点迹处理

2024-08-09

点迹处理（共3篇）

点迹处理篇1

雷达点迹处理硬件平台目前常用的有两种: 一种是基于服务器平台; 另一种是基于DSP + FPGA平台,本文介绍的是后一种。该平台在功能上主要完成一次雷达信号处理后回波数据的点迹凝聚处理、点迹帧间滤波处理和点航迹的交互处理。形成一次点迹数据送给终端显示,同时根据帧间相关和区域优化剔除由气象杂波、地物杂波、噪声等引起的慢动目标[1]。

1 硬件平台

硬件平台采用DSP + FPGA组合架构的通用平台,该系统架构主要由8 片ADSP - TS201 芯片、两片Altera公司的FPGA组成。同时使用一些RAM、Flash和SDRAM器件来存储系统中的数据和程序。在与外部通信的接口通过两个光纤接口和4 个备板高速通道实现与其他信号处理板的通信,最高带宽可实现5 Gbit·s- 1的数据传输速度。其中背板的高速通道用于和信号处理插件的通讯,面板上的光纤用于双套冗余时的点迹数据交互。该平台上的J1和J2为标准的CPCI总线用于和航迹处理交互使用,同时作为计算机控制的通道[2]。

在内部通信接口方面,由一片FPGA( EP2SGX60)通过链路口与8 片TS201 实现双向数据传输; 另一片FPGA( EP2S30) 通过32 位双向互连总线与TS201 进行通信。8 片TS201 分为两簇,每簇4 片TS201 采用链路口耦合方式两两互连,任何两个TS201 之间可进行480 MB·s- 1的数据传输。此外为满足大数据容量的存储,每簇TS201 均外带了两片SDRAM( W332M64V)[3,4,5]。硬件架构结构如图1 所示。

2 点迹处理软件算法分析

本文设计的点迹处理软件算法主要原理是对空间目标参数回波参数信息进行有效提取,在距离、方位、仰角、速度上通过对回波参数信息的算法分析,从而提取出一个最佳的目标参数信息。在设计方法上,通过设计一套通用的软件架构将这些算法有效的串联起来,将这些算法细分为多个软件模块[6,7]。具体的流程框图如图2 所示。图2 所示的点迹凝聚流程框图考虑到各种体制的雷达应用而设计出来的,因而具有通用性,扩展性和可裁减性。对于不同体制的雷达可扩展或裁减不同软件模块的调用,不影响软件整体框架,同时根据系统指标的要求可对一些模块进行功能扩展。

该流程图为双套冗余系统的其中一套,双套系统两边执行同样的过程,在最终输出根据一定的准则进行双套点迹融合[8]。

3 点迹处理工程实现

以某型航管雷达为例根据系统性能指标要求,点迹数据处理需要处理0 ~ 500 km范围内送来的回波数据信息。按照每个 τ 为75 m来划分,点迹处理需要处理6 700 τ 的数据单元,同时采用8 点MTD处理方式[9]; 由于天线转速为6 转/min,这样每帧点迹数据处理时间为10 s,若按11. 25°一个扇区划分,因而可得如下数据: 输入回波数据量D = 6 700τ × 8; 点迹处理重复周期Fr= 3. 5 ms( 平均) ; 每半扇区重复周期CPI =312 /2 ms( 平均)

这样将每个扇区1 /2,前半部分时间作点迹凝聚处理,后半部分时间做帧间滤波处理通过对点迹处理架构设计的理解,可将该功能实现分为硬件逻辑电路设计实现和DSP软件算法设计实现两部分,但这两部分需要在时序上相互配合,以达到数据流的同步传输[10,11,12]。整个数据流处理流程如下:

( 1) FPGA( EP2SGX60) 接收到回波数据后,采用链路口发送形式发送至DSP( DSP_1A) ;

( 2) DSP( DSP_1A) 对接收的回波数据进行多通道选大处理,然后将处理后的数据按距离段采用链路口分别发送给DSP( DSP_2A) 、DSP( DSP_3A) ;

( 3) DSP( DSP_2A) 接收0 ~ 250 km数据,进行距离凝聚处理、波位相关处理、方位凝聚处理,之后得到一次原始点迹数据信息,采用链路口发送给DSP( DSP_4A) ;

( 4) DSP( DSP_3A) 接收250 ~ 500 km数据,进行距离凝聚处理、波位相关处理、方位凝聚处理,之后得到一次原始点迹数据信息,采用链路口发送给DSP( DSP_4A) ;

( 5) DSP ( DSP _4A) 接收DSP ( DSP _ 2A) 、DSP( DSP_3A) 送来的一次原始点迹数据信息,按扇区方式存储后,在每个扇区的结束时将这些数据打包送往FPGA( EP2SGX60) ;

( 6) FPGA( EP2SGX60) 将接收打包后的一次原始点迹数据通过光纤接口A送到另一个点迹处理插件中,同时通过光纤接口B接收双套冗余中另外一套点迹处理送来的点迹数据,之后将这两路数据信息采用一定的算法进行融合后采用链路口发送形式发送至DSP( DSP_1B) ;

( 7) DSP( DSP_1B) 接收两路送来的一次原始点迹数据,同时也接收航迹跟踪送来的目标跟踪预测点迹数据信息,在处理方式上,首先将两路送来的一次原始点迹数据进行点迹融合处理,目的是让同一目标只形成一个点迹数据; 然后将融合后的点迹数据与预测点迹数据进行相关处理,确认目标参数信息,标注该数据信息后采用链路口分别发送给DSP( DSP_2B) 、DSP( DSP_3B) ;

( 8) DSP( DSP_2B) 接收点迹数据后,与已存储的前几帧数据进行相关处理,判别当前的数据与已存储的数据相关程度是否满足N/M准则的要求,若满足,可认定该点迹数据为固定杂波信息,标注该数据信息后采用链路口发送形式发送至DSP( DSP_4B) ,同时存储接收的数据,供下一帧点迹作为参考数据;

( 9) DSP( DSP_3B) 接收点迹数据后,将该数据按距离段、方位段进行区域划分,同时统计前几帧对应区域点迹平均输出个数,已此作为参考来限制该区域的最大输出,之后采用链路口发送形式发送至DSP( DSP_4B) ,同时存储接收的数据,供下一帧点迹作为参考数据;

( 10) DSP ( DSP _4B) 接收DSP ( DSP _2B) 、DSP( DSP_3B) 送来的点迹数据信息,依据系统功能要求,判别时全输出,还是选择输出,如果全输出,则将DSP( DSP_2B) 数据信息输出,如果选择输出,则首先依据DSP( DSP_2B) 剔除固定杂波数据参数信息,然后依据DSP( DSP_3B) 进一步剔除多余的点迹数据信息,最后依据确认的目标参数信息将目标周围的多余点迹数据信息剔除,最后将剩余的点迹数据信息采用内部总线的方式发送至FPGA( EP2S30) ;

( 11) FPGA( EP2S30) 主要完成两个数据传输功能,第一通过CPCI总线接收航迹跟踪送来的预测目标参数信息,然后通过内部总线送与DSP( DSP_1B) ; 第二通过内部总线接收DSP( DSP_4B) 送来的点迹目标信息,然后通过CPCI总线方式送给航迹跟踪。

4 结束语

通过雷达点迹处理硬件平台的描述,文中能对雷达的点迹处理所需硬件有清楚的了解,并对硬件设计提供资源分析依据。对于点迹处理和点航迹交互以及帧间点迹滤波的工程实现上有良好的参考价值。

摘要：随着国产化航空管制雷达的推进,设计了一种高可靠性的通用点迹处理硬件平台,其具有多种形式的高速接口和强大的处理能力,为航迹和点迹交互、雷达点迹处理的双套冗硬件提供了一种可能。该平台以DSP+FPGA为主要处理器件,可同时处理4个通道雷达点迹数据,在接口上以标准CPCI总线和6对传输速率可达5 Gbit·s~(-1)的高速通道为主要通信接口,可满足多通道间的数据交换。以某种类型的双套冗余雷达为例,点迹处理算法在该平台上的工程实现表明,算法对于点迹处理和点航迹交互以及帧间点迹滤波在工程实现上具有较好的应用价值。

关键词：FPGA+DSP,硬件架构,点迹处理,工程实现

点迹处理篇2

1 目标分裂分析

所谓目标分裂是指雷达对同一目标的一次扫掠过程中,回波信号经信号处理后表现为两个或两个以上目标的现象,也就是说雷达把同一个目标判成几个目标。目标分裂又可分为方位上分裂和距离上分裂两种。方位分裂是指某一目标在同一距离,不同方位上被判为多个目标;距离分裂是指某一目标在同一方位,不同距离上被判为多个目标。目标的分裂可只在距离或方位上出现,也可同时在方位和距离上出现[1,2]。

1.1 距离分裂的原因分析

由于该特体雷达使用脉冲压缩技术,目标回波信号经过脉压处理之后,得到满足距离分辨要求的窄脉冲信号,信号的包络近似为辛克函数,具有辛克函数的性质,即除主瓣外还有在时间轴上延伸的一串副瓣,靠近主瓣的第一副瓣最大,其值较峰值只低13.4 dB,第二副瓣再低4 dB,以后依次下降。即脉冲压缩导致距离副瓣的存在,当距离副瓣同主瓣一同被检测出来时,将导致在雷达终端显示设备上观察目标时发现副瓣点迹在主瓣点迹两侧对称出现,且副瓣点迹相对较弱,这就造成目标在距离上的分裂。

另外,由于雷达测距的误差和目标速度的存在,使得一个目标所返回的一串视频回波在时间上不可能完全一致,这样回波经信号处理以后输出的同一个目标信号有可能分布于相邻的几个距离单元上,从而对同一个目标在不同距离单元上均检测出目标,同样会造成目标在距离上的分裂[2]。

1.2 方位分裂原因分析

该特体雷达为搜索雷达,工作时天线连续旋转对周围空域进行扫描,天线波速水平宽度为θ,雷达对同一目标扫描得回波脉冲串为N个,这些回波经信号处理后形成目标原始点迹,携带目标的方位、距离、强度信息。由于天线的连续转动使得脉冲串起始点迹携带方位信息与脉冲串终止点迹携带方位信息相差约为θ,其次由于天线水平波束副瓣的影响,还可能使目标在方位上的拓展超过θ,另外由于天线图由于各种原因存在较深的凹口,收到的回波将可能被分为多段,若将这些点迹不加处理的送至终端显示设备,将会很容易造成目标在方位上的分裂。

2 目标点迹提取器设计

该特体雷达现用点迹提取器用于终端设备,提供与终端预处理系统的接口,主要功能是接收终端预处理系统发送的目标信息,并进行门限判别,然后将过门限的目标点迹信息通过计算机总线送到计算机内存,由计算机进行目标航迹处理和目标态势显示。系统如图1所示。

由图可见该特体雷达点迹提取器的功能简单,仅具备门限判别的功能,而未考虑对目标点迹的凝聚处理,这是导致在终端显示设备上目标分裂现象的重要原因,新的点迹提取器的设计考虑对目标分裂的抑制处理,在目标点迹门限判别后添加目标距离凝聚、目标距离修正、目标方位凝聚等处理以抑制目标分裂现象的发生,其系统结构如图2所示。

2.1 门限判别

点迹提取的门限判别通常称为数字门限判别,数字门限是通过对点迹提取器收到的目标回波的强度进行判别,当回波强度大于某一数值时则判定该回波代表一个目标,否则将不予接收,其目的时虑除一些弱小回波,降低虚警概率。由于数字门限设置的高低直接影响点迹提取器收到目标原始点迹的数目多少,所以设计采取终端计算机控制的方法实现,在实际使用中,操作人员可以通过终端软件适当调整数字门限,以达到较好效果。

2.2 目标距离凝聚

对于目标在距离上的凝聚,根据目标距离分裂的分析采用以下方法抑制:首先对同一可分辨方位内连续的目标原始点迹数据,按单个目标在距离上的延续找到其峰值,判断与峰值点迹连续范围内点迹是否符合脉冲压缩的距离主副瓣的比例关系,若符合则虑除距离副瓣点迹,并向该距离单元赋一个新值,所赋值为相邻两个距离单元强度值的均值,以保证目标点迹的连续性;若目标原始点迹数据不符合脉冲压缩的距离主副瓣的比例,则保留相应点迹。然后对连续的目标原始点迹数据按单个目标在距离上的延续由近到远逐单元访问,查找连续点迹的峰值,其峰值个数代表该连续点迹所含实际目标个数,具体通过判断点迹强度在距离维上的增量来实现,在点迹起初处每一距离单元相对于上一距离单元目标点迹的强度要大,即各距离单元的强度增量为正数,当访问越过峰值后,各距离单元的强度增量为负数,在下一步访问中,若发现强度增量又变为正数或为零时则截断点迹,即认为已访问过的点迹属同一目标,并对这些点迹采用质量中心法进行凝聚。对于剩余的点迹重复上述步骤进行处理,直至完成对所有距离单元的访问。

距离质量中心算法的公式[3]为

$R = \frac{\sum_{i} A_{i} \times R_{i}}{\sum_{i} A_{i}} (1)$

其中,Ri为同一可分辨方位角内存在连续点迹的距离,Ai为相应距离单元的目标幅度。如果把目标回波的强度想象成理想质点的质量,则上式与物理学中计算一维物体质量中心的公式相同,故名“质量中心算法”。质量中心法充分利用了目标回波的幅值信息,具有较高的估计精度[3]。

2.3 目标距离修正

上述目标点迹在距离上的凝聚只是目标原始点迹在同一可分辨方位上距离的凝聚,并没有真正把目标原始点迹凝聚成单一距离点,在距离和方位上还可能存在多个连续点迹,值得注意的是,此时目标点迹的连续已不是在目标凝聚过程中所描述的同一方位上距离的连续,而是斜向距离—方位单元的连续,表现在距离-方位坐标系中就是一条斜的线段,此时若直接对目标点迹进行方位凝聚,则很可能造成目标的二次分裂,为避免二次分裂现象的发生,在对目标点迹的方位进行凝聚前先对距离凝聚后的目标点迹进行一次距离值修正,即再次采用质量中心法对目标距离进行估计,距离估计不限于同一方位,而是在相邻的多个方位上进行连续点迹的距离估计,可获得目标在距离上的唯一估计值,然后以此唯一估计值为基准,把目标距离凝聚后的连续的目标点迹的距离值均修正为距离唯一估计值,此时,同一目标点迹在距离-方位坐标系中表现为水平线段,方便下一步对目标方位的凝聚处理。

2.4 目标方位凝聚

目标原始点迹经距离凝聚和距离修正处理后,已虑除脉冲压缩副瓣产生的点迹,留下的是距离相等而方位不同的连续点迹,对于这些点迹的凝聚首先按天线图的形状找出包络峰值点,由包络峰值点向下作门限切割,保留3 dB宽度内的点迹数据,虑除其余点迹,然后对保留下来的点迹在方位上逐单元访问,查找连续点迹的峰值,其峰值个数代表该连续点迹所含实际目标个数,同距离凝聚处理一样通过观察点迹强度增量的变化来截断不同目标的点迹,并对这些点迹采用质量中心法进行凝聚。

方位质量算法的公式为

$θ = \frac{\sum_{i} A_{i} \times θ_{i}}{\sum_{i} A_{i}} (2)$

其中,θi为同一可分辨距离内存在连续点迹的方位,Ai为相应方位单元的目标幅度。通过目标点迹在方位上的凝聚可获得同一目标在方位上的唯一估计值。

这样最终可得目标在距离-方位坐标系上的唯一估计值,以确保雷达对目标位置准确显示。

3 结束语

目标分裂造成目标点迹个数增加,增加了航迹相关处理的工作量,由于航迹处理机可处理的点迹是有限的,目标分裂造成点迹增加容易使处理机过载,影响了对后续目标的正确处理,以及雷达对目标的跟踪质量,从而影响整个雷达的性能。本文针对某特体雷达点迹提取器的缺陷提出适合该雷达的比较完善的点迹提取器的设计,可有效抑制目标分裂现象的产生,提高雷达对目标的判别和跟踪能力。

参考文献

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

[2]贺士廉.克服小滑窗检测中目标分裂的方法[J].雷达与对抗,1995(4):156-159.

[3]蔡晨曦,王祖斌,王秀坛,等.远程警戒雷达点迹提取算法[J].清华大学学报:自然科学版,2002,42(7):607-611.

[4]王贵友,吴增辉.一种新型三坐标雷达点迹提取器的设计[J].现代雷达,2002,11(6):59-63.

[5]翟刚毅.基于多DSP的雷达自动检测及点迹凝聚的设计与实现[J].雷达与对抗,2008(2):33-35.

[6]杨华明.一维相扫体制三坐标雷达的点迹提取[J].雷达与对抗,1996(1):19-22.

点迹处理篇3

1 航管二次雷达的航迹跟踪

现在,边扫描边跟踪已经成为航管二次雷达的必备能力,对于多个目标的跟踪,可以在它监视的空域范围内,针对各个需要跟踪的目标建立对应的相关航迹文件,将每次扫描得到的点迹、航迹与文件里面的航迹进行相关性对比,然后把跟踪目标现在的坐标位置进行优化,与此同时,用新的目标报告得到的估值参数将原来的航迹进行更新。

2 航迹和点迹的相关

在进行点迹和航迹的相关处理之前,首先应该仔细研究点迹报告与所存的航迹报告中含有的信息,后续相关的计算都要按照这些信息来进行。雷达处理单元中存在的航迹报告和雷达录取器中存在的点迹报告主要含有下列信息,见表1。

2.1 唯一代码相关

由于一问一答的询问接收方式是民用航管二次雷达所采用的,所以其中询问与回答的过程中存在一些信息量,大家可以对携带的信息进行分析并且将其解码,这对点迹与航迹的相关起到了特别重要的帮助作用,使相关计算量变得简单。

可以猜测在这些关联中最好的情况,比如,唯一代码的相关,就是说点迹报告或者是航迹报告里面的所有码位都是高置信度,代码c4与d1位置上最少有一位是非零位,点迹报告里面的代码交换位是零,而且仅有一个目标报告的a码和唯一代码的航迹可以匹配,还要符合以下条件:Δρij≤Δρp;ΔOij≤ΔOp;Δhij≤1/2Δhmax(有代码交换位标记);Δhij≤Δhmax(无代码交换位标记)。

其中,Δρij表示第i个点的点迹报告和第j个点的点迹报告在距离上的差值,ΔOij表示它们在方位上的差值,Δhmax则表示它们在高度上的差值。Δhmax是提前设置的第i个点的点迹报告与第j个点的航迹报告之间最大高度的差值。也就是第i个点迹在以上3个方面和第j个航迹报告中的差值都比提前设置的合理性差值要小。

2.2 一般相关

在实际情况中所遇到的相关的配对情况其实更为复杂,例如,点迹报告里面的a码或者是c码由于故障或者是干扰因素的出现会使信息变的不完整,更有甚者a码在飞行过程中发生改变等。通常广义上的一般相关分为两个步骤,分别是点迹航迹关联与点迹航迹的最终相关。其中,关联的意思就是首先把最有可能相关的点迹与航迹相关联。

2.2.1 航迹-点迹相关

在开始进行点迹与航迹的关联之前,先要找出关联域。关联域是按照每一个航迹之前的预测位置,采用角度和距离进行规定的一个范围。一般的情况下,它可以分为3个域,域1是飞机在进行直线飞行时的预期位置,它在角度和距离方面的误差比较小。域2是飞机正常的变向和在变向情况下飞行时可能会出现的范围。域3大多是用在军用飞机在进行大机动的时候,还可以用在之前点迹出错而导致的预测位置出错的时候。

再根据点迹落在其中哪个关联域和a码、c码的比较情况最后确定点迹与航迹的关联情况。

2.2.2 航迹-点迹相关

在已经确定航迹与点迹的关联之后,最后就需要把正确的点迹与航迹进行相关,进而就可以成功的更新航迹。点迹与航迹的关联确定之后就会出现4种情况,见表2。

单航迹与单点迹,这种情况是最简单的,可以把它们马上相关,再用点迹去更新相关的航迹。

单航迹与多点迹的情况,它们之间的相关还需要进一步计算,确定每一个点迹与和它配对的航迹的质量分,其中质量分最少的点迹、航迹对是相关的。如果出现许多个质量分相同的情况时,就需要其导出分,导出分最低的点迹与航迹相关。

多航迹与多点迹,这种情况需要先弄明白与各个航迹相关联的两个获以上的点迹,然后明确与这些点迹关联的航迹,如此,就可以形成一个封闭航迹-点迹集,一条航迹与点迹的关系得出质量分,最后形成的航迹与点迹对的分接矩阵,就可以得出最佳的航迹和点迹关联对。

还有很重要的一点,航迹与点迹的相关计算中,质量分是很重要的概念,它包括点迹与航迹的关联对的质量分来打分,还有按照对质量分进行计算从而得到最后的点迹与航迹对。

(1)质量分。

占据了八进制数的前五位,后面的三位是为了用于导出分,只有在质量分一样的情况下来计算。

(2)点迹与航迹相关的算法。

把确定之后的航迹与点迹的封闭集,把质量分依据点迹报告作为行,航迹报告作为列的样式形成表格,接下来将对步骤进行解说(见表3)。

计算每一个点迹报告里面的两个最小的分值的差,如果出现了两个甚至多个最小的分值的差相等,就需要计算导出分。两个最小的分值的差值如表4。