1.2 雷达数据处理中的基本概念

雷达数据处理单元的输入是前端送来的点迹，即点迹是数据处理的对象，数据处理单元输出的是对目标进行数据处理后所形成的航迹。概括来讲雷达数据处理过程中的功能模块包括：点迹预处理、航迹起始和终结、数据互联、跟踪等内容，而在数据互联和跟踪的过程中又必须建立波门，它们之间的相互关系可用如图1.2所示的框图来表示，下面将简要讨论雷达数据处理各个功能模块所包含的主要内容和相关概念。

1.量测

量测是指与目标状态有关的受噪声污染的观测值[13]，量测有时也称为测量或观测。量测通常并不是雷达的原始数据点，而是经过信号处理后的数据录取器输出的点迹。点迹按是否与已建立的目标航迹发生互联可分为自由点迹和相关点迹，其中，与已知目标航迹相关的点迹称为相关点迹，而与已建立的目标航迹不相关的点迹为自由点迹。另外，初始时刻测到的点迹均为自由点迹。概括来讲量测主要包括以下几种：

● 雷达所测得的目标距离、方位角、俯仰角；

● 两部雷达之间的到达时间差；

● 目标辐射的窄带信号频率；

● 观测的两个雷达之间的频率差（由多普勒频移产生）；

● 信号强度等。

在现代战场环境中，由于多种因素的影响，量测有可能是来自目标的正确量测，也有可能是来自杂波、虚假目标、干扰目标的错误量测，而且还有可能存在漏检情况，也就是说量测通常具有不确定性。概括来讲造成量测不确定性的原因主要有以下几种：

● 检测过程中的随机虚警；

● 由于所感兴趣目标附近的虚假反射体或辐射体所产生的杂波；

● 干扰目标；

● 诱饵等。

2.量测数据预处理

尽管现代雷达采用了许多信号处理技术，但总会有一小部分杂波/干扰信号漏过去，为了减轻后续数据处理计算机的负担、防止计算机饱和以及提高系统性能等，还要对一次处理所给出的点迹（量测）进行预处理，即量测数据预处理。量测数据预处理是对雷达信息二次处理的预处理，它是对雷达数据进行正确处理的前提条件，有效的量测数据预处理方法可以起到“事半功倍”的作用，即在降低目标跟踪计算量的同时提高目标的跟踪精度。量测数据预处理技术包括的内容很多，其中主要包括系统误差配准、时间同步、空间对准及野值剔除等。

（1）系统误差配准

雷达对目标进行测量所得的测量数据中包含两种测量误差：一种是随机误差，是由测量系统的内部噪声引起的，每次测量时它可能都是不同的，随机误差可通过增加测量次数，利用滤波等方法使误差的方差在统计意义下最小化，在一定程度上克服随机误差；另一种是系统误差，它是由测量环境、天线、伺服系统、数据采集过程中的非校准因素等引起的，例如雷达站的站址误差、高度计零点偏差等，系统误差是复杂，慢变，非随机变化的，在相对较长的一段时间内可看做未知的“恒定值”。参考文献[14]的研究结果表明当系统偏差和随机误差的比例大于等于1时，分布式航迹融合和集中式点迹融合的效果明显恶化，此时必须对系统误差进行校正。

（2）时间同步

由于每部雷达的开机时间和采样率均可能不相同，通过数据录取器所录取的目标测量数据通常并不是同一时刻的，所以在多雷达数据处理过程中必须把这些观测数据进行时间同步，通常利用一个雷达的采样时刻为基准，其他雷达的时间统一到该雷达的时间上。

（3）空间对准

即把不同地点的各个雷达站送来的数据的坐标原点的位置、坐标轴的方向等进行统一，从而将多个雷达的测量数据纳入一个统一的参考框架中，为雷达数据处理的后期工作做铺垫。

（4）野值剔除

即把雷达测量数据中明显异常的值剔除。

3.数据互联

在单目标无杂波环境下，目标的相关波门内只有一个点迹，此时只涉及跟踪问题。在多目标情况下，有可能出现单个点迹落入多个波门的相交区域内，或者出现多个点迹落入单个目标的相关波门内，此时就会涉及数据互联问题。例如，假设雷达在第n次扫描之前已建立了两条目标航迹，并且在第n次扫描中检测到两个回波，那么这两个回波是两个新目标，还是已建立航迹的两个目标在该时刻的回波呢？如果是已建立航迹的两个目标在该时刻的回波，那么这两次扫描的回波和两条航迹之间怎样实现正确配对呢？这就是数据互联问题，即建立某时刻雷达量测数据和其他时刻量测数据（或航迹）的关系，以确定这些量测数据是否来自同一个目标的处理过程（或确定正确的点迹和航迹配对的处理过程）。数据互联通常又称做数据关联，有时也被称做点迹相关，它是雷达数据处理的关键问题之一，如果数据互联不正确，那么错误的数据互联就会给目标配上一个错误的速度，对于空中交通管制雷达来说，错误的目标速度可能会导致飞机碰撞；对于军用雷达来说，可能会导致错过目标拦截。数据互联是通过相关波门来实现的，即通过波门排除其他目标形成的真点迹和噪声、干扰形成的假点迹。

概括来讲，按照互联的对象的不同，数据互联问题可分为以下几类[15]：

① 量测与量测的互联或点迹与点迹的互联（航迹起始）；

② 量测与航迹的互联或点迹与航迹的互联（航迹保持或航迹更新）；

③ 航迹与航迹的互联或称做航迹关联（航迹融合）。

从数学上来看，数据互联问题可分为以下两种模型[15]：

① 确定性模型，其中量测源是确定的，并忽略它未必是正确的这一事实；

② 概率模型，它利用贝叶斯准则计算各个事件的概率，然后利用这些概率值适当修正状态估计算法。

4.波门

在对目标进行航迹起始和跟踪的过程中通常要利用波门解决数据互联问题，那么什么是波门呢？它又分为哪几种呢？下面就针对该问题作简要讨论。

初始波门：以自由点迹为中心，用来确定该目标的观测值可能出现范围的一块区域。在航迹起始阶段，为了更好地对目标进行进行捕获，初始波门一般要稍大一些。

相关波门（或相关域、跟踪波门）是指以被跟踪目标的预测位置为中心，用来确定该目标的观测值可能出现范围的一块区域[16]。波门大小与雷达测量误差大小、正确接收回波的概率等有关，也就是在确定波门的形状和大小时，应使真实量测以很高的概率落入波门内，同时又要使相关波门内的无关点迹的数量不是很多。落入相关波门内的回波称为候选回波。跟踪门的大小反映了预测的目标位置和速度的误差，该误差与跟踪方法、雷达测量误差以及要保证的正确互联概率有关。相关波门的大小在跟踪过程中并不是一成不变的，而是应根据跟踪的情况在大波门、中波门和小波门之间自适应调整。

① 对处于匀速直线运动目标，比如民航机在高空平稳段飞行时，设置小波门；波门最小尺寸不应小于测量误差的均方根值的3倍；

② 当目标机动比较小时，比如飞机的起飞和降落、慢速转弯等可设置中波门；中波门可在小波门的基础上再加上1～2倍的测量误差的均方根值；

③ 当目标机动比较大，比如飞机快速转弯，或者是目标丢失后的再捕获，可采用大波门。另外，在航迹起始阶段，为了有效地捕获目标初始波门也应采用大波门。

5.航迹起始与终止

航迹起始是指从目标进入雷达威力区（并被检测到）到建立该目标航迹的过程称为航迹起始，航迹起始是雷达数据处理中的重要问题，如果航迹起始不正确，则根本无法实现对目标的跟踪。

由于在对目标进行跟踪的过程中，被跟踪的目标随时都有逃离监视区域的可能性，一旦目标超出了雷达的探测范围，跟踪器就必须做出相应的决策以消除多余的航迹档案，进行航迹终结。按照终结的航迹是假航迹还是真航迹又可分为[17,18]：

① 假航迹寿命：一条假航迹从起始后到被删除的平均雷达扫描数称为假航迹寿命；

② 真航迹寿命：一条真航迹起始后被误作假航迹删除的平均雷达扫描数，称为真航迹寿命。

6.跟踪

跟踪问题和数据互联问题是雷达数据处理中的两大基本问题，那么什么是跟踪呢？跟踪是指对来自目标的量测值进行处理，以便保持对目标现时状态的估计[15]。跟踪方法包括卡尔曼滤波方法、常增益滤波等，这些滤波方法针对的是匀速和匀加速目标，这时采用卡尔曼滤波技术或常增益滤波可获得最佳估计，而且随着滤波时间的增长，滤波值和目标真实值之间的差值会越来越小。但由于雷达数据处理过程中存在两种不确定性，即

① 模型参数具有不确定性（目标运动可能存在不可预测的机动）；

② 用于滤波的观测值具有不确定性（由于存在多目标和虚警，雷达环境会产生很多点迹）。

因此，一旦目标的真实运动与滤波所采用的目标运动模型不一致（目标出现了机动），或者出现了错误的数据互联，就很可能会导致滤波发散，即滤波值和目标真实值之间的差值随着时间的增加而无限增长。一旦出现发散现象，滤波就失去了意义。

7.航迹

航迹是由来自同一个目标的量测集合所估计的目标状态形成的轨迹[15]，即跟踪轨迹。雷达在对多目标进行数据处理时要对每个跟踪轨迹规定一个编号，即航迹号，与一个给定航迹相联系的所有参数都以其航迹号作为参考；而航迹可靠性程度的度量可用航迹质量来描述，通过航迹质量管理，可以及时、准确地起始航迹以建立新目标档案，也可以及时、准确地撤销航迹以消除多余目标档案，与航迹有关的概念还包括四个[16]。

① 可能航迹。可能航迹是由单个测量点组成的航迹。

② 试验航迹。由两个或多个测量点组成的并且航迹质量数较低的航迹统称为试验航迹，它可能是目标航迹，也可能是随机干扰，即虚假航迹。可能航迹完成初始相关后就转化成试验航迹或撤销航迹，也有人把试验航迹称为暂时航迹。

③ 确认航迹。确认航迹是具有稳定输出或航迹质量数超过某一定值的航迹，也称为可靠航迹或稳定航迹，它通常被认为是真实目标航迹。

④ 固定航迹。它是由杂波点迹所组成的航迹，其位置在雷达各次扫描间变化不大。

在点迹与航迹的互联过程中可确定这样一种排列顺序：先是固定航迹，再是可靠航迹，最后是暂时航迹。也就是说在获得一组观测点迹后，这些点迹首先与固定航迹互联，那些与固定航迹互联上的点迹从点迹文件中删除并用来更新固定航迹，即用互联上的点迹来代替旧的杂波点。若这些点迹不能与固定航迹进行互联，其再与已经存在的确认航迹进行互联，互联成功的点迹用来更新确认航迹。和确认航迹互联不上的点迹和试验航迹进行互联，暂时航迹后来不是消失了就是转为可靠航迹或固定航迹。确认航迹的优先级别高于暂时航迹，这样可使得暂时航迹不可能从可靠航迹中窃得点迹。上述四类航迹之间的关系如图1.3表示。

⑤ 撤销航迹。当航迹质量低于某一定值或是由孤立的随机干扰点组成时，称该航迹为撤销航迹，而这一过程称为航迹撤销或航迹终结。航迹撤销就是在该航迹不满足某种准则时，将其从航迹记录中抹去，这就意味着该航迹不是一个真实目标的航迹，或者该航迹对应的目标已经运动出该雷达的威力范围。也就是说如果某个航迹在某次扫描中没有与任何点迹互联上，要按最新的速度估计进行外推，在一定次数的相继扫描中没有收到点迹的航迹就要被撤销。航迹撤销的主要任务是及时删除假航迹而保留真航迹。

航迹撤销可考虑分三种情况：

● 可能航迹（只有航迹头的情况），只要其后的第一个扫描周期中没有点迹出现，就将其撤销；

● 试验航迹（例如对一条刚初始化的航迹来说），只要其后连续三个扫描周期中没有点迹出现，就将该初始航迹从数据库中消去；

● 确认航迹，对其撤销要慎重，可设定连续4～6个扫描周期内没有点迹落入相关波门内，可考虑撤销该航迹，需要注意的是，这期间必须多次利用盲推的方法，扩大波门去对丢失目标进行再捕获，当然也可以利用航迹质量管理对航迹进行撤销。