一種改進的相控陣雷達TAS目標跟蹤算法

陳 凌，商 凱，鄭 堅

(南京萊斯電子設備有限公司，江蘇 南京 210007)

雷達是現代戰場中掌握空情的重要設備組成。傳統的機掃雷達是利用機械轉動天線系統的方式使波束掃過一定的空域，在天線波束掃過空域時，既對空域進行搜索，也對空域內已發現目標進行跟蹤，采用的是TWS(Track While Search)[1]，即“邊搜索邊跟蹤”的方式，目標的跟蹤數據率與空域搜索數據率一致。由于天線轉動1圈需要數秒或數十秒的時間，因此受此限制，目標難以達到較高的跟蹤數據率。隨著觀測對象的發展，如戰機機動性能的提升及導彈觀測需求[2]等，低數據率機掃雷達已逐漸無法滿足目標對象的觀測需求。

隨著雷達技術體制的發展，出現了一種以電子技術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[3]，即相控陣雷達，它通過電子方式控制波束，而非傳統的機械轉動天線陣面方式，相較于傳統機掃雷達，相控陣雷達對波束的控制更為靈活[4]，可以在空間范圍內無慣性掃描[5]，因而具備目標搜索、跟蹤等多種功能，一個顯著特點是TAS跟蹤方式。

TAS(Track And Search)，即搜索加跟蹤的方式[6]，目標通過搜索波束發現、起始后，可以通過跟蹤波束對目標進行照射、跟蹤；目標的跟蹤數據率一般高于空域的搜索數據率。根據波束資源及目標特性可以對不同目標設置不同的跟蹤數據率：如對威脅程度高、機動性強的目標設置較高的數據率，反之，則設置低數據率，甚至通過搜索波束，即TWS的方式進行跟蹤，不占用跟蹤波束的資源；對于RCS較小的目標可以增加照射脈沖數，通過多波束聯合檢測的方式提高目標的檢測概率，盡可能發揮相控陣體制雷達波束捷變的優勢。

本文主要討論TAS目標的關聯、跟蹤算法。

1 傳統TAS航跡關聯

TAS跟蹤一般采用獨立通道，相當于單目標跟蹤，因此TAS目標的關聯、跟蹤流程為：接收到TAS點跡后，將其與目標航跡進行關聯，判斷其是否在波門范圍內，若在波門范圍內，則進行跟蹤濾波，否則做丟點、外推處理；若波門內存在多個點跡，則選擇與目標預測最接近的點跡進行跟蹤，流程如圖1所示。

目標的關聯波門根據目標運動特性及探測誤差設置，在實際工程應用中，若出現目標連續丟點，會適當擴大關聯波門，防止因目標機動或濾波偏差導致目標失跟的情況；但擴大關聯波門時，非目標的干擾點可能會進入波門，引起目標錯跟。

圖2所示為國內某雷達使用TAS模式(跟蹤周期約為0.2 s)對某目標的跟蹤截圖，圖2中航跡右側遠距離突出的一小節(圓圈標注)為跟錯的情況。經數據分析，跟錯原因如下：目標在遠距離切向飛行時，觀測點消失，在目標同方位距離相差約500 m處存在干擾點，因目標連續丟點，關聯波門擴大，目標跟到干擾點上，持續12個跟蹤周期，形成了圖2中遠距離突出的一小節，后因干擾點消失，目標點復現，又重新跟回到目標上。

上述跟錯是由于目標點連續多個周期消失，關聯波門擴大，干擾點進入關聯波門引起；但若不擴大關聯波門，則難以應對目標機動等情況。這是相互矛盾的方面。

查閱相關文獻資料，基本通過波門的設置來濾除雜波點，文獻[7]通過殘差統計設置跟蹤波門，對抑制跟蹤過程中的噪聲和野值起到了較好的效果，但難以應對目標突然機動的情況；文獻[8]與文獻[9]均以最大機動水平設置跟蹤波門，并通過量測信息協方差擴大關聯門，能很好地應對目標機動，但目標觀測點消失時，易跟到附近雜波點上。文獻[10]通過設置徑向速度波門濾除了更多雜波點，但同樣未考慮目標觀測點消失的情況。單純通過波門設置，難以兼顧機動目標跟蹤及目標連續消失、附近出現干擾點引起的跟錯問題。

本文提出了一種通過提前主動對目標附近干擾點建立航跡，再利用航跡競爭的方法，判斷跟蹤波門內點跡屬于目標還是干擾，對屬于干擾的點跡取消其與目標的關聯，有效降低目標跟到干擾點上的概率。

2 TAS目標關聯、跟蹤改進

通常干擾點進入目標跟蹤波門前會與目標共存若干個周期，在這段時間內，通過多周期關聯，對干擾點建立航跡，形成干擾航跡，后續對目標跟蹤波門內的點跡進行關聯時，比較點跡與目標以及點跡與干擾航跡的關聯程度，若點跡與干擾航跡關聯度更高，則取消該點跡與目標的關聯；在剩余與目標關聯度更高的點跡中，選取最優匹配點作為目標的跟蹤點，若無與目標關聯度更高點跡，則對目標進行丟點、外推處理。

在進行點航關聯度計算時，為了更好地區分點跡屬于目標還是干擾，以及各點跡與目標的關聯程度，在傳統方位、距離關聯基礎上，增加仰角、幅度、徑向速度(測速雷達[11])及方位寬度、距離寬度等回波特征信息的關聯，將這些多維特征信息的關聯結果按一定權重加到方位、距離關聯計算中，形成綜合統計距離，依據綜合統計距離對點跡的隸屬度進行判定，提升點跡關聯的準確性。計算綜合統計距離時，各特征的權重依據雷達系統對各特征的探測誤差及置信度進行設置。點航關聯距離計算式如下：

Z=a1(P預-P點)2+a2(Q預-Q點)2+a3E關聯+
a4M關聯+a5V關聯+a6W關聯+a7R關聯

(1)

改進的TAS關聯、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，通常設置一個比目標跟蹤波門略大的“干擾關聯波門”，對該波門內的干擾點建立“航跡”，并和目標航跡一樣進行更新、濾波等，當干擾航跡離開“干擾關聯波門”時，即進行撤銷、刪除處理，節省系統資源。

3 TAS跟蹤改進算法效果

采用改進后的關聯、跟蹤方法對前述某雷達TAS點跡進行重新跟蹤，效果如圖4所示。

從圖4可以看出，目標跟蹤軌跡中沒有了原航跡(見圖2)中因持續12個周期跟到干擾點上產生的那段類似于“尾巴”的錯誤軌跡，表明目標在遠距離處未因觀測點持續消失、干擾點進入關聯波門而跟錯，并且在目標觀測點復現時即跟到了目標上，而原航跡由于干擾點消失才跟回目標上，干擾點消失晚于目標觀測點復現2個周期，即改進后目標多跟蹤了2個周期的正確點跡。

采用傳統算法，目標在遠距離處持續12個周期跟在干擾點上，即跟錯了12個點，而采用改進算法后目標全程跟蹤穩定，沒有跟錯情況，并且比傳統算法多跟蹤了2個周期的正確點跡。改進算法與傳統算法比較見表1。

表1 改進算法與傳統算法比較

從表1可以看出，改進算法提高了目標正確跟蹤的點數，減少了跟錯的點數，表明改進算法有效提升了目標跟蹤的準確性與穩定性。

值得一提的是，該改進算法對相控陣雷達TAS跟蹤雙批或多批編隊目標及空戰情形同樣具有適用性，即通過將目標臨近范圍內其他目標建立“航跡”，作為目標的“干擾航跡”，利用航跡競爭方式對點跡歸屬進行判別，可以有效降低目標航跡跟到其他目標上的概率，提高目標跟蹤的穩定性。

4 結語

本文基于機動目標跟蹤對波門的需求及波門擴大引起的跟錯問題，提出了一種通過提前對干擾點建立航跡，利用航跡競爭方式濾除干擾點的方法，在保持機動目標跟蹤能力的同時，提高了目標跟蹤穩定性，并通過多特征信息提高關聯的準確性，采用實測數據對算法有效性進行了驗證。該算法對TWS航跡跟蹤亦具有借鑒意義。