一种跟踪掠海飞行小目标的雷达光电融合处理方法

戴春华

(海军驻中国船舶重工集团公司第七二三研究所军事代表室，江苏 扬州 225001)



一种跟踪掠海飞行小目标的雷达光电融合处理方法

戴春华

(海军驻中国船舶重工集团公司第七二三研究所军事代表室，江苏 扬州 225001)

传统跟踪雷达在跟踪掠海飞行小目标时，容易形成多路径误差。提出了一种雷达光电融合的处理方法，首先采用雷达进行捕获，通过处理，提供目标距离、初始位置、仰角的初始偏差以及目标预测角等信息，然后光电跟踪设备产生光电目标测偏信息及目标有效信息，最后利用雷达及光电跟踪设备提供的误差数据进行自适应行加权处理，形成角度误差，输入功放控制电路完成对掠海飞行小目标的跟踪。

掠海小目标；跟踪雷达；光电跟踪；雷达光电融合

0 引 言

雷达在跟踪掠海飞行小目标时，雷达波束直接照射海面，回波信号有可能直接或经过海面反射后到达雷达接收天线。直接波和反射波相互干涉，引起仰角误差在幅度和相位上发生变化，随着目标高度和距离而变化，形成多路径误差，这时雷达接收到的误差已经不能反映目标的真实信息。若直接采用这个误差控制雷达跟踪将会造成较大误差，甚至丢失目标[1-3]。舰炮系统中一般采用雷达和光电不同的探测设备实现对掠海飞行小目标的跟踪，不同的传感器有着各自的优缺点，宽波束跟踪雷达(如X波段)作用距离远，捕捉速度快，但抑制多路径能力较差，跟踪精度不高；窄波束跟踪雷达(如Ka波段)跟踪精度高，但作用距离近，不易捕获目标；光电传感器测量精度高，数据可靠性高，跟踪稳定，但受气象条件约束，易受海杂波干扰，无法全天侯工作[4-5]。一般在舰炮武器系统中通常会配备跟踪雷达和光电探测设备，起到互补作用；也有的采用复合技术，将不同传感器配装在同一部设备中；但很多传感器在使用中仅做了优化选择，即在一种传感器故障或被干扰情况下使用另一种传感器，没有完全实现多传感器的数据融合[6-7]。

因此，本文提出了一种对掠海飞行远距离小目标采用宽波束雷达进行捕获的方法，捕获后采用雷达光电融合处理进行跟踪。

1 基本原理

单独采用雷达跟踪无法克服海面反射形成多路径效应造成的误差波动和失真；单独采用光电跟踪易受海杂波干扰，跟错目标、受气象条件约束，无法全天候工作。通过对二者的融合，充分利用不同传感器的优点，提高对掠海飞行小目标的跟踪精度。

在雷达指向器上安装一台同天线电轴相平行的光电摄像机，2个通道均可以独立跟踪。雷达进行目标捕获，发现目标后即转入跟踪，测量目标跟踪角误差；同时光电传感器测量误差，分别对2路传感器数据进行滤波和平滑处理，进而对雷达和光电数据进行加权融合，生成目标位置数据。若该误差小于天线指向的最小值，则采用天线指向的最小值作为输出目标角度。根据信号质量进行融合，实现对目标的精确跟踪。具体工作示意图如图1所示。

2 雷达光电融合处理方法

2.1 处理方法

采用雷达进行捕获，提供目标距离、初始的目标位置信息及仰角的初始偏差。

确定天线指向的最小值，即根据雷达的天线架高、目标距离和飞行的最低高度实时计算出天线指向位置的最小值：

(1)

式中：θ0为天线指向的最小值；h1为天线架高；h2为目标飞行的最低高度；R为目标至雷达的斜距。

采用自适应变系数α-β-γ滤波，输入天线数据、误差数据和补偿数据，将角度量经极值变换、摇摆变换、航向变换后在直角坐标系中滤波，滤波系数根据目标距离和目标运行速度2个参数自动变化，滤波生成目标预测直角坐标量，再经航向正变换、坐标正变换和极直变换，变换成目标角度和距离量。

滤波过程中滤波时间常数由目标速度和目标距离决定的，原则上速度越快，时间常数越小；速度越慢，时间常数越大；距离越远，时间常数越大；距离越近，时间常数越小。滤波时间常数和采样时间决定了滤波参数α,β,γ值，其算法如下：

(2)

式中：t为采样时间；T为滤波时间常数。

(3)

(4)

对海杂波干扰带来的误差，采取位置定位，确定光电数据是否有效。判断准则为：光电波门位置全部高于海面，光电数据有效；光电波门中心位置高于海平面，且仰角光电误差为正时，光电数据有效；光电波门中心位置高于海平面，仰角光电误差数据为负，且天线中心位置与光电误差和大于0.5 mrad时，光电数据有效，见图2(阴影部分为光电数据有效区域)。

自适应权值数据融合，即利用雷达及光电传感器提供的误差数据进行加权处理，形成角度误差，输入功放控制电路。在不同跟踪模式下，根据距离，通过查表确定雷达传感器和光电传感器误差的权值，原则为：

(1) 远距离不使用光电数据；

(2) 连续采集20帧数据中光电数据有效值>80%时，才能使用光电数据；

(3) 融合权值见表1。

表1 光电传感器、雷达融合权值

(5)

式中：Δε为融合后的仰角误差；ΔεTV为光电通道仰角误差；ΔεDSP为雷达通道仰角误差；KTV为光电数据权值；KDSP为雷达通道数据权值。

连续判别天线指向的最小值，对雷达通道数据进行重滤波加补偿求得目标的仰角位置，对光电传感器数据进行处理得出角误差值，最后对光电传感器的数据进行自适应权值融合，产生角度误差经数字模拟转换，输入功放控制电路。

2.2 处理流程及分析

图3给出了处理的具体流程图。

与现有技术相比，该方法利用不同数据源提高了数据的可靠性，在传统跟踪雷达的基础上引用了光电跟踪技术，提高了对掠海小目标的跟踪能力，同时在恶劣气象条件下或者在有海杂波干扰的情况下采用雷达传感器作为数据补充，最终显著改善雷达低角时的跟踪精度。

3 实验分析

融合原则为：

(1) 大于8km时不使用光电数据；

(2) 连续采集20帧数据中，光电数据有效值>80%时，才能使用光电数据；

(3) 融合权值见表3。

表2 不同时刻滤波α、β值

表3 不同距离融合权值

4 结束语

本文利用不同数据源，在传统跟踪雷达的基础上引用了光电跟踪技术，提高了对掠海小目标的跟踪能力，同时在恶劣气象条件下或者在有海杂波干扰的情况下采用雷达传感器作为数据补充，最终显著改善雷达低角时的跟踪精度，特别适用于对掠海飞行目标的跟踪。

[1]TURLEYMDE.Signalprocessingtechniquesformaritimesurveillancewithskywaveradar[C]//2008InternationalConferenceonRadar,2008:241- 246.

[2] 王俊.微弱目标信号积累检测的方法研究[D].西安:西安电子科技大学,1999.

[3] 吴顺君,梅晓春.雷达信号处理和数据处理技术[M].1版.北京：电子工业出版社,2008.

[4] 何友,修建娟,张晶炜,等.雷达数据处理及应用[M].1版.北京：电子工业出版社,2008.

[5] 吴为,陈建文,王永良,陈辉.一种基于动态规划的多目标检测方法[J].空军雷达学院学报,2008,22(1):18- 21.

[6] 孙立宏,王俊.高速运动雷达弱小目标检测方法研究[J].系统工程与电子技术,2008,30(2):258-260.

[7] 吴顺君,梅晓春.雷达信号处理和数据处理技术[M].1版.北京：电子工业出版社,2008.

A Radar Photoelectricity Fusion Processing Method for Tracking Small Target Skimming the Sea

DAI Chun-hua

(Naval Representative Office Based in the 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

When traditional tracking radar tracks the small target skimming the sea,multi-path error will generate easily.This paper presents a processing method of radar photoelectricity fusion,firstly uses the radar to capture the target,performs the processing,provides the information of target range,initial position,elevation initial deviation and target prediction angle,etc.,then generates photoelectricity target deviation information and effective information by means of photoelectricity tracking equipment,finally uses the error data from radars and photoelectricity tracking equipments to perform the adaptive row weighting processing to form the angle error,and input power amplification control circuit to perform the tracking to small target skimming the sea.

small target skimming the sea;tracking radar;photoelectricity tracking;radar photoelectricity fusion

2017-03-28

TN95

A

CN32-1413(2017)02-0056-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.02.013