CN112505681B - 一种基于tas的四面二维相控阵雷达多目标跟踪处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于TAS的四面二维相控阵雷达多目标跟踪处理方法。该方法主要适用于四面二维相控阵雷达同时对多目标的搜索和跟踪处理，以及在跟踪模式下目标跨越阵面的处理。本发明主要有以下五个过程：(1)在搜索模式下起始航迹；(2)将起始的航迹转至跟踪模式并分配跟踪波位；(3)在跟踪模式下进行航迹与点迹关联、滤波；(4)跟踪模式下将跨越阵面的目标转换跟踪波位；(5)将跟踪模式下丢失的航迹转至搜索模式；本发明属于雷达数据处理领域，提出了一种基于TAS的四面二维相控阵雷达的多目标跟踪处理方法，可进一步增强其对多目标的探测能力和跟踪能力，具有较高的工程应用价值。

Description

一种基于TAS的四面二维相控阵雷达多目标跟踪处理方法
技术领域
本发明属于雷达数据处理技术领域，具体涉及一种基于TAS的四面二维相控阵雷达多目标跟踪处理方法。
背景技术
传统机械扫描式相控阵体制雷达一般采用边扫描边跟踪(TWS：Track-While-Scan)技术，而为了充分发挥二维相控阵天线波束捷变以及固定电扫的巨大潜力可以采用边跟踪边搜索(TAS：Track-And-Scan)技术。基于二维相控阵的TAS技术中，跟踪波束和搜索波束完全独立，对于目标的跟踪不需要等搜索一个周期结束后进行，而是根据跟踪数据率要求有规律在搜索波束中***一定数量的跟踪波束。基于数据率的设计指标要求下，我们可以充分发挥雷达的多目标跟踪能力，实现用多个跟踪波束指向多个目标，进而提高雷达的多目标跟踪能力。此外，使用TAS技术跟踪目标时，由于跟踪数据率相对于搜索数据率较高且可根据目标的位置实时调整波束方向，因此可以更加快速的获得目标的三维坐标信息。当目标被跟踪时，雷达可以快速获得目标的三维信息点，然后将目标点进行后续的数据处理，进而提高了雷达探测目标的实时性也大大的提升了雷达对目标的跟踪性能和精度。
发明内容
本发明的目的在于多阵面相控阵雷达基于TAS技术上，首先搜索波束探测到目标到起批航迹后，然后根据运动状态预测下个周期目标的位置从而选择合适的阵面及跟踪波束，最终实现对多目标连续、精确、稳定的跟踪。为此，本发明提出了基于TAS的四面二维相控阵雷达多目标跟踪处理方法，其中包括以下九个步骤：
步骤1：搜索模式下点迹预处理；将雷达信号处理机输出的目标原始点(包括：距离、方位、俯仰、速度等)，首先对目标原始点迹进行筛选，选择方位、俯仰、距离、速度等在一定门限范围内的多个目标原始点，然后对多个目标原始点的能量和信噪比等信息使用加权的方式凝聚成疑似目标点；
步骤2：搜索模式下点迹预相关处理；首先对步骤1处理得到的疑似目标点作为航迹头，然后设定距离、速度、方位、俯仰等相关门限，最后将下个周期落在门限范围内的疑似目标点与航迹头相关，若相关上则存储为暂态航迹进入步骤3，若未相关上则需要进入步骤3判断是否满足航迹起始条件；
步骤3：在搜索模式下航迹起始；使用m/n滑窗法，在n次扫描周期范围内，如果步骤2中暂态航迹的相关次数超过m次，则宣告航迹起始成功并作为起批航迹放入航迹队列；若少于m次则宣告航迹起始失败，删除暂态航迹；
步骤4：将新起始的航迹判断能否满足当前雷达跟踪资源的调度，如果满足则将航迹由搜索模式切换至跟踪模式，根据当前点的目标运动状态预测目标点下个周期的位置从而分配对应阵面的跟踪波束，并将跟踪波束指向预测位置；如果不满足则继续将此航迹处于搜索模式；
步骤5：跟踪模式下将跟踪波束探测获得的目标原始点，首先进行野值剔除和点迹凝聚等步骤，其方法和步骤1相同；接着根据航线上个周期的运动状态预测目标点当前周期的位置，把距离预测位置门限范围内的疑似目标点相关上，然后使用kalman跟踪滤波处理并且把跟踪航迹丢失次数计为0；若当前周期最新疑似目标点未与航线相关上，则使用kalman航迹预测并对跟踪航迹丢失次数加1；
步骤6：由于跟踪波束和搜索波束会同时探测到目标点，因此跟踪和搜索模式下对同一个目标会形成两条航迹，所以将步骤5所得跟踪航迹与重合的搜索航迹进行融合；航迹融合后进入航迹状态更新，使用kalman预测目标下个周期的位置(目标可能会跨阵面)，最后根据预测位置选择阵面和跟踪波束将跟踪波束指向预测位置；
步骤7：跟踪模式下若跟踪航迹的丢失次数超过一定阈值将航迹从跟踪模式切换至搜索模式，然后将此航迹之前所分配的跟踪波束释放并初始化；
步骤8：在搜索模式下将点迹凝聚后的疑似目标点与步骤7中切换后的航迹进行相关，若相关上则使用kalman滤波处理，并且搜索航迹丢失次数计为0；若未相关上则进行kalman预测并对搜索航迹丢失次数加1；
步骤9：将搜索模式下航迹状态更新，若搜索航迹的丢失次数超过一定阈值则进行航迹消亡；
附图说明
图1是四面二维相控阵雷达整体运行***框图。
图2是四面二维相控阵雷达多目标跟踪处理整体流程图。
图3是航迹起始的滑窗图。
图4是航线从搜索模式切换至跟踪模式的跟踪波束分配策略图。
图5是航线在跟踪模式下的处理流程图。
图6是航线在搜索模式下的处理流程图。
具体实施方式
本发明是针对基于TAS的四面二维相控阵雷达多目标跟踪处理方法，二维相控阵雷达***的总体流程图如图1所示，其中多目标数据处理流程图如图2所示并包括如下九个步骤。
步骤1：搜索模式下点迹预处理；将雷达信号处理机***输出的原始点输入至数据处理***中进行筛选，选择方位、俯仰、距离、速度在一定范围内的多个原始点，然后对多个原始点的能量和信噪比等信息使用加权的方式凝聚，最终得到疑似目标点。
本雷达用于探测低空慢速小目标，根据目标的特性以及多次实际实验设定门限。其中门限包含：距离门限表示为(Rmin，Rmax)、方位角门限表示为(θmin，θmax)、俯仰角门限表示为(γmin，γmax)、速度门限表示为(Vmin，Vmax)、野值剔除数学模型为：
Figure GSB0000200145120000031
1：表示为有效数据点；0表示为无效数据点；
现在当前假设有三个点a1、a2、a3，需要进行点迹凝聚，能量和信噪比的权重比分别设为m1、m2，其能量、信噪比、距离、方位、俯仰、速度对应的分别为n1、n2、n3、s1、s2、s3、r1，r2，r3，θ1，θ2，θ3，γ1，γ2，γ3，v1，v2，v3，凝聚后点的距离、方位、俯仰、速度为r，θ，γ，v，其中处理的数学模型如下所示：
Figure GSB0000200145120000032
Figure GSB0000200145120000033
Figure GSB0000200145120000034
Figure GSB0000200145120000035
Figure GSB0000200145120000041
Figure GSB0000200145120000042
Figure GSB0000200145120000043
步骤2：搜索模式下点迹预相关处理；首先对步骤1处理得到的疑似目标点作为航迹头，然后设定距离、速度、方位、俯仰等相关门限，最后将下个周期落在门限范围内的疑似目标点与航迹头相关，若相关上则存储为暂态航迹进入步骤3，若未相关上则需要进入步骤3判断是否满足航迹起始条件；其中相关的数学模型如下所示：
Figure GSB0000200145120000044
1代表相关上；0代表未相关上；
步骤3：在搜索模式下航迹起始；使用m/n滑窗法，在n次扫描周期范围内，如果步骤2中暂态航迹的相关次数超过m次，则宣告航迹起始成功并作为起批航迹放入航迹队列；若少于m次则宣告航迹起始失败，删除暂态航迹。航迹起始滑窗图如图3所示；
步骤4：将新起始的航迹判断能否满足当前雷达跟踪资源的调度，即是否有剩余跟踪波束可用于跟踪目标，如果满足则将航迹由搜索模式切换至跟踪模式，根据当前点的目标运动状态计算得到目标点下个周期的位置从而选择阵面和跟踪波束，并将跟踪波束指向预测位置；如果不满足则继续将此航迹处于搜索模式；
由于雷达资源调度以及跟踪波束的指向方位不定可能产生相邻阵面相互干扰的情况。因此根据设计指标，雷达最大能跟踪n(n＝1，2，3...)个目标，每个阵面的跟踪波束为2n个。当跟踪目标排序为第k(k∈[1，n])个时，若目标处于一或三阵面范围，则分配对应的跟踪波束序号为2k-1；若目标处于二或四阵面范围，则分配对应的跟踪波束序号为2k。当目标从当前阵面跨越至相邻阵面时，依旧使用上述方法。搜索模式切换跟踪模式的阵面选择和跟踪波束分配流程如图4所示；
步骤5：跟踪模式下将跟踪波束探测的获得的目标原始点首先进行野值剔除和点迹凝聚，其方法和步骤1一样(需要根据实际情况调整门限大小)，得到疑似目标点；接着根据航线上个周期的运动状态预测目标点当前周期的位置，把距离预测位置门限范围内的疑似目标点相关上，然后使用kalman跟踪滤波处理并把跟踪航迹丢失次数计为0；若航迹未与疑似目标点相关上则进行kalman航迹预测并对跟踪航迹丢失次数加1；
步骤6：由于跟踪波束和搜索波束会同时探测到目标点，因此跟踪和搜索模式下对同一个目标会形成两条航迹，所以将步骤5所得跟踪航迹与重合的搜索航迹进行融合；航迹融合后进入航迹状态更新，使用kalman预测目标下个周期的位置(目标可能会跨阵面)，最后根据预测位置选择阵面和跟踪波束将跟踪波束指向预测位置。其中跟踪模式处理的流程图如图5所示；
步骤7：跟踪模式下对连续丢失超过m(m＞0)次的航迹，将其从跟踪模式切换至搜索模式，然后将此航迹之前所分配的跟踪波束释放并初始化；
步骤8：在搜索模式下将搜索波束探测的目标原始点迹凝聚疑似目标点迹，接着将步骤7切换至搜索模式的航迹与疑似目标点迹相关，若相关上则使用kalman滤波处理并且把搜索航迹丢失次数计为0；若航迹未与疑似目标点相关上则进行kalman航迹预测并对搜索航迹丢失次数加1。搜索模式下对航迹处理的整体流程图如图6所示；
步骤9：在搜索模式下将航迹更新，若航迹的连续次数超过k(k＞0)次，则进行航迹消亡。

Claims (5)

1.一种基于TAS的四面二维相控阵雷达多目标跟踪处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：搜索模式下点迹预处理；将雷达信号处理机输出的目标原始点首先进行野值剔除，目标原始点包括：距离、方位、俯仰、速度，然后数据处理方法根据信噪比和能量值加权进行点迹凝聚，最终形成疑似目标点；
步骤2：搜索模式下点迹预相关处理；首先对步骤1处理得到的疑似目标点作为航迹头，然后设定距离、速度、方位、俯仰相关门限，最后将下个周期落在门限范围内的疑似目标点与航迹头相关，若相关上则存储为暂态航迹进入步骤3，若未相关上则需要进入步骤3判断是否满足航迹起始条件；
步骤3：在搜索模式下航迹起始；使用m/n滑窗法，在n次扫描周期范围内，如果步骤2中暂态航迹的相关次数超过m次，则宣告航迹起始成功并作为起批航迹放入航迹队列；若少于m次则宣告航迹起始失败，删除暂态航迹；
步骤4：将步骤3起批航迹判断是否满足跟踪条件，如果满足则将航迹由搜索模式切换至跟踪模式，并选择相对应的阵面和跟踪波束；若不满足，则继续将此航迹处于搜索模式；
步骤5：跟踪模式下将跟踪波束探测得到的目标原始点迹进行点迹凝聚，凝聚后的疑似目标点与步骤4中跟踪模式的航迹相关，若相关上则使用kalman滤波处理，并且把跟踪航迹丢失次数计为0；若未相关上则进行kalman航迹预测并对跟踪航迹丢失次数加1；
步骤6：由于跟踪波束和搜索波束会同时探测到目标点，因此跟踪和搜索模式下对同一个目标会形成两条航迹，所以将步骤5所得跟踪航迹与重合的搜索航迹进行融合，航迹融合后进入航迹状态更新，使用kalman预测目标下个周期的位置，最后根据预测位置选择阵面和跟踪波束并且将跟踪波束指向预测位置；
步骤7：跟踪模式下若跟踪航迹的丢失次数超过一定阈值将航迹从跟踪模式切换至搜索模式，然后将此航迹之前所分配的跟踪波束释放并初始化；
步骤8：在搜索模式下将搜索波束探测得到的目标原始点迹进行点迹凝聚，凝聚后的疑似目标点迹与步骤7的退出跟踪模式的航迹相关，若相关上则使用kalman滤波处理，并且把搜索航迹丢失次数计为0；若未相关上则进行kalman航迹预测并对搜索航迹丢失次数加1；
步骤9：将搜索模式下航迹状态更新，若搜索航迹的丢失次数超过一定阈值则进行航迹消亡；
TAS跟踪航迹处理中，重复上述步骤1～9，将解析获得的全部点迹都参与到航迹处理中，从而完成航迹处理算法的实现。
2.根据权利要求1所述的基于TAS的四面二维相控阵雷达多目标跟踪处理方法，其特征在于，步骤1中设定门限进行野值剔除和使用目标能量值和信噪比加权的方法进行点迹凝聚。
3.根据权利要求1所述的基于TAS的四面二维相控阵雷达多目标跟踪处理方法，其特征在于，步骤4对搜索模式起批航迹进行判断，航迹若满足跟踪条件则选择阵面且分配相应的跟踪波束进入跟踪模式，跟踪波束实时指向目标；该方法提高了对多目标角度的探测精度和探测稳定性，并加强了对多目标的探测能力。
4.根据权利要求1所述的基于TAS的四面二维相控阵雷达多目标跟踪处理方法，其特征在于，步骤6中在航迹进入跟踪模式下，搜索的波束会同时探测到目标点并形成航迹，然后使用航迹融合的方法消除重复航迹；此外，当跟踪目标跨越当前阵面进入到另一个阵面范围时，更新阵面并重新分配跟踪波束。
5.根据权利要求1所述的基于TAS的四面二维相控阵雷达多目标跟踪处理方法，其特征在于，步骤7在跟踪目标丢失时退出跟踪模式切换为搜索模式然后继续对目标进行探测；此方式充分发挥了TAS雷达对目标的探测能力。
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