雷達技術論文(2)
雷達技術論文
雷達技術論文篇二
雷達跟蹤濾波技術研究
摘要：本文介紹了雷達數(shù)據(jù)處理技術中跟蹤濾波算法的基本原理，以在混合坐標系下的α-β濾波模型為研究對象，選取了典型的三維目標進行數(shù)據(jù)建模，驗證了該跟蹤濾波算法的精度滿足雷達數(shù)據(jù)處理的跟蹤要求。
關鍵詞：雷達數(shù)據(jù)處理 跟蹤濾波 仿真
中圖分類號：TN953 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416(2013)01-0070-03
1 雷達數(shù)據(jù)處理技術概述
雷達數(shù)據(jù)處理技術最早可追溯至19世紀初高斯提出的最小二乘法，其運用最小二乘法開創(chuàng)了用數(shù)學方法處理觀測和實驗數(shù)據(jù)的科學領域。之后對這種方法進行了不斷的修改和完善，成為了現(xiàn)代濾波理論的基礎。在現(xiàn)代雷達系統(tǒng)中，信號處理的檢測解決的是有無目標存在的問題，而數(shù)據(jù)處理則是在目標已經(jīng)存在的前提下，給出其參數(shù)估計。
作為雷達信號處理的后續(xù)處理過程，雷達數(shù)據(jù)處理將數(shù)據(jù)關聯(lián)技術與現(xiàn)代濾波理論有機結合用于消除由雜波剩余等造成的虛假檢測，改善雷達信號處理性能;根據(jù)雷達的測量值利用參數(shù)估值理論從大量雷達回波點跡中提取捕獲目標點跡，進行點跡與點跡關聯(lián)，進行目標航跡的建立及管理，確定目標的位置、速度、機動情況等參數(shù);進行點跡與航跡關聯(lián)、跟蹤濾波、航跡維持，形成綜合目標態(tài)勢：進行目標航跡預測外推，調度系統(tǒng)資源對多目標進行跟蹤監(jiān)視，形成連續(xù)的目標航跡數(shù)據(jù)，向火控和武器系統(tǒng)輸出高數(shù)據(jù)率目標指示信息。
2 跟蹤濾波算法
跟蹤濾波是雷達數(shù)據(jù)處理技術的重要組成部分，其主要功能是根據(jù)目標的實際測量信息實時估計目標當前的位置、速度等參數(shù)，并外推出下一次天線掃描周期目標出現(xiàn)的位置信息。該外推信息在跟蹤雷達中用于檢驗下一拍測量信息的合理性;在搜索雷達中用于航跡的相關處理。常見的跟蹤濾波器有α-β濾波器、Kalman濾波器等，根據(jù)不同的計算資源、需處理的目標數(shù)量、目標的不同動態(tài)特性、雷達精度要求等條件可選擇不同的跟蹤濾波器。
與Kalman濾波器相比，α-β濾波器的優(yōu)點是算法較簡單、計算工作量較小、容易實現(xiàn)。在本文應用中選用α-β濾波器，其對跟蹤目標進行最佳線性無偏估計，并按航跡質量和預測誤差改變?yōu)V波器的參數(shù)，實現(xiàn)自適應濾波。在混合坐標系下建立數(shù)學模型如下：
濾波方程：
其中：k為雷達的觀測次數(shù)
表示濾波值;
表示外推值;
表示雷達測量值;
和表示和的一階導數(shù);
和為k時刻濾波器位置和速度的增益;
濾波的外推方程：
、的獲取采用工程上常用的經(jīng)驗公式：
其中，r為信噪比，C為大于零的常數(shù)。
3 典型航跡仿真
根據(jù)跟蹤濾波算法建立的數(shù)學模型，選取幾種典型的雷達模擬航跡在Matlab工具中進行仿真，進一步分析該濾波算法的精度。
選取的典型模擬航跡有：水平勻速直線運動目標、水平蛇形機動目標、高度方向上躍起俯沖運動目標。將得到的目標模擬航跡數(shù)據(jù)，通過直球坐標轉換后在距離R、方位角A、俯仰角E上的數(shù)據(jù)中加入測量噪聲作為濾波器的輸入，測量噪聲的標準差分別為距離40米、方位角0.04弧度、俯仰角0.01弧度。
3.1 水平勻速直線運動目標仿真分析
選取水平勻速直線運動目標的參數(shù)為：起始位置為(x0，y0，z0)=(60km，60km，8km)，X、Y方向的速度均為500m/s，加速度為0，航路捷徑為0，采樣周期為2s。
水平勻速直線運動目標的俯仰角濾波曲線如圖1、距離和方位角濾波曲線如圖2、距離方位角俯仰角的誤差標準差曲線圖3。其中圖3中的藍色曲線為測量值與真實值之差，紅色曲線為濾波值與真實值之差，從中可以看出，濾波效果明顯，距離誤差峰值、方位角誤差峰值、俯仰角誤差峰值基本減小了一半以上。
3.2 水平蛇形機動目標仿真分析
選取水平蛇形機動目標的參數(shù)為：起始位置為(x0，y0，z0)=(30km，30km，2km)，轉彎時角速度為0.1rad/s^2(相當于機動13g)，半徑為3000m，采樣周期為2s。
水平蛇形機動是水平機動的一種，一般發(fā)生在近程和低空，而且比水平機動的機動性更大。水平蛇形機動目標的俯仰角濾波曲線如圖4、距離和方位角濾波曲線如圖5、距離方位角俯仰角的誤差標準差曲線圖6。從圖6中看出，由于水平蛇形機動目標的機動更大，距離濾波誤差較大，對方位和俯仰的濾波效果明顯。
3.3 高度方向上躍起俯沖運動目標仿真分析
選取高度方向上躍起俯沖運動目標的參數(shù)為：初始位置為(x0，y0，z0)=(8km，8km，1km)，利用峰峰高度2000，跨度100的正弦曲線模擬目標運動軌跡，最大機動約為10.5g。
高度方向上躍起俯沖運動目標的俯仰角濾波曲線如圖7、距離和方位角濾波曲線如圖8、距離方位角俯仰角的誤差標準差曲線圖9。由于目標作高度方向上的躍起俯沖運動，水平不機動，故在圖7～9中距離和方位的濾波效果接近于水平勻速運動的目標。目標高度上機動和目標水平面上機動時，濾波算法對俯仰角濾波的效果都可以達到令人比較滿意的效果。
3.4 典型目標的誤差分析
運用蒙特卡洛方法，對上述典型目標各進行了50次仿真，將得到的誤差標準差平均值整理得到表1。從中可以看出進入穩(wěn)定跟蹤后，濾波得到的距離值的誤差標準差基本在20左右，方位角的誤差標準差基本在0.015左右，俯仰角的誤差標準差基本在0.0035左右。仿真結果證明，采用上述跟蹤濾波算法的精度在可接受范圍之內，滿足數(shù)據(jù)處理的跟蹤要求。
4 結語
本文介紹了雷達數(shù)據(jù)處理技術中跟蹤濾波算法的基本原理，在跟蹤濾波算法中選用α-β濾波器建立其在混合坐標系下的數(shù)學模型，用于實現(xiàn)自適應濾波;選取了典型的雷達目標模擬航跡在Matlab工具中進行仿真分析，驗證了該跟蹤濾波算法的精度在可接受范圍之內，滿足雷達數(shù)據(jù)處理的跟蹤要求。
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