基于浮空器雷达的公路铁路积累方法研究及比较

 摘要：针对“低慢小”目标的威胁，让雷达升空成为近年来雷达发展的一种新趋势，但随着雷达升空，杂波干扰问题也随之而来，特别是地面上高速运动的汽车、火车等，都易于成为虚假目标，影响操作员的判断。而传统的电子公路图铁路图又难以适应不断深入的公路铁路基础建设的发展。针对这一问题，研究了基于浮空器雷达的公路铁路积累方法，利用雷达回波的点迹信息积累生成实时的公路铁路图，用于辅助操作员进行判断，尽快丢弃在公路或铁路上行驶的虚假目标。还在雷达检飞过程中比较了不同坐标系下的公路铁路积累效果，实验结果表明，基于极坐标系下的公路铁路积累方法可以有效形成实时公路铁路积累图，从而辅助操作员快速辨别公路铁路上运动的目标。

    关键词：浮空器雷达；目标识别；公路铁路图；积累；极坐标

  近年来，雷达防空能力不断受到“低慢小”目标的考验，特别是低空飞行器，依仗地物和地球曲率的遮挡，可以悄无声息地接近目标。为了提高对低空目标的探测能力，让雷达升空成为了当前雷达发展的一种新的趋势，而浮空器雷达则是响应这一趋势出现的新型雷达。通过让雷达升空到数千米的高空，可以显著地扩大雷达的探测范围，但同时也带来了新的问题，即地杂波的干扰。和传统雷达仰视天空拥有的相对“干净”的背景不同，浮空器雷达俯视目标所处的背景中存在着大量的汽车和火车，它们高速运动的时候，同样会在雷达上形成点迹，从而成为虚假目标，干扰操作员的判断。如何从产生的海量点迹中分辨出这类虚假目标，是浮空器雷达亟待解决的问题之一。

    和气象杂波不同，汽车火车这类目标一般会在固定的线路上行驶，特别是会被雷达误认作目标的高速行驶的汽车和火车，它们大多都分布在高速公路和高速铁路上，所以可以通过购置公路图和铁路图作为辨别这类目标的参考。但随着国家基础建设的不断深入，新的公路和铁路不断被修建，购置的公路图和铁路图往往难以适应这种动态变化的环境。针对这一问题，本文提出了基于浮空器雷达的公路铁路积累方法，通过利用浮空器雷达探测到的汽车火车这类虚假目标的点迹积累出实时的公路铁路分布图，从而辅助操作员识别目标。进一步对比分析了不同的积累方法，以期提高公路铁路的积累效果。1公路铁路积累方法

    为了积累公路铁路图，本文首先要从雷达回波的海量滤波点迹中识别汽车火车的点迹。雷达回波中，除了汽车火车的点迹之外，还存在飞机这类真实目标的点迹，气象回波点迹，以及其他地杂波点迹。下面本文将这些点迹的特征进行比较，从而找出汽车火车点迹的特征。

    飞机点迹具有一定的多普勒频移，该频移一般情况下大于汽车火车的多普勒频移。

    气象回波点迹多普勒频移相对较小，从长期来看分布相对均匀。

    其他地杂波点迹强地杂波区往往分布在特定的区域，比如山脉、城市等，可以在地图上列出。

    和上述点迹的特征相比，汽车火车的点迹应该具有如下特征：多普勒频移在一个特定的范围内，一般小于飞机的多普勒频移，且分布在固定

的线路上，而不是均匀分布在整个雷达探测范围内。根据这些特征，本文设计了一种公路铁路的积累流程，如图1所示。

    1）将整个雷达威力范围划分为多个积累单元，比如：按照直角坐标系划分为M*N个大小相等的小方格，或按照极坐标系划分为M*N个扇形区域。每个积累单元维护一个积累次数Nij用记录当前区域积累的点迹个数，Nij初始值为0。

  2）设置需要积累的时间长度Ti以及积累点迹的多普勒频移范围[flow，fhigh]。

  3）接收PCI采集器传送的滤波点迹。

  4）对滤波点迹进行航迹关联，如果该点迹被成功关联到某个航迹上，则说明该点迹应该是飞机点迹，不属于汽车火车这一类别，则返回步骤3）。

  5）对滤波点迹的多普勒频移进行判断，如果属于设置的多普勒频移范围[flow,fhigh]，则继续；否则，返回步骤3）。

  6）根据滤波点迹的坐标将其对应到相应的积累单元，将该积累单元的积累次数Nij增一。

  7）判断是否到达预设的积累时间，如果到了，则对积累结果进行处理；否则，返回步骤3）继续积累。

  8）由于气象杂波是相对均匀分布的，也就是说所有的积累单元都积累到了一定数量的气象杂波点迹，所以，本文将积累次数低于一定阈值的积

累单元视为无效积累单元，把这些积累单元的积累次数清零，如式（1）所示。

  9）由于山脉、城市等特定区域是成片的强地杂波区，本文将这些区域对应的积累单元也视为无效积累单元，并将这些积累单元的积累次数清零。

    10）此时剩下的积累单元被视为公路铁路的有效积累单元，进行存储和显示。

    所有的参数都可以在雷达使用过程中根据积累的效果进行调整。剩下的问题是：直角坐标系积累方法和极坐标系积累方法哪种效果更好。下面本文通过具体的实验对这两种积累方式进行比较分析。2实验分析

    本文将上述公路铁路积累方法运用在某型浮空器雷达上，并在雷达检飞过程中进行了现场实验。其中：直角坐标系是把整个雷达的威力范围划分为1200 *1200个大小相同的小方格，每个小方格正好占一个像素；极坐标系则是把整个雷达的威力范围先按角度划分为256个扇区，再把每个扇区按量程划分为256个小扇区，共计256 *256个小扇区，这些扇区离圆心越近面积越小，离圆心越远面积越大。

    经过一段时间的积累，可得到如图2所示积累效果图，其中：图2（a）中灰色的是在直角坐标系下积累的公路铁路图；而图2（b）中白色的则是在极坐标下积累的公路铁路图。图中线状的是公路和铁路的电子地图，此处的公路包括高速公路和国道。

 从图2可以看出，直角坐标系下积累粒度更加细腻，而极坐标的积累粒度则相对较粗。两种积累方式在雷达探测半径的中间段，都可以形成和电子地图相符的径向公路铁路线，而切向的公路铁路线则基本上都没有被积累。这是因为该型浮空器雷达通过目标的多普勒频移发现目标，所以，相对雷达径向运动的目标发现率较高，而难以发现相对雷达切向运动的目标。这就造成在公路铁路的积累过程中，只能积累沿雷达径向的公路铁路线，而难以积累沿雷达切向的线路。

  但在远离中心的位置，直角坐标系下形成的有效积累单元很少，而极坐标系仍可以积累形成和电子地图相符的有效积累单元。这是因为，在雷达威力半径末端，目标的发现概率变低。直角坐标系下，由于积累单元的大小相同，所以落到每个积累单元的点迹变少。在过滤气象杂波的时候，这些积累次数很少的单元难以超过预设的阈值，所以不能形成有效积累单元。而在极坐标系下，离雷达站越远，积累单元越大，所以这些积累单元的积累次数仍能超过预设的阈值，从而形成有效的积累单元。

    本文将靠近中心位置的局部积累效果放大，并将两种积累效果图叠加显示，如图3所示。直角坐标系下的有效积累单元连成一片，难以分辨，而极坐标系下的有效积累单元仍和电子地图相符。这是因为在近心端地杂波对雷达的影响很大，极坐标系下近心端的积累单元较小，所以落到每个积累单元的杂波有限，而直角坐标系下，积累单元依然保持和其他位置相同的大小，所以杂波的积累也会超过预设的阈值，从而形成错误的积