CN104931959A - 形成目标点迹的多目标点迹凝聚方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种形成目标点迹的多目标点迹凝聚方法,旨在提供一种能够有效分离多目标,剔除干扰信号,并能准确地形成目标点迹的多目标点迹凝聚方法。本发明采用下述技术方案予以实现:应答信号通过询问天线接收后,询问机利用和差比以及信号脉冲前后沿的幅度差来对重叠信号进行分离,询问机根据天线方向图的特征,利用和、差两路信号的幅度比SDR来剔除旁瓣干扰信号和部分多径干扰信号;判断两个框架脉冲是否为交叠脉冲,然后将前后沿幅度不一致的过宽脉冲分离成两个框架脉冲;对于框架正确而低置信度的一组数据进行解码;最后用密度点迹相关方法对一个波束范围内同一个目标的多次询问结果进行凝聚。本发明解决了目标过于密集无法正确对每个目标进行识别的问题。
Description
技术领域
本发明是关于敌我识别系统中,多目标点迹凝聚的方法,更具体地说,本发明是采用剔除干扰、测角和点迹相关等技术来实现多目标精确识别的敌我识别方法。
背景技术
早期的敌我识别系统只能配合雷达使用,在雷达发现目标后根据目标的方位距离进行询问、识别。天波超视距雷达(Over-The-Horizon Radar,OTHR)利用电离层对高频电磁波的反射效应实现目标探测。由于电离层结构的复杂性,电磁波在雷达和目标之间往往同时存在多种传播模式。导致一个目标在雷达上产生多个量测信号,从而可能形成多条运动轨迹,因此在多目标情况下,要想把目标轨迹同目标和电磁波传播路径关联起来是非常困难的。天波超视距雷达(OTHR)固有的多径效应和低测量精度等特点给数据关联带来了较大困难。确定数据集的正确聚类数目是聚类分析中的一个基础性难题。常用的聚类数确定方法通常依赖特定的聚类算法,且在数据集存在子簇群的情况下效果欠佳。当两个目标相距过近时容易发生错判和误判。为了适应现代战争的需求,给敌我识别系统更多的自主性和更高的判别能力,现代敌我识别系统更多的使用扫描询问,这种工作方式导致大量的识别结果进入询问机,为了正确分离和识别这些结果,引入了多目标识别方法。多目标识别在军事或民用领域均有重要应用。例如:战域警戒(地面运载工具和作战单位),海上警戒(水面舰艇和潜艇),以及民航空中航行管制等。现在军事中,敌我识别系统大多工作在ATC工作模式下,在这种工作模式下,会有大量‘窜扰’、混扰’、旁瓣干扰’、多径干扰’等干扰信号出现,并且在一个波束范围内同一个目标会有多次应答。对于现在越来越复杂的空中情况,信号中存在着各种干扰,如‘混扰’,‘窜扰’等,有效目标信号出现交叠的情况也相对增多。为了有效地剔除干扰,正确识别目标,在敌我识别系统中采用了形成目标点迹的多目标点迹凝聚方法来进行处理。通常敌我识别系统中询问机天线采用和差双天线设计,应答信号通过和、差两路通道进入询问机,由于天线方向图的特性,在主波束内,和信号大于差信号,当主波束正对目标时,和信号最大,差信号最小,随着目标在波束内的位置变化,和信号以一定趋势变小,而差信号随之变大,当目标移出主波束后,差信号大于和信号。当询问机对多个目标进行询问时,在一个波束范围内,会有多个目标的应答信号同时进入询问机,各应答信号之间会出现交叠或者相距过近的情况,这时不同目标的应答信号脉冲有可能在时间上满足框架信号的要求,从而被误判为一个新的目标。但通过对信号的分析发现,多目标信号相交叠时,由于各目标的距离不同,接收机收到的信号强度也不同,通过这一特性可以把多个目标进行分离。当询问机在以一定频率不断询问时,询问天线也在不断地旋转,同一个目标在一个波束范围内会被询问很多次,由于测角和测距存在一定的误差,每次询问的结果会有微小的差别,这会使得同一个目标在被识别时出现很多个点,这样很不利于目标的识别,为了能精确地得到目标的点迹,采用了点迹相关的方法对这些结果进行处理,这一过程被称为点迹凝聚。
发明内容
本发明的任务是针对密集目标的敌我识别器,提供一种简便、实用,能够有效分离多目标,剔除干扰信号,避免多目标信号相互之间影响,并能准确地形成目标点迹的多目标点迹凝聚方法。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种形成目标点迹的多目标点迹凝聚方法,其特征在于包括如下步骤:
1)将以一定频率进行旋转的询问天线安装在转台或者与雷达天线组合安装,询问机通过询问天线以固定频率连续不停地对应答机进行询问,应答信号通过询问天线接收后,询问机利用应答信号的和差比以及应答信号脉冲前后沿的幅度差来对交叠在一起的多目标应答重叠信号进行分离,提取经过和差器分离为和、差的两路信号脉冲的时间、脉冲前后沿幅度和脉冲宽度信息,同时根据天线方向图的特征,利用上述和、差两路信号的幅度比SDR来剔除旁瓣干扰信号和部分多径干扰信号;
2)询问机再根据敌我识别的信号格式从收到的脉冲中提取目标的框架脉冲,分析单个应答信号脉冲的宽度和前后沿的幅度,判断上述两个框架脉冲是否为交叠脉冲,将前后沿幅度不一致的过宽脉冲分离成两个框架脉冲;
3)确定框架脉冲以后,询问机查找相应时间位置上是否有脉冲,查找完以后,对于框架脉冲正确而低置信度的一组数据进行解码,依次判断相应时间点上有无对应的框架脉冲,有,则将框架脉冲对应的码字设为1,无,则设为0,解出应答码;根据发出询问信号和收到应答信号之间的时间差,用时间差和光速来计算应答目标与询问机之间的距离,然后
4)利用天线方向图的特征和天线偏角OBA表之间的关系,对每次询问的结果进行测角,用每次询问目标的角度以及和、差两路信号的幅度比SDR来计算每次应答目标与天线指向偏角OBA值和天线指向角度,通过计算获得每次应答的精确角度;
5)在一定的空间范围内,询问机对同一个目标出现的次数进行判断,将次数大于一个门限的真实存在目标进行多个距离、角度平均,对同一个目标信号凝聚成一个点迹,并记录下来,否则在点迹相关数据库里删除这个目标信号,最后用一种基于密度的点迹相关方法对一个波束范围内同一个目标的多次询问结果进行凝聚,分辨出从旁瓣进入的干扰信号。
本发明的有益效果在于利用天线方向图的特征和天线OBA表之间的关系,对每次询问的结果进行测角,精确地得到每次询问目标的角度。最后用一种基于密度的点迹相关方法对一个波束范围内同一个目标的多次询问结果进行凝聚,最终得到一个点迹。通过对各种干扰信号的分析,利用天线和(Σ)、差(Δ)两路通道的信号比SDR,可以有效地剔除‘窜扰’、混扰’、旁瓣干扰’、多径干扰’等干扰信号,根据目标距离不同,信号强度也有差异这一特点,分离交叠在一起的多个目标,并去除假目标,避免了多目标信号相互之间的影响。
本发明利用和差比以及信号脉冲前后沿的幅度差来对重叠信号进行分离;采用单脉冲测角技术精确地得到各目标的角度,并计算目标距离;采用点迹相关技术对多次询问的信号进行进一步地处理,最终得到每个目标的航迹。解决了目标过于密集时,敌我识别器无法正确对每个目标进行识别的问题。
本发明利用天线方向图的特征和天线OBA表之间的关系,对每次询问的结果进行测角,精确地得到每次询问目标的角度,能准确地形成目标点迹。
本发明具有简便、实用的特点。由于现在敌我识别系统的询问天线大多采用和、差双通道询问天线,询问机的接收机都有和、差两路接收通道,因此使用本发明时不需要对硬件进行修改,只通过软件升级就可以实现。本发明可以有效地剔除这些干扰,并将同一个目标进行凝聚,最终送出一个点迹。
本发明着重于分析簇的几何结构,从数据对象分布密度的角度来度量类内紧密度与类间分离度,对噪声不敏感并且可以识别数据集中的子簇群。
简而言之,本发明面对多目标应答的‘混扰’、‘窜扰’、‘多径干扰’等各种干扰,询问机通过询问天线和、差两通道接收处理可分辨出从旁瓣进入的干扰信号,各目标应答信号的幅度值不同,依据此特征可处理出多个不同的目标信息,实现多目标的初步识别。
本发明所提出的形成目标点迹的多目标点迹凝聚方法是用利用软件方法处理多目标的应答信号,在不改变硬件设施的情况下通过干扰剔除、目标测角测距、点迹相关等方法,最终达到密集目标敌我识别的目的。
附图说明
下面结合附图和实施举例对本发明进一步说明。
图1显示的是密集目标多组信号叠加并形成假目标图。
图2显示的是询问机的天线方向示意图。
图3显示的是敌我识别系统多目标和、差、SDR叠加图。
图4显示的是本发明剔除假框架流程图。
图5显示的是询问机一个询问波束内目标点迹图。
图6显示的是询问机单脉冲测角后的目标点迹图。
图7显示的是询问机点迹相关流程图。
图8显示的是询问机点迹相关后的目标点迹图。
具体实施方式
在图1所示的密集目标多组信号叠加并形成假目标图中,显示了混扰出现的几种情况。应答信号是多个脉冲组合,脉冲的宽度和脉冲间的间隔由信号格式规定,应答信号包括:两个框架脉冲、12个信息脉冲和一个‘X’扩展位。‘混扰’是敌我识别系统内部的一种干扰,当询问方位上有两个以上目标时,接收机将同步地收到两组以上回答信号,当目标间距小于3公里时,这些回答信号将交叉在一起,生产脉冲重叠或交错,这种干扰叫作‘混扰’。混扰在以下条件将形成假目标:
l两组回答信号相距小于20.3μS,同时有两个脉冲相距20.3μS;
l两组回答信号相距大于20.3μS,同时有两个脉冲相距20.3μS;
l同一组信号的SPI脉冲和C2脉冲相距20.3μS,也会形成假目。
在图2所示的天线方向图中,目标在天线波束范围内时,和幅度∑大于差幅度Δ,当天线正对目标时,和幅度最大,而差幅度最小,在这里引进和差幅度比SDR:
SDR=∑/Δ;
当天线正对目标的时SDR的值最大,当是干扰信号或者目标不在雷达波束范围内时,差的值变大,SDR值变小。并可以根据SDR值求得天线的OBA值,用于计算天线的偏角。
在图3所示的目标和、差、SDR叠加图中,从分析中可以发现,不管是多目标相互的‘混扰’,还是‘窜扰’,‘多径干扰’等各种干扰,各目标应答信号的幅度值是不同的,利用这种特性可以有效地剔除这几种干扰。而且由于各目标的幅度存在着差异,可以把混在一起的多个目标分离出来,现实多目标的初步识别。
参阅图4。在形成目标点迹的多目标点迹凝聚方法中,
1)首先是将以一定频率进行旋转的询问天线安装在转台或者与雷达天线组合安装,询问机通过询问天线以固定频率连续不停地对应答机进行询问,应答信号通过询问天线接收后,询问机利用应答信号的和差比以及应答信号脉冲前后沿的幅度差来对交叠在一起的多目标应答重叠信号进行分离,提取经过和差器分离为和、差的两路信号脉冲的时间、脉冲前后沿幅度和脉冲宽度信息,同时根据天线方向图的特征,利用上述和、差两路信号的幅度比SDR来剔除旁瓣干扰信号和部分多径干扰信号;
2)询问机再根据敌我识别的信号格式从收到的脉冲中提取目标的框架脉冲,分析单个应答信号脉冲的宽度和前后沿的幅度,判断上述两个框架脉冲是否为交叠脉冲,将前后沿幅度不一致的过宽脉冲分离成两个框架脉冲;
3)确定框架脉冲以后,询问机查找相应时间位置上是否有脉冲,查找完以后,对于框架脉冲正确而低置信度的一组数据进行解码,依次判断相应时间点上有无对应的框架脉冲,有,则将框架脉冲对应的码字设为1,无,则设为0,解出应答码;根据发出询问信号和收到应答信号之间的时间差,用时间差和光速来计算应答目标与询问机之间的距离,然后
4)利用天线方向图的特征和天线偏角OBA表之间的关系,对每次询问的结果进行测角,用每次询问目标的角度以及和、差两路信号的幅度比SDR来计算每次应答目标与天线指向偏角OBA值和天线指向角度,通过计算获得每次应答的精确角度;
5)在一定的空间范围内,询问机对同一个目标出现的次数进行判断,将次数大于一个门限的真实存在目标进行多个距离、角度平均,对同一个目标信号凝聚成一个点迹,并记录下来,否则在点迹相关数据库里删除这个目标信号,最后用一种基于密度的点迹相关方法对一个波束范围内同一个目标的多次询问结果进行凝聚,分辨出从旁瓣进入的干扰信号。
询问机根据信号格式和脉冲信息把相互叠加的多组应答信号分离开,并剔除假框架,具体步骤可以是:
1)询问机从收到的脉冲中提取所需的各种信息包括:脉冲信息、身份信息和紧急信息,其中脉冲信息为一个脉冲前沿时间、脉冲宽度以及一个脉冲前沿和后沿的二个幅度信息。询问机接收到一组脉冲(脉冲信息、身份信息和紧急信息),首先判断每个脉冲宽度,判断框架脉冲F1是否大于550ns,如果每个脉冲宽度大于550ns,则认为是两个脉冲相叠加,询问机将其分为框架脉冲F1、F2两个脉冲,并给该两个脉冲一个低置信度。如果每个脉冲宽度在350ns-550ns,则认为是单个脉冲,然后判断框架脉冲F2,如果框架脉冲F2宽度大于550ns,则认为是两个脉冲相叠加,询问机将其分为框架脉冲F1、F2两个脉冲,如果框架脉冲F2脉冲宽度在350ns-550ns,则认为是单个脉冲,然后判断两个脉冲间的间距。
2)询问机在判完每个脉冲后,根据应答信号的特点判断这些脉冲中有无两个脉冲相距20.3us,如果两个脉冲相距20.3us,则暂定这组脉冲为框架脉冲F1、F2,如果两个脉冲相距没有20.3us,则删除这组数据。若认为是单个脉冲或有两个脉冲相距20.3us时,这两个脉冲在时间上满足框架要求,询问机将判断这组框架脉冲的幅度。
3)询问机在判断这组框架脉冲的幅度时,如果框架脉冲F1、F2的幅度差在允许范围内,则此框架为真框架,继续判断框架内的脉冲;如果框架脉冲F1、F2的幅度差大于允许范围,则这个框架为低置信度框架,不对其解码。
4)确定框架脉冲以后,询问机查找相应的时间位置上是否有脉冲,如果有再判断这个脉冲的幅度和框架脉冲的幅度相差是否在允许范围内,查找完以后,如所有脉冲都符合要求,则这所有码位为高置信度。如其中有一个或者一个以上的脉冲幅度和框架脉冲幅度相差过大,则这个码位为低置信度。对于框架正确而低置信度的一组数据,继续解码。在确定了框架脉冲以后,开始解码,首先应判断框架中间的第7个脉冲时间点上有无脉冲(即距F1,10.15us的位置上)。如果在距F1,10.15us的位置上有脉冲,说明这不是一组应答码数据,删除这组数据。如果没有,继续解码。解码时,依次判断相应的时间点上有无对应的脉冲,如果有,对应的码字为1,如果没有,对应的码字为0,最后解出应答码。
如图5所示,在正常工作时,询问机天线以一定的频率随雷达天线旋转询问,在一个波束范围内可以进行多次询问,如果没有进行单脉冲测角,目标的应答信号就会以多个点的形式离散地出现。
图6为单脉冲测角后的目标点迹,从天线方向图中可以看出,在天线的波束范围内,当天线没有正对目标时,和差的幅度以一定的比率变化,根据这个特性,把SDR值进行查表以获得OBA值,OBA值的正负可通过对Σ、Δ通道的中频鉴相得到,然后再加上天线的指向角度,就可以求得目标的实际角度。
参阅图7。当询问天线以一定频率旋转时,询问机也在以一定频率进行询问,在一个波束内询问机可以进行多次询问并收到多次应答结果。从天线方向图中可以看出,在天线的波束范围内,当天线没有正对目标时,和差的幅度以一定的比率变化,根据这个特性,利用SDR值查天线OBA表以获得OBA值,OBA值的正负可通过对和、差通道的中频鉴相得到,然后再加上天线的指向角度,就可以求得目标的实际角度。经过测角后可以看出应答目标虽然已经收敛到很小的范围内,但仍然是多个点,为了得到准确的点迹,采用了一种基于密度地点迹相关的方法来进行凝聚,即在一定的范围内,如果同一个目标出现的次数大于一个门限值,认为这个目标真实出现,将这些出现点的方位和距离进行平均后,凝聚成一个点记录下来;否则删除这个目标。具体操作流程如下:
1)建立一个数据库来进行点迹相关存数(以下称点迹相关数据库),询问机将经过解码、测角、测距等信号处理后得到一个目标,根据当前目标与点迹相关数据库里的目标进行比较,如果当目标与点迹相关数据库里任何目标的方位和距离都相差很大,没有距离方位相同的目标,则把当前目标当做一个新目标存入点迹相关数据库;如果在点迹相关数据库存在一个目标N的方位和距离与当前目标的方位和距离相差很小,就认为当前目标与目标N有可能是同一个目标。如果目标N与当前目标距离相同,则比较当前目标与目标N的各种询问模式,比较两个目标的询问模式,如果询问模式不同,则认为当前目标与目标N是同一个目标的两种不同询问模式的结果,将当前目标存为目标N下的另一种新的询问模式结果;如果和其中一种询问模式相同,再比较两个目标的应答码和应答码的置信度,如果一个码位的两个置信度都为高,但其数值不同,则认为当前目标和目标N为相同方位相同距离而不同高度的两个目标,如果一个码位的两个置信度不同,则用高置信度的码位代替低置信度的码位,同时将该目标出现的次数加1。
2)在每次询问结束后询问机都对点迹相关数据库里的目标进行判断,判断点迹相关数据库里是否有目标连续六次末出现,且出现的总次数大于三次,如果有目标连续六次末出现,而且出现的总次数大于三次,则认为该目标为真实目标,将这些点的方位和距离进行平均后送出,作为此时目标的真实方位和距离,将目标送出,并在点迹相关数据库里删除该目标。并根据目标出现的次数n,计算送出的目标距离D和送出的目标方位A,其中:式中:di为每次应答的距离,ai为每次应答的方位。
如果有目标连续六次末出现,而且出现的总次数小于三次,则认为该目标为假目标,在点迹相关数据库里删除该目标。
图8为点迹相关后的目标点迹图,从中可以看出,能过点迹相关操作后,目标已经凝聚成一个单一的点迹,将这些点迹中相同应答码的目标连起来,就可以很方便地为目标建立航迹。
Claims (10)
1.一种形成目标点迹的多目标点迹凝聚方法,其特征在于包括如下步骤:
1)将以一定频率进行旋转的询问天线安装在转台或者与雷达天线组合安装,询问机通过询问天线以固定频率连续不停地对应答机进行询问,应答信号通过询问天线接收后,询问机利用应答信号的和差比以及应答信号脉冲前后沿的幅度差来对交叠在一起的多目标应答重叠信号进行分离,提取经过和差器分离为和、差的两路信号脉冲的时间、脉冲前后沿幅度和脉冲宽度信息,同时根据天线方向图的特征,利用上述和、差两路信号的幅度比SDR来剔除旁瓣干扰信号和部分多径干扰信号;
2)询问机再根据敌我识别的信号格式从收到的脉冲中提取目标的框架脉冲,分析单个应答信号脉冲的宽度和前后沿的幅度,判断上述两个框架脉冲是否为交叠脉冲,将前后沿幅度不一致的过宽脉冲分离成两个框架脉冲;
3)确定框架脉冲以后,询问机查找相应时间位置上是否有脉冲,查找完以后,对于框架脉冲正确而低置信度的一组数据进行解码,依次判断相应时间点上有无对应的框架脉冲,有,则将框架脉冲对应的码字设为1,无,则设为0,解出应答码;根据发出询问信号和收到应答信号之间的时间差,用时间差和光速来计算应答目标与询问机之间的距离,然后
4)利用天线方向图的特征和天线偏角OBA表之间的关系,对每次询问的结果进行测角,用每次询问目标的角度以及和、差两路信号的幅度比SDR来计算每次应答目标与天线指向偏角OBA值和天线指向角度,通过计算获得每次应答的精确角度;
5)在一定的空间范围内,询问机对同一个目标出现的次数进行判断,将次数大于一个门限的真实存在目标进行多个距离、角度平均,对同一个目标信号凝聚成一个点迹,并记录下来,否则在点迹相关数据库里删除这个目标信号,最后用一种基于密度的点迹相关方法对一个波束范围内同一个目标的多次询问结果进行凝聚,分辨出从旁瓣进入的干扰信号。
2.根据权利要求1所述的形成目标点迹的多目标点迹凝聚方法,其特征在于,所述应答信号是多个脉冲组合,脉冲的宽度和脉冲间的间隔由信号格式规定。
3.根据权利要求1所述的形成目标点迹的多目标点迹凝聚方法,其特征在于,所述的应答信号包括:两个框架脉冲、12个信息脉冲和一个‘X’扩展位。
4.根据权利要求1所述的形成目标点迹的多目标点迹凝聚方法,其特征在于,询问机从收到的脉冲中提取所需的各种信息包括:脉冲信息、身份信息和紧急信息,其中脉冲信息为一个脉冲前沿时间、脉冲宽度以及一个脉冲前沿和后沿的二个幅度信息。
5.根据权利要求1所述的形成目标点迹的多目标点迹凝聚方法,其特征在于,询问机接收到一组包含脉冲信息、身份信息和紧急信息脉冲,首先判断每个脉冲宽度,判断框架脉冲F1是否大于550ns,如果每个脉冲宽度大于550ns,则认为是两个脉冲相叠加,询问机将其分为框架脉冲F1、F2两个脉冲,并给该两个脉冲一个低置信度。
6.根据权利要求1所述的形成目标点迹的多目标点迹凝聚方法,其特征在于,询问机在判完每个脉冲后,根据应答信号的特点判断这些脉冲中有无两个脉冲相距20.3us,如果两个脉冲相距20.3us,则暂定这组脉冲为框架脉冲F1、F2,如果两个脉冲相距没有20.3us,则删除这组数据;若认为是单个脉冲或有两个脉冲相距20.3us时,这两个脉冲在时间上满足框架要求,询问机将判断这组框架脉冲的幅度。
7.根据权利要求1所述的形成目标点迹的多目标点迹凝聚方法,其特征在于,询问机在判断框架脉冲的幅度时,如果框架脉冲F1、F2的幅度差在允许范围内,则此框架为真框架,继续判断框架内的脉冲;如果框架脉冲F1、F2的幅度差大于允许范围,则这个框架为低置信度框架,不对其解码。
8.根据权利要求1所述的形成目标点迹的多目标点迹凝聚方法,其特征在于,询问机将经过解码、测角、测距等信号处理后得到一个目标,根据当前目标与点迹相关数据库里的目标进行比较,如果当目标与点迹相关数据库里任何目标的方位和距离都相差很大,没有距离方位相同的目标,则把当前目标当做一个新目标存入点迹相关数据库;如果在点迹相关数据库存在一个目标N的方位和距离与当前目标的方位和距离相差很小,就认为当前目标与目标N有可能是同一个目标。
9.根据权利要求1所述的形成目标点迹的多目标点迹凝聚方法,其特征在于,如果目标N与当前目标距离相同,则比较当前目标与目标N的各种询问模式,比较两个目标的询问模式,如果询问模式不同,则认为当前目标与目标N是同一个目标的两种不同询问模式的结果,将当前目标存为目标N下的另一种新的询问模式结果;如果和其中一种询问模式相同,再比较两个目标的应答码和应答码的置信度,如果一个码位的两个置信度都为高,但其数值不同,则认为当前目标和目标N为相同方位相同距离而不同高度的两个目标,如果一个码位的两个置信度不同,则用高置信度的码位代替低置信度的码位,同时将该目标出现的次数加1。
10.根据权利要求1所述的形成目标点迹的多目标点迹凝聚方法,其特征在于,在每次询问结束后询问机都对点迹相关数据库里的目标进行判断,判断点迹相关数据库里是否有目标连续六次末出现,且出现的总次数大于三次,如果有目标连续六次末出现,而且出现的总次数大于三次,则认为该目标为真实目标,将这些点的方位和距离进行平均后送出,作为此时目标的真实方位和距离,将目标送出,并在点迹相关数据库里删除该目标。
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