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摘要：本文从实际工程应用出发，综述脉冲雷达的目标处理过程，按目标数据流向将目标处理过程细分为帧内目标处理、解重频处理、帧间目标处理、目标航迹处理四个部分。分析各阶段目标特性，提供针对性的计算方法，将目标信息逐级优化，在航迹处理前得到相对准确的目标信息，通过建立目标航迹，预测运动轨迹，再次提高目标信息精度，得到相对理想的目标数据处理结果。
关键词：帧内合并 解重频 帧间处理 目标航迹
中图分类号：TN95 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）03-0212-02
目标处理是雷达数据处理的重要部分，雷达目标处理的结果能够直观体现出雷达的威力、精度等整体性能指标。雷达目标处理的作用是根据雷达系统设计，将雷达探测的目标信息经过特定的算法处理，对探测到的目标信息进行直观显示，为操控人员提供参考。本文以常见的脉冲雷达为基础，介绍目标处理流程，并对要点进行分析，以期处理出更精确的数据结果。
1 目标处理流程
雷达探测可获取目标的距离、方位、速度、幅度等属性信息。目标回波信号经过信号处理之后，可获取初始目标信息[1]，初始目标信息是随机误差较大的数据，难以满足雷达性能指标要求。目标数据处理的任务是根据初始的目标属性信息，通过一系列的数据处理算法，得到精准的目标属性信息。
目标处理过程通常包括帧内目标处理、解重频处理、帧间目标处理、目标航迹处理四个部分。目标处理流程示意图如图1所示。
2 帧内目标处理
目标检测时，一个真实目标的回波信号经前端处理后可能在不同距离、不同方位、不同速度同时输出多个过门限的信号，产生多个初始信息，这些初始信息（距离S、方位A、速度V）与真实目标属性信息相近，但略有不同，如图2所示。
若把多个初始信息当成多个真实目标，会给后续目标处理造成干扰和误判。帧内目标处理的任务就是将同一个真实目标的多个初始信息，合并成一个目标信息。
假设S表示距离，V表示速度，ΔS、ΔV表示距离、速度测量随机误差（偏差范围）。若满足下述条件：
"SA-SB| <ΔS
|VA-VB| <ΔV
目标A和目标B判定为同一目标。
同一目标判定后通过目标合并处理，多个目标信息生成一个新的目标，假设S′、V′表示新目标距离、速度信息，Φ表示权重值，则加权计算方法如下：
S′= SA*ΦA+SB*ΦB +…
V′= VA*ΦA+VB*ΦB +…
目标权重的选择可依据目标幅度信息来参考计算，幅度较大分配较大权重值，幅度较小分配较小权重值。
3 解重频处理
脉冲雷达工作时，会出现盲速和测速模糊[2]。第一盲速V、工作波长λ、脉冲重复频率ft的关系：
V=（λ/2）*ft。
当目标速度等于第一盲速值或第一盲速值整数倍时，将会出现检测丢失目标的现象。目标速度小于第一盲速值时，测得的目标径向速度是准确的，而当目标速度大于第一盲速值时，测得的目标速度是模糊的。通过合理设计多组脉冲重复频率，当目标速度落在其中一个脉冲重复频率的第一盲速值时，避开其余脉冲重复频率的第一盲速值，从而保证对该速度目标的探测能力。目标速度测量值是相对于脉冲重复频率的N个盲速度点的偏移值，真实速度Vz与测量速度值Vc之间的关系为：Vz=Vc+Vf*N。雷达探测得到目标速度测量值Vc，通过计算可以得到重复频率对应的第一盲速值Vf，设定N值范围，则可推出目标的可能真实速度值。
以两重频为例，目标真实速度值可以表示为：
Vz=Vc1+Vf1*N1
Vz=Vc2+Vf2*N2
N值的设定范围，可以根据雷达监测区域目标的速度范围来定，监测目标最大速度Vm，则满足Vf*N>Vm，即N>Vm/Vf。
4 帧间目标处理
帧间目标处理是指雷达在探测目标时，对连续探测获取的几帧数据的处理[3]，帧间目标是目标时间轴上的积累，通过帧间目标的相关处理，可以减小目标信息的随机误差。通过数据分析，可以从多帧目标信息中，确定哪几个是同一目标的探测结果，可以对探测目标距离、方位、速度等信息进行修正，减小随机误差。
4.1 同一目标判定
帧间同一目标的判定方法，可以依据时间差、目标距离、方位、速度差值小于设定的门限值来判定。假设两个帧目标时间差|TA- TB|，帧间目标处理时间间隔设定值ΔT，距离S、方位A、速度V偏差范围ΔS、ΔA、ΔV，时间差信息φst、φat、φvt作为系数，若
|TA-TB|<ΔT
|SA-SB|<ΔS*（1+φts）
|AA-AB|<ΔA*（1+φta）
|VA-VB|<ΔV*（1+φtv）
则可判定目标A、目标B为同一目标。
4.2 测量随机误差修正
将多个帧间目标判定为同一目标后，新目标的距离、方位、速度信息通过加权计算得出。以S′、A′、V′表示新目标距离、方位、速度信息，Φ表示权重值，则
S′= SA*ΦA*+SB*ΦB+…+SN*ΦN
A′= AA*ΦA*+AB*ΦB+…+AN*ΦN
V′= VA*ΦA+VB*ΦB+…+VN*ΦN
目标权重的选择可依据目标幅度、时间信息来参考计算，幅度较大、时间较近的分配较大权重值，幅度较小、时间较远的分配较小权重值，具体目标各属性值权重值选择时还需考虑实际应用场景中目标机动特性。
4.3 单重频目标速度的修正
单重频目标是指只在一个重复频率下发现的目标，单重频目标速度是模糊的。帧间目标是目标信息在时间上的积累，多帧之间完成了多次的解重频处理，多帧目标中只要有一帧目标解出真实速度，则都可以对其它帧内单重频目标的速度进行修正。
基于解重频处理内容，目标速度真实值与单重频目标速度测量值的关系为Vz=Vc+Vf* N，在满足Vf*N>Vm的条件下，从0开始向正负两个方向计算目标可能的真实值，得到一组速度序列Vz1、Vz2、Vz3……Vzn。然后按照帧间目标相关性判定为是否为同一目标，在速度判断条件时，单重频目标的速度值使用速度序列的各个值与另一帧内目标解重频后目标速度相比较，能满足帧间目标属于同一目标判断条件时，单重频目标使用的速度值（速度序列Vz1、Vz2、Vz3……Vzn中的一个）为此目标的真实速度。
5 航迹跟踪处理
航迹是目标随着时间变化，属性信息变化的轨迹。航迹描述目标在不同时间的位置信息，是目标在时间域上的积累过程。建立航迹之前探测到的目标，称之为点迹[4]，经过航迹相关处理，确定为同一目标的多个点迹，组成目标航迹。航迹处理可以分为航迹起始和航迹相关两个部分，航迹起始完成航迹的初始建航处理，航迹相关完成航迹稳定后的精确数据计算。
5.1 航迹建立
航迹建立过程是从探测目标点迹当中，确定哪些点迹是属于同一目标的，而且能够稳定探测的，通过以其中一个点迹为基础，不断捕获该目标的点迹信息，最终形成目标稳定航迹的过程。要建立航迹，首先要从探测点迹中选中一个作为航迹的起始点迹，这个点迹的属性信息（距离、方位、速度、幅度、时间等）作为航迹的初始信息，航迹信息以下标p表示，即航迹距离Sp、方位Ap、速度Vp、时间Tp，起始选择目标点迹A，则：Tp=TA，Sp=SA，Ap=AA，Vp=VA。
以后探测到的目标点迹与此航迹信息进行比对相关，来完成航迹与点迹相关。
（1）初始相关处理。航迹起始只有一个或两个点迹，未形成稳定的航迹信息，判断航迹与点迹是否属于同一目标，可以把航迹信息当作点迹来处理，与帧内目标和帧间目标同一目标判定方法不同，此时需根据两个目标点迹的时间间隔来设定目标属性信息偏差范围。设定目标A为航迹起始点迹，目标B为新探测的目标点迹，两者相关判定方法如下：
|TB-TA|<ΔTt
|SB-SA|<ΔSt
|AB-AA|<ΔAt
|VB-VA|<ΔVt
相关成功后，用新目标信息更新航迹信息，即Tp=TB，Sp= SB，Ap=AB，Vp=VB。
航迹起始阶段不推荐使用航迹预测处理，因为航迹点迹少，还未对航迹目标运动特性形成准确的判断，不能准确预测目标下一次出现的位置，计算的目标航迹预测值误差较大，当前阶段任务是保证航迹顺利建立起来，所以一般设置一个相对宽松的属性偏差范围值，来确保航迹建立成功。
（2）初始航迹相关。当航迹点迹积累三个及以上，根据点迹目标的距离、方位、速度、时间信息，可以计算出在距离、方位、速度变化量St、At、Vt。
St=（SA-SB）/（TA-TB）
At=（AA-AB）/（TA-TB）
Vt=（VA-VB）/（TA-TB）
由于目标属性信息中随机误差影响，可以根据多个点迹计算出多组变化量信息，多组变化量信息取中值来作为航迹的变化量信息，如航迹内有A、B、C三个点迹，可以计算出AB、BC两组变化量，航迹属性变化量St′、At′、Vt′表示为：
St′=（StAB-StBC）/2
At′=（AtAB-AtBC）/2
Vt′=（VtAB-VtBC）/2
航迹有了变化量信息，就可以进行航迹预测了，当新目标发现D之后，可以使用航迹预测值与新目标进行比对。航迹预测值Sp′、Ap′、V′与航迹当前值的关系为：
Sp′=Sp+St′*（TD-Tp）
Ap′=Ap+At′*（TD-Tp）
Vp′=Vp+Vt′*（TD-Tp）
其中TD表示新目标D的发现时间，要判断目标D是否与航迹匹配，需要计算在目标D所在时间点上，航迹的各属性值，然后计算航迹属性值与目标属性值是否满足同一目标条件，即
|Sp-SD|<ΔS
|Ap-AD|<ΔA
|Vp-VD|<ΔV
满足条件，则判定新目标D是该目标的点迹，添加到航迹信息中，使用新目标信息更新航迹信息和变化量信息。注意此阶段仍处于航迹起始阶段，虽然有了航迹预测值，但只用于与点迹相关判断，并未作为航迹的信息输出，航迹最新信息仍然使用的点迹的信息。即此阶段航迹精度不是高精度数据，当航迹点迹积累到5个以上时，认为航迹处于稳定跟踪状态，开始计算航迹高精度数据。
5.2 航迹精确信息计算
航迹点迹数量积累5个以上时，认为目标航迹进入稳定跟踪状态，此时航迹在点迹数量和时间上都有一定的积累过程，可以计算出航迹的真实准确属性信息。
（1）航迹径向速度和距离。实际应用中，通常使用距离微分来获取航迹的径向速度，即在一个短时间段内，认为目标是均速运动的，距离差除以时间差获取速度值。当前航迹稳定后有5个目标点迹，按时间先后依次为目标1-5，则此时计算航迹径向速度值Vp=（S5-S1）/（T5-T1）*（-1），径向速度是带方向的，正速度为接近方向，负速度为远离方向。
则在T时刻，航迹距离Sp′=Sp-Vp*（T-Tp）。
（2）航迹切向速度和方位。使用方位角度差除以时间差来获取切向速度值（以角度值来表示的速度）。航迹切向速度值Vp_a=（A5-A1）/（T5-T1）。切向速度也是带方向的，正速度为顺时针方向，负速度为逆时针方向。在实际应用中，方位随机误差较大时，可以使用多个目标点迹取方位中心的处理，使用中值作为计算切向速度的参数。
（3）目标机动适应性处理。但实际应用中，目标都是有机动特性的，而且很多目标的机动变化量很大、且无规律的。所以在计算目标运动预测值时，需考虑目标速度变化，即加速度，以a，a′表示径向、切向加速度。则在T时刻，航迹预测值：
Sp′=Sp-Vp*（T-Tp）–a*（T-Tp）2/2
Ap′=Ap+Vp_a*（T-Tp）+a′*（T-Tp）2/2
根据短时间内微分原则，认为目标在T-Tp时间段内作匀加速运动，得出的结果基本已满足系统指标需求。在这个结果基础上，可以再考虑变加速运动，将航迹输出结果精度再次提高。比较预测值和点迹值，计算预测Sp′、Ap′与最新相关成的点迹的S、A差值ΔS′、ΔA′。若目标运动状态变化不大，则差值小于点迹测距随机误差，即ΔS′≤ΔS，ΔA′≤ΔA，此时Sp′、Ap′作为航迹目标信息输出是准确的。若ΔS′>ΔS或ΔA′>ΔA，则说明目标运动状态变化大，此时应通过航迹预测值和点迹值加权计算距离Sp″、方位Ap″，权重Φ值的设置可以参考ΔS′与ΔS、ΔA′与ΔA的大小比例设置。
Sp″=Sp′*Φs+S*（1-Φs）
Ap″=Ap′*ΦA+A*（1-ΦA）
最终Sp″和Ap″作为航迹输出的距离、方位信息，用于计算系统的精度。
6 结语
本文从目标数据处理总体出发，将目标处理过程分解成帧内目标处理、解重频处理、帧间目标处理、目标航迹处理四个部分，介绍各个部分功能及特点，并对要点部分进行解析。在实际工程应用中，按照这个过程处理，可以得到预期的目标处理结果。
参考文献
[1]丁鹭飞，耿富录.雷达原理（修订版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，1995.
[2]丁鹭飞，耿富录，陈建春.雷达原理（第四版）[M].北京：电子工业出版社，2009.
[3]吴顺君，梅晓春，等.雷达信号处理和数据处理技术[M].北京：电子工业出版社，2008.
[4]何友，修建娟，张晶炜，关欣，等.雷达数据处理及应用[M].北京：电子工业出版社，2009.
