雷达目标跟踪技术稳定性研究-中国期刊网

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（整期优先）网络出版时间：2023-03-14

作者: 李鹏

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雷达目标跟踪技术稳定性研究

刘,冰,李鹏

西安电子工程研究所

【摘要】在日益复杂的电磁环境下稳定跟踪目标是目前跟踪雷达领域需要解决的重要问题之一。本文基于成熟的跟踪雷达系统，首先从工程上分析了当前跟踪雷达在试验中遇到的一些影响跟踪稳定性的因素，然后针对这些问题提出了一些解决算法，并通过飞行试验验证了算法的有效性。

0引言

跟踪雷达是指那些能够自动连续的对目标进行跟踪，不断地对目标参数进行精确测量并能输出目标坐标位置参数（如方位角、俯仰角、径向速度等）的雷达。连续闭环式自动跟踪、目标坐标参数的高精度测量及高数据输出率是跟踪雷达的主要特点。随着电磁环境趋于复杂化、电子干扰技术不断提高以及干扰设备的不断涌现，如何在恶劣环境下对目标进行高精度测量、特征提取，从而达到稳定跟踪的目的就变得尤为迫切。恶劣环境除了人为的电子干扰以外，自然环境例如来自陆地、海洋、天气（特别是雨）、鸟群，以及昆虫的回波，对于跟踪目标来说也是一种杂波干扰，而通常情况下，杂波在空间范围内分布，其物理尺寸比雷达的分辨单元大很多,这种大的回波能够遮蔽所需目标的回波，从而限制了雷达的检测能力，影响了跟踪雷达在跟踪过程中对目标位置的定位精度，严重情况下甚至丢失目标。因此杂波、干扰成为目前制约跟踪雷达发展的主要因素。

跟踪雷达存在问题分析
1. 国内跟踪雷达概述

自 20 世纪 40 年代以来，跟踪雷达已从最初的火炮控制发展至靶场测量、空间探测和民用生活等诸多领域。跟踪雷达逐渐向高精度、多模式、大作用距离、多目标跟踪以及复杂电磁环境下的抗干扰技术等方向发展。经过多年的发展，逐渐形成了火控雷达和多功能相控阵雷达两大主要分支。

1)火控雷达。火控雷达用于自动跟踪目标，测定目标坐标，配合武器系统实施拦截与打击，实现目标的精确跟踪和火力控制。其作用距离较近，但精度高、可靠性好、数据率高，更重要是抗干扰能力强，因此火控雷达在近程反导系统中占据主导地位。

2)多功能相控阵雷达。多功能相控阵雷达具有功率口径积大、反应速度快、数率高、资源能够自适应管理、抗干扰能力强等优点，是跟踪雷达发展的新方向。目前，先进的多功能相控阵雷达，可同时完成搜索、跟踪、制导等任务，能够取代多部搜索雷达和跟踪雷达的功能。

跟踪雷达技术在军事领域的不断发展与广泛应用取得了很大进步，使得其对机动目标的威胁程度与日俱增，因此电子对抗的崛起，复杂的电磁环境的干扰等都对跟踪雷达的稳定跟踪造成了影响。

1.2工程中影响稳定跟踪的问题分析

结合近几年国内跟踪雷达遇到的共同问题，我们从跟踪雷达工作原理入手，逐一分析跟踪雷达在实际工程中遇到的影响跟踪雷达稳定跟踪的因素。

1)截获时，影响发现、锁定目标的主要因素：

截获是跟踪雷达获得搜索雷达的导引，依据导引数据，在一定范围内截获并确认目标，从而交给跟踪雷达跟踪目标的一个过程。它是跟踪雷达开始跟踪目标的起始。截获概率是衡量跟踪雷达的一项重要指标。截获分为低空截获和高空截获，相对于低空截获，高空截获背景单一，截获概率一般能达到100%，而低空截获受到地物杂波干扰和多径的影响，截获概率大大降低。

2)跟踪时，影响稳定跟踪的因素主要有以下几点：

a)来自目标处的干扰，分为目标自身携带的干扰和目标主动释放的干扰。目标自身携带的干扰，比如涡扇效应，飞行器上的风扇旋转使得目标回波中除了主目标分量外夹杂了许多微多普勒分量，从实验数据上看，如图1所示，在距离-多普勒二维平面上的分布具有幅度分布集中，距离分布集中，频率分布发散的特征。再加上信号带宽小、远区脉冲重复周期长，导致速度模糊严重，近区脉冲重复周期短，这种现象减弱。因此涡扇干扰在跟踪时造成距离跟踪精度差，如图2所示，跟踪目标从远及近再从近及远，在整个过程中，从跟踪距离误差上看，在远区距离测量误差明显高于近区，跟踪目标常会有拉偏、回归的过程，跟踪雷达跟踪目标时稳定性变差，严重时甚至丢失跟踪目标。

a)目标回波距离多普勒平面 b) 原始点迹分布图

c) 频谱分布图 d) 距离分布图

图1目标回波点迹分布图

a) 跟踪目标运行轨迹 b) 跟踪目标距离测量误差

图2 跟踪目标精度分析图

另外，来自目标的释放干扰，主要有压制式干扰和欺骗式干扰，压制式干扰和欺骗式干扰在距离-多普勒二维平面上会呈现不一样的分布特性，压制式干扰使得整个时频图的基地抬高，导致自适应恒虚警门限抬高，目标被淹没其中，从而无法检测到目标；而欺骗式干扰通常会在相关这一级干扰跟踪，通过释放类似于目标的诱饵，使得雷达在跟踪过程中错误的相关上诱饵，被诱饵逐步拖走远离真实目标，直至丢失。

b)来自外部环境干扰，例如山坡、电线杆、高速路、高楼等固定地物，这类杂波在距离多普勒二维平面上的分布特征主要呈现距离分散、频率集中，频率主要集中在0频及附近少数单元。对于固定杂波传统采用MTD、自适应PRF以及联合多普勒通道扣除的多维度做法，效果是显著的。但是针对低速运动的杂波，例如云杂波、海杂波、风吹的树木草丛、地面运动汽车等，这类杂波两个特点，一是杂波主通道不在0频，二是杂波谱存在一定程度的展宽，因此处理上增加杂波谱中心估计，一方面用于扣除杂波谱中心及附近的多普勒通道数据，另一方面利用跟踪目标运动状态估算目标多普勒通道号，结合杂波区所处位置，选择合适的prf，使得目标尽量落入远离的杂波谱中心的位置。同时在距离闭环跟踪时，采用距离速度联合相关的算法更精确的选择目标。但是即使采用了上述这一系列抗干扰的措施，在工程试验中还可以发现，在低空远区的情况下，仍然难以完全避免强杂波的影响，分析原因，在频率上，由于远区prf重频高，速度模糊非常严重，这样的情况下杂波谱的稍微展宽都使得目标跟杂波在频谱上难以辨别。另外强杂波在距离上也遍布在目标周围一个大的区域，因此从距离-多普勒平面上不管哪个维度都难以区分杂波和目标。

2.工程中可现实的解决办法

2.1截获算法改进

传统的跟踪雷达在一定的空域范围内根据截获导引距离设定检测波门，在波门内发现并确认目标，由于地杂波和多径的影响，使得波门内点迹杂乱，影响对真实目标的筛选和确认。为了准确辨别目标，工程实现中可从以下几个方面入手：首先加入目标导引速度信息，这在现在雷达系统中容易获得，根据公式=计算目标的频率，根据雷达系统参数估算目标分别在PRF1、PRF2、PRF3这三种PRF下可能落入的频率通道，选择合适的PRFx，使得目标尽量远离杂波区。其次在MTD之后恒虚警处理之前进行杂波谱估计，统计一定距离范围内的杂波分布情况，获得杂波分布范围，根据范围扣除杂波，避免较多的杂波进入检测影响恒虚警以及凝聚结果。接下来，确认导引距离、速度的误差，根据误差及目标运行状态估算目标运行轨迹，设定可检测目标的最小确认波门，减少非必要点迹进入最终的目标确认环节，避免干扰。如果当前系统在速度上具有分辨力，可设置距离-频率两维的确认波门，否则仅设置距离确认波门。最后，在截获过程中加入和差匿影，从空域避免从旁瓣进入的杂波。导引速度信息的加入和截获算法的改进可以有效避免地杂波和多径的干扰，大大提高了雷达的截获能力。

2.2 跟踪算法改进

2.2.1 压制式噪声干扰

当前压制式干扰主要形式是噪声干扰，干扰信号的时域波形分布较为杂乱类似噪声信号，容易形成较强的噪声背景，且信号频谱覆盖范围宽、频带内信号的起伏度大，噪声干扰主要在CFAR环节进行干扰，降低目标被发现的概率。在工程中加入对距离-多普勒二维噪声基底的实时统计，在跟踪过程中若发现噪声基底超过接收机噪声的2倍，则置噪声干扰预警信号为有效，同时设置干扰威胁系数T值，噪声超出越多威胁系数越大。在这种情况下，使用自适应滤波系统，自适应滤波公式如下：

其中：为第K个周期目标位置的平滑值；为第K-1个周期对第K个周期目标位置的预测值；为第K个周期目标速度的平滑值；为第K-1个周期目标速度的平滑值；为第K个扫描周期目标距离的观测值；为根据不同工作模式有不同的取值,这里以一个CPI时间长度为单位；为目标位置的平滑系数,此时采用自适应参数；为目标速度的平滑系数。也就是说在受到干扰威胁时，威胁越大威胁系数T越大，越小，自适应滤波时，当前检测的新息值起的作用越小，更加信任原有的跟踪目标运动状态信息，以便按照原有运动轨迹进行稳定跟踪。

2.2.2涡扇效应抑制

涡扇效应是指在飞行过程中涡扇发动机工作时涡轮带动一定数量的风扇旋转，这种目标上的微动旋转将在回波信号上引起附加的频率调制，并在目标主体移动产生的多普勒偏移频率附近产生边频，也就是微多普勒频率，微多普勒的引入使得雷达检测到目标所在的距离下存在多了目标点，产生虚假检测，这种虚假检测在雷达跟踪处理时容易混淆目标，导致跟踪精度变差甚至直接在距离上被拉偏丢掉目标。

提高距离检测精度可以有效抑制涡扇效应，随着现在可编程器件的发展，FPGA+多核DSP架构的信号处理平台具有高性能的运算能力和传输能力，这就为我们提高信号带宽提供了好的硬件基础，因此我们在衡量系统整体架构变动最小的前提下从两个方面采取了措施：

一方面提高信号带宽，增加距离测量精度，减少多普勒对距离的影响；另一方面从图1回波信号的时频图分析，涡扇效应影响频谱分布，目标在距离和幅度上分布仍然比较集中，因此本文提出了一种新的相关算法，距离-幅度联合相关算法来获取新的目标点迹，维持目标的跟踪。具体实现步骤如下：

在N个凝聚后的一次点迹中选大，获得幅度最大值；
计算每一个点迹与最大值的幅度差；
计算每一个点迹与目标预测值的绝对差；
利用相关公式计算每一个点迹的相关系数，相关公式如下：

其中，为距离相关波门，依据系统实际参数及目标运行速度设定。

选择相关系数最大值对应的点迹，将此点选为新的目标点迹，维持目标的跟踪。

将信号带宽增加一倍，同时在软件中使用了距离-幅度联合相关算法。与前面所述图2同等环境下做试验获得的数据如图3所示，跟踪目标从8km进入到300米后远离直到35km，在整个飞行过程中，从获得的跟踪距离误差上看，使用新的算法后距离测量误差明显变小，没有出现距离被逐渐拉偏的现象，可以看出对涡扇效应的抑制效果明显。