，而在航迹起始，航迹终结，数据互联，航迹滤波中，有涉及到数据预处理和波门的概念。

1，常用的坐标系

量测的预处理很大一部分内容是坐标系的变换，下面介绍各种坐标系。

1.1大地雷达测量坐标系

大地雷达测量坐标系在航迹的数据处理里面是一种比较常用的坐标系，是以雷达天线为坐标原点建立的一个直角坐标系，Z轴为垂直于雷达处的地面，指向天顶；Y轴指向北极；X轴按右手准则指向东，即通常所说的“北天东坐标系”。

1.2雷达极坐标系（或称雷达测量坐标系）

目标在匀速直线运动或者匀加速直线运动的时候在大地雷达测量坐标系中外推和和滤波都是线性运算，此时便于计算。而雷达极坐标系是雷达探测目标的时候经常用到的表现方式，雷达极坐标系的定义和大地雷达测量坐标系是一样的，只是目标的表示有所不同。

1.3地心坐标系

地球坐标系以地心为原点，地球的自转轴为X方向，即从地心指向北极的方向；Y轴在赤道平面内，由地心指向本初子午线的方向；Z轴于X轴和Y轴两两互相垂直。

1.2雷达航迹起始

在与某研究院的合作课题中发现，航迹的跟踪经常会在目标转向时丢失目标。本文研究了逻辑法，并根据目标转向过程中前后时刻的速度和角度的关系，提出了目标转向时的航迹起始算法。该算法利用目标的速度、角度和前后目标的运动状态，在航迹建立的过程中，改进了目标航迹的量测的预测点和确认区域，从而降低了目标的虚警率。对各种逻辑法和转向时的航迹起始算法进行性能仿真，结果表明转向时的航迹起始算法比逻辑法有更高的起始率，而且相对于其他算法，转向时的航迹起始算法计算量较小，符合实际应用中对算法的要求。

二、航迹起始的常用算法

2.1直观法

所有航迹起始算法里计算量最小的是直观法，它是根据物体的运动规律提出的：对于同一个物体而言，其运动速度应该介于最大速度和最小速度之间，不同类型的物体有不同的最大速度和最小速度，同理可推断物体的加速度也符合此条规律。假设Ri（i=1,2,...,N)N是目标的量测值，如果这N个周期中有M个周期的量测值符合下面两条规则，那么直观法就认为一条航迹起始成功。

(1)目标的运动速度大于某最小值而小于某最大值

在空间中，该速度限制形成空心球波门。由于这种速度约束波门的范围较大，在杂波环境下，波门内会有较多的杂波，会降低数据关联的正确率，所以这种速度限制波门主要用在第一次扫描的量测和后续的量测。

(2)目标的加速度的绝对值小于最大加速度maxa。如果在波门内有多个量测点，则

根据最近邻的思想，选取加速度最小的那个量测作为目标真实量测。加速度形成的波门，可以用来约束3次之后的航迹数据关联。加速度数学约束表达式为

为了减少波门内的杂波点，增加航迹起始的正确率，可以对波门的方向进行限制。直观法中对目标的限制规则较少，容易出现误跟的情况。在安静环境和缺少先验知识的情况下，也可以使用。

2，2逻辑法

逻辑法是一种航迹起始方法，也可以应用在整个航迹处理过程中。逻辑法和直观法有相似的部分，都在N个扫描周期中若正确检测到量测的次数大于等于一定数目，则航迹起始成功，若时间窗内满足检测门限的数目不够时，则将时间窗后移。两者的不同之处在于波门，直观法用速度和加速度作为航迹起始时的波门限制；逻辑法通过预测目标点的下一时刻的位置和设置相关波门来判断航迹是否存在。具体算法如下：

(1)将第一个扫描周期的量测点作为可能航迹，用直观法形成初始相关波门，确定第二次扫描时落入相关波门的量测点；

(2)后续的航迹的预测点通过对航迹进行直线外推获得，其相关波门由航迹外推误差协方差确定；第三次扫描中，对于相关波门内的点，采用最近邻的方法进行数据关联；

(3)若相关波门没有量测点，有两种处理方式，将该建立的可能航迹撤销，即航迹起始不成功；用速度或者加速度方法设置波门，看第三次扫描中有没有量测点落入波门中；

(4)持续进行(1)，(2)，(3)步，直到航迹建立成功；

(5)在每次扫描中，落入相关波门中但并未被关联的点迹与未落入波门的点迹作为新的航迹头，转步骤(1)。

逻辑法航迹起始中，如何算是航迹起始成功？这要考虑航迹起始的复杂度和性能两个方面。它与目标和杂波分布的密集程度，雷达自身性能和干扰噪声均有关系。一般采用的是mn逻辑法，即在n个周期中有至少m个周期检测到真实量测点即认为航迹已经建立。

三、雷达航迹数据关联点

迹-航迹数据互联问题是雷达航迹处理的基本与核心问题，特别是在目标运动轨迹互相交叉、多个目标且密集分布、雷达自身的测量误差较大、检测概率小于1、强杂波、干扰较大的非线性系统时，这种数据关联将变得更加困难。

在杂波环境中进行数据关联，回波可能来自目标，也可能来自杂波和虚警；受到杂波和量测噪声的影响，回波和目标点的关联性变差，数据关联根据候选回波的状态和目标的状态，找到最有可能是下一个目标点的回波。

3.1最近邻域法

最近邻域法（NN）首先设置相关波门，认为目标的真实量测点会落入相关波门，在相关波门的量测点中去寻找目标真实点，这样可以减少计算量。在真实量测能够落入相关波门的前提下相关波门应该设置的尽量小，落入相关波门的量测值z(k+1)应该符合：

最近邻域法的优点是计算量小，缺点是最近邻点未必是目标的真实回波点，特别是在强杂波环境、目标低速运动时以及多目标交叉运动时，在这种情况下，航迹跟踪容易出现误跟和漏跟的情况。

3.2概率最近邻域法

概率最近邻域法(PNNF)将概率论的思想运用在最近邻关联算法中，也是将最近邻量测认为是目标的真实量测，但该算法考虑最近邻量测有可能源于杂波并且考虑了波门内没有量测点的可能，并据此对状态误差协方差进行了调整。三种情况表示如下：没有量测落入波门(M0)；相关波门中的最近邻量测源于目标(MT)；最近邻量测源于虚警(MF)

结束语：雷达航迹处理是雷达数据处理的主要内容，雷达航迹处理作为战场信息处理的基础，对整个战场决策有很大影响，在战场环境中，如何快速、准确的找到目标的运动轨迹是雷达航迹处理的主要研究内容。雷达航迹处理的主要内容为雷达航迹起始，雷达航迹数据关联、雷达航迹跟踪滤波。

参考文献：

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