一種基于目標點跡關聯的艦載多雷達數據融合系統

陳敬軍

(海軍駐上海地區第七軍事代表室，上海 201108)

0 引 言

為了適應現代信息技術和戰爭形態的發展，近二十年來，多傳感器信息融合技術發展迅速[1-10]。數據融合是為了充分利用不同時間與空間的多傳感器資源，把來自不同平臺傳感器的在空間和時間上冗余或互補的數據信息依據某種準則進行組合，以獲得被測對象一致性的描述和理解，使該系統較其各個子系統具有更加優越的性能，從而做出更加準確、可靠、穩定的決策。

現代艦艇都配備了多部雷達，但每部雷達只能提供一定空間和時間的目標信息，多雷達數據融合將有效提高平臺的目標檢測、跟蹤、定位性能和態勢評估能力[11-16]。受硬件等因素的制約，國內多雷達數據融合研究和應用重點是航跡級融合技術，而點跡和信號級融合技術研究得相對較少。在公共計算平臺加速推進的大背景下，本文給出了一種工程化的新型艦載多雷達點跡融合系統方案，簡單介紹了點跡融合技術的實現方法，并對提出的多雷達點跡融合系統的性能進行了討論。

1 總體方案

1.1 點跡級融合優勢

多雷達數據融合可以選擇對信號、點跡和航跡三個層次的數據進行融合：信號級融合處理雷達的回波信號；點跡級融合處理各個雷達經目標檢測處理后得到的點跡信息；航跡級融合處理各個雷達經檢測跟蹤處理后得到的航跡信息[9]。

信息提取過程往往會損失部分原始信號信息，通常每經歷一次信息提取就會損失一部分原始信號信息。信號級融合的層次最低，因為信息提取帶來的信息損失最少，能夠最大限度地利用原始信息，可實現檢測、成像等更多樣的融合處理，但是時空配準要求高，通信與信息處理代價最大，實現復雜度最高。航跡級融合的層次最高，但各雷達在形成目標航跡的處理過程中已經丟失了大量的原始信息，通過航跡融合大幅提高系統性能會有一定的限制，但是融合處理實現最簡單，只需要各雷達輸出目標航跡等數據即可，通信和信息處理的代價最小，基本上無需改動現有的雷達硬件。

點跡級融合的層次居中，付出的代價不大，但能明顯提升系統的性能。點跡融合的點跡信息量非常豐富，目標點跡是各雷達目標檢測的結果，卻是目標跟蹤、軌跡提取等后續處理的輸入[1]。在點跡級融合，除了無法形成原始圖像外，系統不僅可以充分利用各雷達點跡包含的豐富信息來提高目標檢測概率、定位精度和空間覆蓋能力，而且可從多個方面提高目標跟蹤性能。通過對多雷達點跡串行處理，目標點跡更新速率加快，從而大大提高航跡起始速度和對機動目標的跟蹤能力。在點跡級融合不需要傳輸各雷達之間的海量原始數據，數據通信量少，實時性要求相對較低；同時可以支持各雷達單元獨立并行處理，在不影響現有多雷達系統主要架構的情況下完成點跡信息的融合，具有在系統改動較小的情況下充分利用點跡信息融合大幅提高系統性能的潛力。在大力推行艦船網絡一體化和公共計算平臺的背景下，在點跡級進行多雷達數據融合是可行的理想選擇。

1.2 系統總體方案

圖1給出了艦載平臺的多雷達點跡融合系統的信號流程：系統首先對接收到的各個雷達的點跡數據進行空間配準，統一測量坐標系。如果雷達數據包含目標多普勒速度，則利用外推法進行時間配準，接著將時空配準后的點跡數據進行目標點跡融合，然后利用融合后的目標點跡進行航跡起始、航跡關聯、航跡濾波更新，并輸出最終航跡跟蹤結果。如果雷達數據不包含目標多普勒速度，則根據多雷達測量值的時標進行排序，依次利用多雷達測量值進行航跡起始、航跡關聯、航跡濾波更新，并輸出最終航跡跟蹤結果。

圖1 整體實現方案

2 系統實現

2.1 空間配準

(1)

(2)

(3)

易得直角坐標系下的多普勒分量為

(4)

2.2 時間配準

時間配準是將多部雷達的時間對準到一個時間基準上[1]。時間基準的選擇可以根據實際情況確定，但通常以融合中心的時間作為時間基準。時間配準方法有多項式插值法、外推法等。

多項式插值法的基本原理是利用有限的點跡數據對目標短時間內的運動軌跡進行逼近：先將目標多個時刻的數據擬合得到一條曲線，然后計算出曲線上時間基準對應的點上的數值。多項式插值法需要多幀點跡的數據關聯，相當于點跡時間配準前進行航跡起始的處理，使得時間配準復雜度相對較高，并且時間配準具有一定的滯后性。為了避免時間滯后和航跡起始問題，系統只對有多普勒速度的點跡數據利用外推法進行時間配準。

外推法是一種簡單易操作的時間配準技術。以兩部雷達為例，設雷達1、2的采樣周期分別為T1、T2，融合中心的處理周期為T(T可以選T1或T2)，則外推法的處理步驟如下：

(1)在當前融合中心處理時刻t，取所有未處理的雷達1、2的空間配準后的點跡；

(2)將所有未處理的雷達1、2的點跡外推，得到當前融合中心處理時刻的時間配準點跡。

(5)

(6)

由此得到點跡t時刻的坐標為[x,y]。

需要注意的是，由于一般只能得到點跡的多普勒速度信息，即以測量雷達為坐標原點的徑向速度信息，無法得到準確的速度信息，上述外推法只能得到目標的徑向位移，目標的角度假設不變。在對準時利用多普勒信息估計目標的運動速度，由于多普勒速度存在模糊，利用多假設方法進行配對，再根據匹配結果進行外推。

2.3 關聯算法

關聯算法包含不同雷達點跡之間的關聯和融合后點跡與航跡的關聯兩部分。

不同雷達點跡之間的關聯用于判斷同一時刻多雷達的點跡是否屬于同一目標，主要利用目標點跡之間的位置關系。不同雷達所觀測的同一目標的點跡都分布在目標真值附近，相距較近。不同雷達的作用距離和定位精度是不同的，即使是同一雷達在不同距離上的定位精度也是不同的。在多雷達點跡關聯過程中要考慮各雷達的監控區域、定位精度和作用距離以及點跡的空間位置等因素。雷達性能已知的情況下，可以把定位精度高的雷達點跡優先假設為目標點跡，然后利用數據關聯方法將其他點跡與目標點跡互聯，直至所有點跡關聯完畢?？紤]能夠得到實時互聯結果，同一目標對應的多雷達點跡數據互聯方法可選用最近鄰方法和全局最近鄰方法。

融合后點跡與航跡的關聯采用聯合概率數據互聯算法(JPDA)，根據不同雷達的測量協方差矩陣，采用橢圓關聯波門，并按照卡方分布概率密度函數以及設定的概率門限進行設置。

2.4 點跡融合

將多雷達的目標點跡與目標關聯以后，后續目標跟蹤方法可以分為兩大類：一類將同一目標的多雷達點跡數據進行合并壓縮和/或串行處理，然后利用單雷達目標數據關聯算法進行處理[13]；另一類利用在單傳感器數據關聯算法基礎上發展出來的多傳感器聯合概率數據互聯算法(MSJPDA)等，直接處理同一目標的多雷達點跡數據。

(7)

2.5 航跡起始和刪除

利用點跡與點跡的互聯實現航跡起始。常用的航跡起始方法有直觀法和邏輯法等[1]，其中直觀法是最簡單的航跡起始方式，只利用速度限制和加速度限制來起始航跡；邏輯法不僅利用速度信息起始航跡，而且利用航跡和點跡的誤差信息進一步確定起始航跡。邏輯法步驟如下：

(1)用第一次掃描得到的點跡作為航跡根節點，并通過目標可能的速度等建立相關波門，對落入初始相關波門內的第二次掃描點，均建立可能航跡；

(2)對每個可能的航跡進行外推，以外推點為中心，根據航跡外推誤差協方差矩陣建立相關波門，波門內與外推點距離最近的第三次掃描點跡作為該航跡關聯點跡；

(3)繼續步驟2，掃描n次后判斷是否形成了穩定航跡，若穩定航跡存在，則繼續跟蹤。對不滿足穩定航跡邏輯的航跡，做刪除處理。

判斷穩定航跡一般采用m/n邏輯方法，在連續n次掃描中超過m次存在點跡時，便宣告航跡起始成功。

3 系統性能分析

首先利用仿真數據驗證通過多雷達點跡融合后系統能否提升目標跟蹤精度。以性能相同的兩部雷達點跡為例，雷達的脈沖重復間隔為1 010 μs，每一圈發射脈沖2 400個，測距誤差為75 m，測量角度誤差為0.4，雷達系統的檢測概率為0.85，系統采用壓縮合并方法進行目標點跡融合，采用JPDA算法進行跟蹤。目標以速度[-100，-100] m/s做勻速直線運動，初始位置[63，63] km。圖2～圖5給出了各雷達以及點跡融合后的一次目標跟蹤全程距離、角度、航速和航向的變化情況，全程雷達掃描120圈，每圈約為2.4 s。表1給出了進行1 000次蒙特卡洛仿真得到的各雷達誤差統計結果，可以看出該點跡融合系統能夠有效提高跟蹤精度。

表1 航跡誤差統計結果

圖2 全程段距離誤差

圖3 全程段角度誤差

圖4 全程段航速誤差

圖5 全程段航向誤差

多雷達點跡合并壓縮通過改善點跡質量提高了目標的跟蹤定位精度。通過串行處理后，兩部相同的雷達的點跡合成后數據率可以提高一倍，兩次目標檢測的時間縮短一半，對應的目標機動距離同樣會大幅減小，若利用與單部雷達相同的目標跟蹤參數，確認航跡起始的時間會縮短一半，并可跟蹤到機動性能更大的目標。多雷達點跡串行處理可以加快航跡起始和提高跟蹤機動目標的性能。

由于桅桿遮擋等原因，單部雷達可能存在一定范圍的盲區。為了解決盲區問題，大型艦艇都裝備兩部以上的導航雷達。根據本文提出的點跡融合方案，導航雷達采用無目標多普勒速度情況下的處理流程。由于多部導航雷達的采樣周期基本相同且采樣周期較短，加上導航雷達感興趣的目標機動性小等，因采樣時間差異引入的誤差很小，導航雷達通過點跡融合可以提高目標跟蹤精度。對導航雷達系統而言，通過只對目標兩個以上的點跡合并處理，只要有一部雷達檢測到目標，就有目標對應的點跡送入到后續目標檢測跟蹤處理，融合后的系統與單部雷達相比擴大了觀測范圍，可檢測到位于其中一部雷達盲區內的目標。

當兩部雷達的采樣周期不同，且雷達和目標之間的相對運動較快時，時間配準過程對融合結果會產生較大的影響。由于外推法只利用了一個點跡位置和多普勒速度信息，外推法進行時間對準所得點跡的誤差比較大。相對于多項式插值法，由于使用的信息較少，外推法的誤差也較大。為了降低時間配準誤差，可考慮航跡確認前采用本文給出的處理流程，采用如下方法在目標航跡輸出后計算新點跡時間對準的位置：一是用估計的目標運動參數代替目標多普勒速度，利用外推法進行計算；二是利用屬于同一目標航跡上的最近雷達檢測到的三個點跡的位置數據，再用多項式插值法進行計算。

4 結束語

本文給出了一種艦載多雷達點跡融合系統的實現方案，并結合雙導航雷達點跡融合的具體情況對系統的性能進行了討論。分析結果表明該多雷達點跡融合處理系統能顯著提高目標的跟蹤精度，數據融合后的目標跟蹤性能優于單部雷達設備的跟蹤性能。該融合系統的框架可以支持各雷達單元的獨立并行處理，在不影響現有多雷達系統主要架構的情況下完成點跡信息融合，具有在系統改動較小情況下充分利用點跡信息融合大幅提高系統性能的潛力。在加速推進公共計算平臺的大背景下，點跡級多雷達數據融合是一種非?？尚械墓こ谭桨?。但是多雷達點跡融合處理目前存在較大的技術難點和一定的技術風險，在后續工作中還需要根據雷達的實際情況和跟蹤精度要求，不斷優化系統設計和實現，持續提高目標跟蹤性能。