基于子区处理的海面搜索雷达大批量点迹提取算法的制作方法

本发明属于机载海面搜索雷达领域，涉及一种基于子区划分、处理的大批量点迹处理算法。

背景技术：

海面搜索雷达在军用和民用领域都有非常重要的需求。在军用领域，随着海洋权益争端日益突出，各国都竞相装备先进的海面搜索雷达，以面对潜艇、隐身战舰、快艇等军事目标的威胁。在民用方面，海面搜索雷达可以用来探测非法入境小船只、冰山和浮筒等目标，以保障国土安全和航行安全。

海杂波背景下的微弱目标检测是机载海面搜索雷达的一项关键技术，点迹录取是雷达数据处理的重要一环，它是指对恒虚警检测(CFAR)、波束内相关后的可能目标数据进行凝聚，得到目标的精确位置，稳定输出给后续的显示单元。雷达系统进行海面弱小目标探测时，海杂波的存在严重干扰了雷达检测目标的能力，很难在较小的虚警概率下检测到小目标，因此CFAR的检测门限比较低，但门限降低也带来了大量的虚警，使得雷达辐射范围内出现了大量点迹。

传统的海面目标点迹提取方法是将当前信号处理送来的目标与雷达缓冲区内的所有点迹进行相关、滤波和删除判断处理。小目标探测时，每个毫秒级的雷达帧周期内会输入几十个目标，在一个天线扫描行期间，360°的点迹缓冲区内存在几千个目标数据，在毫秒级的雷达帧周期内完成几十个输入目标与缓冲区内几千个数据的相关处理难以办到，因此需要一种能够更高效的海面搜索雷达点迹提取方法。

技术实现要素：

提供一种基于子区处理的大容量点迹提取方法，合理安排资源的同时提高了点迹处理效率。

技术方案

采用子区划分方式，将360°地理系方位范围内的点迹存储区划分为若干个子区，每个雷达帧仅对输入目标与当前天线方位角匹配的相邻三个子区内点迹进行相关处理，并依据天线行扫描(扫描一圈)期间辐射区与机体遮挡区(不辐射)交替出现的特点，将子区内点迹 的相关、删除、滤波、搬移等操作进行辐射区与遮挡区分时处理。

本发明提供了基于子区处理的海面搜索雷达大批量点迹提取算法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将天线行扫描范围划分为多个子区，子区宽度应包含点迹目标在一个天线行周期内方位角的变化量，当目标位于稳定机体系±90°附近时，目标在相邻天线行内角度变化量是最大的，即子区宽度Az_wide应满足公式(1)的要求，

Az_wide≥(V*T_r)/R_blind (1)

式中V为载机速度，T_r为天线行扫描周期，R_blind为距离盲区；

则子区数目最大值N_max为

N≤N_max＝int(2π/Az_wide) (2)

式中int表示取整；

由于点迹处理系统采用辐射区与遮挡区分时处理机制，遮挡区处理按雷达帧周期进行，每个雷达帧周期完成一个子区内点迹整理，因此子区数目N必须小于遮挡区内雷达帧周期数：

N≤(Wz/2π)*T_r/T (3)

式中Wz为遮挡区角度，T为雷达帧周期；

2)对辐射区进行处理，从遮挡区进入辐射区时，已完成子区搬移存储在合适子区中的点迹的状态均定义为未更新TRG_NO_UPDATE，点迹在天线行时间内运动可能会出现跨区现象，在辐射区，波束内相关输入的点迹数据与对应天线方位的三个点迹子区中的TRG_NO_UPDATE状态的点迹按式(4)～(8)进行相关计算。

dt＝TimeBeam(i)-TimeSub(M,K) (4)

RF(M,K)＝RFSub(M,K)-RVSub(M,K)*dt (5)

AzF(M,K)＝AzFSub(M,K)+AzVSub(M,K)*dt (6)

dR＝abs(RBeam(i)-RF(M,K)) (7)

dAz＝abs(AzBeam(i)-AzF(M,K)) (8)

式中abs为取绝对值，TimeBeam(i)、RBeam(i)、AzBeam(i)分别表示波束内相关输出的第i个点迹数据的时间标签、斜距、地理系方位角；TimeSub(M,K)、RFSub(M,K)、RVSub(M,K)、AzFSub(M,K)、AzVSub(M,K)为第M个点迹子区中第K个点迹数据的更新时间、斜距滤波值、斜距变化率、方位滤波值、方位变化率；M由天线方位角Az和方位子区宽度Az_wide决定M＝[int(Az/Az_wide)-1int(Az/Az_wide)+1]，int表示取整，RF(M,K)，AzF(M,K)为第K个点迹 的斜距、方位预测值；

若当前波束内相关输入的点迹与子区内点迹的预测值间的距离误差dR、角度误差dAz均低于给定门限值，则表明波束内输入点迹与子区中的某个点迹满足相关条件，并计算两者之间的相似系数Cor：

Cor＝dR*Rw+dAz*Azw (9)

式中Rw和Azw分别为斜距误差加权系数和方位角误差加权系数，三个子区遍历完成后，根据相似系数最小的原则确定最相似点迹的子区号M与编号K后，按公式(10)-(15)以波束内相关输入目标的斜距、方位更新该点迹(M,K)的距离量测值RLSub(M,K)、方位量测值AzLSub(M,K)和时间量测值TLSub(M,K)，将该点迹的状态StateSub(M,K)变为已更新TRG_UPDATE，同时更新点迹的更新次数NumSub(M,K)，用该时刻的天线行号ANTLineNum赋值点迹的更新后的天线行号NumANTSub(M,K)，

RLSub(M,K)＝RBeam(i) (10)

AzLSub(M,K)＝AzBeam(i) (11)

TLSub(M,K)＝TimeBeam(i) (12)

NumSub(M,K)＝NumSub(M,K)+1 (13)

NumANTSub(M,K)＝ANTLineNum (14)

StateSub(M,K)＝TRG_UPDATE (15)

子区遍历结束后没有满足给定门限值的波束内相关输入点迹，在该点迹方位角对应的子区存储量未达到最大值情况下，生成一个新的点迹，新的点迹状态为TRG_NEW，按公式(10)-(14)以波束内相关输入目标数据作为新点迹的距离、方位量测值，公式(15)中StateSub(M,K)赋值为TRG_NEW，否则抛弃该波束内相关输入的目标数据；

用计算量较小的α-β滤波方法对子区内状态为TRG_UPDATE和TRG_NEW的点迹进行滤波，并将该点迹的状态变为已滤波TRG_FIL，第M子区内第K个点迹的斜距滤波公式如下所示：

dt＝TLSub(M,K)-TimeSub(M,K) (16)

RYSub(M,K)＝RFSub(M,K)-RVSub(M,K)*dt (17)

RFSub(M,K)＝RYSub(M,K)+(RLSub(M,K)-RYSub(M,K))*α (18)

RVSub(M,K)＝RVSub(M,K)-(RLSub(M,K)-RYSub(M,K))*β/dt (19)

TimeSub(M,K)＝TLSub(M,K) (20)

式中RYSub(M,K)、RFSub(M,K)、RLSub(M,K)、RVSub(M,K)分别代表点迹的预测值、 滤波值、量测值和距变率，α和β为滤波系数，α和β随着量测值与滤波值之间的误差变化以获得良好的跟踪精度,α的取值范围为0.05～0.1，β的取值范围为0.0033～0.05；方位角的α-β滤波方法与斜距滤波方法相同，方位α的取值范围为0.05～0.1，β的取值范围为0.005～0.05；点迹滤波完成后，若点迹的连续更新次数NumSub(M,K)达到门限，则将该点迹的斜距、方位滤波值输出给后续点迹输出模块进行显示输出；

3)遮挡区处理,遮挡区处理按雷达帧进行，每帧完成一个子区内点迹的整理，包含子区内无效点迹删除、未更新点迹滤波、滤波后点迹存储子区的重新确定,每雷达帧选取待整理子区的后续两个子区共同进行点迹整理，由辐射区进入遮挡区时，子区内点迹状态只有未更新TRG_NO_UPDATE和已滤波TRG_FIL两类，对未更新点迹，通过计算当前天线行号ANTLineNum与该点迹上次有测量值时刻的天线行号NumANTSub的差值判断其连续未更新次数是否达到限定值，对于达到限定值条件可删除的点迹，状态变更为无效TRG_INVALID，否则进行点迹的滤波处理以避免波束内相关输入的目标数据再次出现时不能相关上合适的子区内的点迹，遮挡区内的滤波方法和辐射区相关点迹的滤波方法相同，滤波后点迹状态变更为TRG_FIL，子区相关处理要求点迹目标存储在合适的子区中，因此子区中状态为TRG_FIL的点迹还需根据其方位滤波值进行搬移，搬移时依据距待搬到子区最近的原则限定在所选三个子区中移动，搬移结束后，将起始子区中点迹状态变更为未更新TRG_NO_UPDATE，以便在下一天线行辐射区到来时参与相关运算。

雷达在使用过程中需进行能力提升，通过修改软件达到能力提升的目的是行之有效的方法，既可以减少雷达硬件开发的周期，也不增加雷达的成本。

假设天线扫描一行后的点迹缓冲区内的数据为6000个，在某个雷达帧输入10个目标，每个目标与缓冲区内的所有数据进行相关处理寻找相关最小值，则需60000次相关运算，进行子区换分后，若划分为30个子区，则每个子缓冲区内的数据为200个，每个输入目标仅需与3个子区共600个目标数据进行相关处理，运算量下降10倍。利用子区分割的办法可满足现有处理机硬件平台下(1片TS101)雷达帧周期内完成输入数据与子缓冲区内数据的相关处理，否则需进行处理芯片升级(1片TS201)或现有芯片扩容(2片TS101)，芯片升级和扩容处理都需要进行硬件的重新研制、开发、调试，保守估计需几个月的时间，及花费一定的研制费用，后续产品的成本费用也会相应升高。

附图说明

图1为辐射区点迹处理逻辑图。

图2为辐射区点迹处理逻辑图。

图3为分区与不分区点迹处理时间图，图3时在TS101板卡上进行了时间测试的结果，设置辐射区角度为240°，天线行扫描周期为3s，雷达帧周期为8ms，距离盲区3km，在载机速度最大值设为200m/s的条件下由式2可以计算出子区宽度需大于11.46°，取子区宽度为12°，每个子区最大存储100个点迹目标(30个子区最大存储3000个点迹)，在每个雷达帧波束内相关输入目标为20个的条件下，测得辐射区每帧处理时间如图3中红线所示(前250帧为辐射区处理时间，后30帧为遮挡区处理时间)。通过比较可以看出，分区情况下处理时间小于帧周期，在辐射区250帧处理时序正常，而不分区情况下，一方面存放点迹总量减小，另一方面处理时间大部分超过帧周期，引起处理时序混乱和数据丢失，在2s的辐射区时间内处理了196帧数据。

图4为辐射区点迹状态转移图。

图5为遮挡区点迹状态转移图。

具体实施方式

本发明提供了基于子区处理的海面搜索雷达大批量点迹提取算法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将天线行扫描范围划分为多个子区。子区的划分是为了减少参与相关运算的点迹数目，节省点迹处理的时间。子区的宽度选择是子区划分的关键，子区宽度选择过大则参与相关运算的点迹数目较多，宽度选择过小则同一目标在相邻天线行可能会出现在非相邻子区。由于每次仅选取相邻三子区参与相关运算，若当前天线行目标出现在N+1子区，则选择的是N、N+1、N+2，而上一天线行目标如果出现在N-1子区，则当前天线行目标与上一天线行目标相关不上，所以子区宽度应包含点迹目标在一个天线行周期内方位角的变化量。考虑载机运动中的特殊情况，当目标位于稳定机体系±90°附近时，目标在相邻天线行内角度变化量是最大的，即子区宽度应满足公式(1)的要求。

Az_wide≥(V*T_r)/R_blind (1)

式中V为载机速度，T_r为天线行扫描周期，R_blind为距离盲区。

则子区数目最大值N_max为

N≤N_max＝int(2π/Az_wide) (2)

式中int表示取整；

由于点迹处理系统采用辐射区与遮挡区分时处理机制，遮挡区处理按雷达帧周期进行， 每个雷达帧周期完成一个子区内点迹整理(点迹删除、滤波、搬移)，因此子区数目必须小于遮挡区内帧周期数。

N≤(Wz/2π)*T_r/T (3)

式中Wz为遮挡区角度，T为雷达帧周期。

2)对辐射区进行处理。从遮挡区进入辐射区时，已完成子区搬移存储在合适子区中的点迹的状态均定义为未更新TRG_NO_UPDATE，点迹在天线行时间内运动可能会出现跨区现象，在辐射区，波束内相关输入的点迹数据与对应天线方位的三个点迹子区中的TRG_NO_UPDATE状态的点迹按式(4)～(8)进行相关计算。

dt＝TimeBeam(i)-TimeSub(M,K) (4)

RF(M,K)＝RFSub(M,K)-RVSub(M,K)*dt (5)

AzF(M,K)＝AzFSub(M,K)+AzVSub(M,K)*dt (6)

dR＝abs(RBeam(i)-RF(M,K)) (7)

dAz＝abs(AzBeam(i)-AzF(M,K)) (8)

式中abs为取绝对值，TimeBeam(i)、RBeam(i)、AzBeam(i)分别表示波束内相关输出的第i个点迹数据的时间标签、斜距、地理系方位角；TimeSub(M,K)、RFSub(M,K)、RVSub(M,K)、AzFSub(M,K)、AzVSub(M,K)为第M个点迹子区中第K个点迹数据的更新时间、斜距滤波值、斜距变化率、方位滤波值、方位变化率；M由天线方位角Az和方位子区宽度Az_wide决定M＝[int(Az/Az_wide)-1int(Az/Az_wide)+1]，int表示取整，RF(M,K)，AzF(M,K)为第K个点迹的斜距、方位预测值；

若当前波束内相关输入的点迹与子区内点迹的预测值间的距离误差dR、角度误差dAz均低于给定门限值，则表明波束内输入点迹与子区中的某个点迹满足相关条件，并计算两者之间的相似系数Cor：

Cor＝dR*Rw+dAz*Azw (9)

式中Rw和Azw分别为斜距误差加权系数和方位角误差加权系数，三个子区遍历完成后，根据相似系数最小的原则确定最相似点迹的子区号M与编号K后，按公式(10)-(15)以波束内相关输入目标的斜距、方位更新该点迹(M,K)的距离量测值RLSub(M,K)、方位量测值AzLSub(M,K)和时间量测值TLSub(M,K)，将该点迹的状态StateSub(M,K)变为已更新TRG_UPDATE，同时更新点迹的更新次数NumSub(M,K)，用该时刻的天线行号ANTLineNum赋值点迹的更新后的天线行号NumANTSub(M,K)，

RLSub(M,K)＝RBeam(i) (10)

AzLSub(M,K)＝AzBeam(i) (11)

TLSub(M,K)＝TimeBeam(i) (12)

NumSub(M,K)＝NumSub(M,K)+1 (13)

NumANTSub(M,K)＝ANTLineNum (14)

StateSub(M,K)＝TRG_UPDATE (15)

子区遍历结束后没有满足给定门限值的波束内相关输入点迹，在该点迹方位角对应的子区存储量未达到最大值情况下，生成一个新的点迹，新的点迹状态为TRG_NEW，按公式(10)-(14)以波束内相关输入目标数据作为新点迹的距离、方位量测值，公式(15)中StateSub(M,K)赋值为TRG_NEW，否则抛弃该波束内相关输入的目标数据；

对于波束内输入的目标数据的相关运算完成后，为平滑测量过程中的随机误差，采用工程上广泛应用的计算量较小的α-β滤波方法对子区内状态为TRG_UPDATE和TRG_NEW的点迹进行滤波，并将该点迹的状态变为已滤波TRG_FIL，第M子区内第K个点迹的斜距滤波公式如下所示：

dt＝TLSub(M,K)-TimeSub(M,K) (16)

RYSub(M,K)＝RFSub(M,K)-RVSub(M,K)*dt (17)

RFSub(M,K)＝RYSub(M,K)+(RLSub(M,K)-RYSub(M,K))*α (18)

RVSub(M,K)＝RVSub(M,K)-(RLSub(M,K)-RYSub(M,K))*β/dt (19)

TimeSub(M,K)＝TLSub(M,K) (20)

式中RYSub(M,K)、RFSub(M,K)、RLSub(M,K)、RVSub(M,K)分别代表点迹的预测值、滤波值、量测值和距变率，α和β为滤波系数，α和β随着量测值与滤波值之间的误差变化以获得良好的跟踪精度,α的取值范围为0.05～0.1，β的取值范围为0.0033～0.05；方位角的α-β滤波方法与斜距滤波方法相同，方位α的取值范围为0.05～0.1，β的取值范围为0.005～0.05；点迹滤波完成后，若点迹的连续更新次数NumSub(M,K)达到门限，则将该点迹的斜距、方位滤波值输出给后续点迹输出模块进行显示输出，辐射区点迹的状态转移图如图4所示。

3)遮挡区处理，遮挡区处理按雷达帧进行，每帧完成一个子区内点迹的整理，包含子区内无效点迹删除、未更新点迹滤波、滤波后点迹存储子区的重新确定。考虑到未相关上点迹遮挡区处理时刻与上一天线行取得测量值时刻相差大于天线行周期，滤波后方位差可能超过一个子区宽度，因此每帧还需选取待整理子区的后续二个子区共同进行点迹整理(首次选取三个，后续每帧向前推进一个子区)。辐射区进入遮挡区时子区内点迹状态只有未更新 TRG_NO_UPDATE和已滤波TRG_FIL两类，对未更新点迹，通过计算当前天线行号ANTLineNum与该点迹上次有测量值时刻的天线行号NumANTSub的差值判断其连续未更新次数是否达到限定值，对于达到限定值条件可删除的点迹，状态变更为TRG_INVALID(无效)，否则进行点迹的滤波处理以避免波束内相关输入目标数据再现时不能相关上合适的子区内点迹，遮挡区点迹滤波方法和辐射区相关点迹的滤波方法相同，滤波后点迹状态变更为TRG_FIL。子区相关处理要求点迹目标存储在合适的子区中，因此子区中状态为TRG_FIL的点迹还需根据其方位滤波值进行搬移，搬移时依据距待搬到子区最近的原则限定在所选三个子区中移动。搬移结束后，将起始子区(三子区中的第一个)中点迹状态变更为未更新TRG_NO_UPDATE，以便在下一天线行辐射区到来时参与相关运算。遮挡区点迹的状态转移图如图5所示。