经典雷达资料-第8章自动检测自动跟踪和多传感器融合-4

检测小结当只有2～4个样本（脉冲）时，可使用二进制积累器来避免由于干扰带来的虚警。当有中等数量的脉冲（5～16个）时，可使用二进制积累器、序列检测器以及滑窗积累器。若脉冲数量大（超过20个），可使用批处理器或双极点滤波器。若样本是独立的，可用具有单参量（均值）的门限；若样本是相关的，既可用双参量（均值和方差）门限，也可用基于一个扇区的自适应单参量门限，这些准则仅能作为一般的指导原则，我们极力推荐这样的方法：在选择一个检测器之前，应从环境因素上收集和分析雷达视频；在计算机上模拟各种检测器的处理过程，并对实测数据进行测试。图8.23分辨概率与目标间距的关系曲线每脉冲宽度采样ΔR=1.5个样本；目标强度，A1=A2=20dB并无起伏；相位差为0,45,90,135,180。（引自参考资料37）8.3自动跟踪边扫描边跟踪（TWS）是监视雷达用的跟踪系统，对飞机目标来说，监视雷达的额定扫描时间（再次访问时间）一般为4～12s。若每次扫描的检测概率（PD）都较高，并对目标进行精确定位测量，目标的密度低且产生的虚警少，那么，相关逻辑（即把检测与跟踪联系起来）和跟踪滤波器（即平滑和预测跟踪位置的滤波器）的设计就简单了。然而，在现实的雷达环境中，这些假设极少能得到满足，所以自动跟踪系统的设计是复杂的。因为在实际情况中，会遇到目标信号衰落（由于多路传播、盲速和大气环境引起的目标强度的变化）、虚警（由噪声、杂波和干扰引起）和对雷达参数的估值不准（由于噪声、天线不稳定，目标不能分辨，目标分裂，多路传播以及传播效应的影响）。跟踪系统必须处理所有这些问题。首先考虑常用的TWS系统，然后讨论基于最大似然准则的多次扫描自动跟踪方法。TWS系统首先介绍TWS系统的一般概要。由于任何跟踪系统的主要部分是对大量的数据作有效的处理，因此接着对典型文件系统和指针系统进行描述。最后讨论检测输入逻辑、坐标系统、跟踪滤波器、机动跟随逻辑、航迹起始以及相关逻辑。第8章自动检测、自动跟踪和多传感器融合·314·系统组成几乎所有的TWS系统都是在基本定时系统的方位扇区基础上工作的。一个典型的工作顺序如图8.24所示。例如，若雷达已经在扇区11中检测到目标，而目标现在位于扇区12之中，跟踪程序将对扇区10中的各个杂波点（固定航迹）和位于扇区9,10,11中检测的点进行相关处理。从检测文件中删去与杂波点有关的那些检测（不用于进一步相关处理），并更新杂波点。其次，对扇区8中的固定航迹与扇区7,8,9中的检测进行相关处理。此时，9以下的扇区中所有的杂波点都被去掉了。从检测文件中删去与固定航迹有关的那些检测，用于更新合适的航迹。图8.24基于扇区的边扫描边跟踪（TWS）系统的各种工作过程（引自参考资料7）通常，在相关处理中优先考虑确定航迹（而不是用临时航迹）。在确定航迹相关之前对临时航迹进行两个扇区的相关处理（如图8.24所示），确保属于确定航迹的检验不被临时航迹侵占。在其他的一些跟踪系统中，固定航迹和临时航迹的相关处理在同一个扇区内进行；然而，若航迹是临时的，就对广义距离D（它量化地表示了检测与航迹的临近程度，参见式（8.47））加上D的增量。最后，那些与杂波点无关，也与航迹无关的检测结果将用于起始新航迹。最一般的起始处理是起始一条临时航迹。接着根据这些起始航迹的速度，这些临时航迹会消失，或形成确定的航迹，或成为杂波点。另一个等效的方法[38]是，同时建立杂波点和临时航迹。若检测结果来自固定目标，则杂波点将被更新，并且临时航迹最终将撤销。另一方面，若检测结果来自动目标，临时的航迹将形成确定的航迹，杂波点将撤销。这种方法的特点是，当大多数检测是杂波剩余时，这种方法只需较少的计算机计算时间。文件系统当在计算机中建立一条航迹时，就给定了一个航迹号。航迹号提供与这条给定航迹有关的所有参数。典型的航迹参数包括经过平滑过的预测位置和速度、最近更新的时间和航迹属性，如果用Kalman滤波器，则还有协方差矩阵和航迹曲线历程（最后n次检测）。对每一个航迹号给定一个方位扇区，以便能有效地进行相关处理[39]。除了航迹文件，还保留一个杂波文件。对每一个固定的或慢运动目标的回波，给定一个杂波号。杂波号提供了与杂波点有关第8章自动检测、自动跟踪和多传感器融合·315·的所有参数。同时，对每一个杂波号在方位上也给定一个扇区以便有效地进行相关处理。基本文件和指针系统在下面的Fortran格式中进行描述。像Pascal这样一些高级语言，由于具有指针系统，能有效地完成这种工作。航迹号和杂波号文件由于杂波号文件的工作原理和航迹号文件的工作原理是一样的，因此只对航迹号文件的工作原理进行描述。这里用到参考资料39中的研究成果。表8.3中列出航迹号参数。航迹号文件的初始化设置：LISTT(I)=I+1,I=1～M,LISTT(M)=0（表示在文件中最后可用的航迹号），NEXTT=1（下一个可用的航迹号），LASTT=M（最后不用的航迹号），FULLT=M-1（表示有M-1个航迹号可用）。操作流程图如图8.25所示。当需要一个新的航迹号时，令DROPT=1，系统检查FULLT是否为0。如果FULLT不等于0，就调入流程。因为DROPT=1，新的航迹被定为下一个的可用航迹号，即NT=NEXTT。在表中找到下一个可用的航迹号，并且令NEXTT=LISTT(NT)。FULLT-1，就表明可用航迹号将减少一个。最后，令LISTT(NT)=512，一个大于M的数目，这有利于调试程序。表8.3航迹号参数（引自参考资料39）参数说明NT航迹号DROPT航迹号NT获取或撤销标志，1表示获取，0表示撤销FULLT可用航迹号数量NEXTT下一个可用航迹号LASTT最后不用的航迹号LISTT(M)M个地址文件对应的航迹号M最大航迹数量图8.25航迹号文件流程图（引自参考资料39）第8章自动检测、自动跟踪和多传感器融合·316·当DROPT=0时，撤销航迹号NT，这时将最后的可用航迹号LISTT(LASTT)设置等于该航迹号NT。令LISTT(NT)=0表示最后的航迹号，然后将LASTT设置等于撤销的航迹号，即LASTT=NT。将参数FULLT递增，说明又有一个航迹号可用。航迹（和干扰）号文件就保持了从一个到下一个的连接，从而省去了搜索技术。航迹号分配方位扇区文件距离-方位平面通常分为64或128个相等的方位扇区。在更新或初建一条航迹之后，检查所预测的目标位置出现在哪个扇区，并将这条航迹确定在那个扇区内。如果这条航迹被撤销或移动到一个新的扇区，就要撤销前面确定的扇区。与航迹扇区文件相关的参数见表8.4。由于杂波号分配的方位扇区与航迹号分配是一样的，在此仅对航迹号分配方位扇区进行说明。TBX(I)文件含有在扇区I中的第一个航迹号。若TBX(I)=0，那么扇区I中就没有目标的航迹。指针文件IDT(M)的存储单元对应于可能的M个航迹号中的每一个航迹号。在扇区I中的第一个航迹号是从FIRST=TBX(I)中得到的。扇区中的第二个航迹号是从NEXT1=IDT(FIRST)中得到的。扇区中的下一个航迹号是从NEXT2=IDT(NEXT1)中得到的。这样的处理一直进行下去直到出现0，这表明扇区中再没有别的航迹号。表8.4航迹扇区文件（引自参考资料39）参数说明TBX(I)扇区I内的第一个航迹号（序列IDT的下标）IDT(M)指针文件（每一个指针定位一个航迹号，这个定位含扇区I中的下一个航迹号或0）当增加一条新的航迹或有一条航迹从某一个扇区移动到另一个扇区时，该新扇区就要增加一个航迹号。要完成这个工作，就要存储扇区中的第一个航迹号，新增加的航迹号NT在扇区中即作为第一个航迹号，而与航迹号NT相关的指针就被设置成指向该扇区的原第一条航迹。相应的计算机代码有三个Fortran语句：NL=TBX(I),TBX(I)=NT,IDT(NT)=NL。这是一个基本的进栈过程，将前一个航迹号压入到文件中。当一条航迹撤销或运动出这个扇区，在该扇区中就必须去掉这个航迹号。其流程图如图8.26所示。首先确定在扇区中的第一个航迹号TBX(I)是否是那个撤销的航迹号。如果是，就将此扇区中的第一个航迹号置为此扇区中的第二个航迹号，并且在IDT文件中与撤销的航迹号NT相关的单元置为0。将NT置为文件中下一个要撤销的航迹号，这样就有下一个可用的航迹号。若撤销的航迹号不是文件中第一个航迹号，接着就进行进栈IDT(NL)搜索，直到找到该航迹号。紧跟NT的下一个航迹号代替可用的存在的IDT(NL)，它含有下一个航迹NT，并将在IDT文件中对应于NT的单元置为0。在一个航迹号撤销后，重复上述过程，NT被设置成下一个航迹号。检测准入逻辑当雷达系统没有或不能进行有效的相参处理时，并不是所有自动检测器的检测结果都用于航迹处理。许多检测结果都被一种称做检测准入逻辑的软件方法过滤掉了[34]。这种处理方法的基本思想是，利用与目标检测环境相关的目标的幅度来消除一些无用的检测。第一步是第8章自动检测、自动跟踪和多传感器融合·317·让操纵员确定各区域的环境。可确定的环境类型包括地杂波、雨杂波、海杂波以及干扰。研究各区域中的检测直方图，图8.27示出雨杂波的例子。对于低频（超高频段和L波段）雷达，通常雨杂波的检测幅度低于目标的检测幅度。所以就可以设置一个门限来抑制检测结果中幅度较低的部分。这个门限可以通过本地检测密度来控制：在检测密度高的地方令门限值上升，而在检测密度低的地方令门限值下降。若检测结果下降到航迹门之内（即将门中心定在固定航迹的预测位置），那么在任何情况下都不会对检测结果进行抑制。在地杂波区域，高幅度的检测结果将被抑制。图8.26从扇区I中使航迹号NR撤销（引自参考资料39）坐标系统雷达对目标定位测量是在球坐标系内进行的，包括距离、方位和仰角。这样，在球坐标系内进行跟踪是很自然的事情。然而，由于等速目标（沿直线方向上）在所有的坐标上会引起加速项，在跟踪上会引起困难。对付这种困难的一个简单解决方法是在笛卡尔坐标系统中对目标进行跟踪。虽然在笛卡尔坐标系统中跟踪会出现使距离跟踪的精度严重下降，但实践证明还能保持其原有的精度[40]。另外一种方法[41]注意到，一个机动飞行的目标会引起较大的距离误差，但引起的方位误差很小，因此可使用以目标为原点的笛卡尔坐标系统。在这个系统中特别规定，x轴是目标方位向，y轴是横向距离向。最后，无论用何种坐标系统进行跟踪，第8章自动检测、自动跟踪和多传感器融合·318·航迹检测相关必须在球坐标系中进行。图8.27雨杂波中信噪比有效性试验（引自参考资料34）