CN205427184U - 基于数据融合的组网导航雷达目标跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于数据融合的组网导航雷达目标跟踪系统，包括至少一台雷达前端、至少一台雷达终端、以太网，雷达前端和雷达终端之间通过所述以太网进行双向数据传输，雷达前端包括天线、收发机、数据采集模块、信号预处理模块、操控命令处理模块，雷达终端包括显示单元、信号处理单元、操控单元，收发机产生射频脉冲，通过天线向空间辐射。本实用新型为点迹串行处理的集中式数据融合结构，具有融合精度高、系统时延小的特点，还具有消除探测盲区、增强探测概率、提高跟踪性能的优点。终端对多台前端的数据进行数据融合和综合优化处理后，可有效解决单部雷达因天线架设位置带来的盲区问题，并提高海上目标的探测和跟踪性能，保障航行安全。

Description

基于数据融合的组网导航雷达目标跟踪系统

技术领域

本实用新型专利涉及多传感器数据融合技术领域，具体地说，是一种基于数据融合的组网导航雷达目标跟踪系统。

背景技术

船用导航雷达主要用于海上目标的探测与跟踪，辅助舰船导航避碰，保障航行安全。随着舰船航行环境的日益复杂，导航雷达的性能，直接关系到舰船的航行安全与船上人员的生命安危。

船用导航雷达一般分为雷达前端和雷达终端两部分，雷达前端包括天线、收发机和信号预处理单元，实现高频电磁波的发射与接收，对接收到的电磁波信号进行预处理，通过聚类算法探测目标，计算出包括位置、时间、大小、能量幅度等信息在内的目标点迹信息；雷达终端包括操控单元、显示单元和信号处理单元，实现对雷达雷达前端的控制，接收雷达前端发送的雷达图像并显示，接收雷达前端发送的目标点迹信息数据，对目标进行航迹跟踪并显示。

因为安装位置关系，雷达天线往往会受到舰船桅杆、烟囱等建筑的遮挡，导致单部雷达天线会存在一定范围的盲区，无法准确探测、跟踪盲区范围内的目标，影响舰船航行安全。雷达盲区以外的区域，称为有效探测区。

现有的大中型舰船上，通常安装有两部以上的导航雷达，每部导航雷达各自独立完成目标探测与跟踪，不同雷达之间没有或者只有很少的数据交互，无法通过数据共享来提高雷达探测与跟踪的准确性能。

实用新型内容

本实用新型提出了一种基于数据融合的组网导航雷达目标跟踪系统，通过设备组网共享多台雷达雷达前端的数据，任意雷达终端可通过网络，灵活方便的选择接收任意多台雷达前端的数据，以解决单部雷达因天线架设位置带来的盲区问题，并提高海上目标探测和跟踪的准确性能，保障航行安全。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

基于数据融合的组网导航雷达目标跟踪系统，包括至少一台雷达前端、至少一台雷达终端、以太网，雷达前端和雷达终端之间通过所述以太网进行双向数据传输，雷达前端包括天线、收发机、数据采集模块、信号预处理模块、操控命令处理模块，雷达终端包括显示单元、信号处理单元、操控单元，收发机产生射频脉冲，通过天线向空间辐射，射频脉冲遇到目标后部分能量被反射回来，先经天线由收发机接收，再经混频、对数放大、视频检波后形成模拟视频信号，数据采集模块对模拟视频信号进行AD采样后，形成数字视频信号，信号预处理模块对数字视频信号进行抗干扰、去噪声、杂波抑制处理后形成雷达视频数据，并进一步通过聚类算法形成目标点迹数据，信号预处理模块将雷达视频数据和目标点迹数据发送至以太网给雷达终端接收，操控命令处理模块接收雷达终端通过以太网发送的控制命令，进行解析后，将各个控制参数发送给收发机、数据采集模块和数据预处理模块，以控制收发机、数据采集模块和数据预处理模块的工作状态，信号处理单元通过以太网接收雷达前端发送的雷达视频数据和目标点迹数据，对雷达视频数据进行进一步综合优化处理，形成最终用于显示的视频数据，并将视频数据发送给显示单元，对目标点迹数据进行时间校准、坐标转换和存储后，将来自雷达前端的点迹数据进行数据融合，进而完成航迹的滤波、预测与更新，并将更新后的航迹数据发送给显示单元，显示单元接收信号处理单元发送的视频数据和航迹数据，并在显示器上显示出来，操控单元通过以太网传输雷达前端的控制权命令来实现雷达前端控制权的更替，将控制命令发送至以太网以控制雷达前端，将控制参数发送给信号处理单元，控制对视频数据的综合优化处理以及对目标的航迹跟踪。

进一步，所述雷达前端和雷达终端之间是相对独立工作的。

进一步，所述信号预处理模块负责雷达前端的信号预处理和与网络的数据传输。

进一步，采用一滤波器对来自雷达前端的点迹数据进行航迹滤波。

本实用新型的设计原理：本实用新型打破了传统的导航雷达前端与终端的捆绑式对应关系，建立了一种多前端多终端的船用导航雷达组网系统，使前端和终端相对独立工作,通过设备组网进行双向数据交互和共享多台雷达前端的数据，任意终端可通过网络，灵活方便的选择接收任意多台前端的数据，实现了融合多台前端的数据对目标进行探测与跟踪。前端将用于显示的雷达图像和用于跟踪的目标点迹发送到网络供终端接收，终端将操控命令报文发送到网络上来控制前端，终端和终端之间传输前端控制权报文来实现对前端控制权的更替。组网系统工作时，各雷达前端各自独立进行电磁波发射与接收、数据预处理和目标探测，将包括位置、时间、大小、能量幅度等信息在内的目标点迹数据发送到以太网上；任意终端均可接收到以太网上所有前端发送的点迹数据，终端对来自多台前端的点迹数据进行统一坐标转换和存储，并进行数据融合和综合优化处理后，完成目标的航迹跟踪。

有益效果：本实用新型属于点迹串行处理的集中式数据融合结构，具有融合精度高、系统时延小的特点，同时还具有消除探测盲区、增强探测概率、提高跟踪性能的突出优点。终端对多台前端的数据进行数据融合和综合优化处理后，可有效解决单部雷达因天线架设位置带来的盲区问题，并提高海上目标的探测和跟踪性能，保障航行安全。

附图说明

图1为本实用新型设有多台雷达前端和雷达终端的组网系统结构示意图。

图2为本实用新型系统的模块结构及信号传输示意图。

图3为本实用新型系统的信号处理单元目标跟踪信息流程图。

图4为本实用新型舰船CCRP坐标系以及多前端位置分布示意图。

图5为本实用新型点迹位置坐标转换图。

图6为本实用新型雷达前端扇区划分示意图。

图中各符号代表：1.前端一；2.前端二；3.前端三；4.终端一；5.终端二；6.通用外部接口盒。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例作详细说明：本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例：

如图1所示，图中雷达前端包括三台，分别为：前端一1、前端二2和前端三3；雷达终端包括两台，分别为：终端一4、终端二5；通用外部接口盒6设有一台。三台雷达前端、两台雷达终端、一台通用外部接口盒通过以太网互联，雷达前端和雷达终端之间是相对独立工作的。

如图2所示，图中包括一台雷达前端、一台雷达终端、以太网，雷达前端和雷达终端之间通过所述以太网进行双向数据传输，雷达前端包括天线、收发机、数据采集模块、信号预处理模块、操控命令处理模块，雷达终端包括显示单元、信号处理单元、操控单元，收发机产生射频脉冲，通过天线向空间辐射，射频脉冲遇到目标后部分能量被反射回来，先经天线由收发机接收，再经混频、对数放大、视频检波后形成模拟视频信号，数据采集模块对模拟视频信号进行AD采样后，形成数字视频信号，信号预处理模块对数字视频信号进行抗干扰、去噪声、杂波抑制处理后形成雷达视频数据，并进一步通过聚类算法形成目标点迹数据，信号预处理模块将雷达视频数据和目标点迹数据发送至以太网给雷达终端接收，操控命令处理模块接收雷达终端通过以太网发送的控制命令，进行解析后，将各个控制参数发送给收发机、数据采集模块和数据预处理模块，以控制收发机、数据采集模块和数据预处理模块的工作状态。

雷达终端的信号处理单元通过以太网接收雷达前端发送的雷达视频数据和目标点迹数据，对雷达视频数据进行进一步综合优化处理，形成最终用于显示的视频数据，并将视频数据发送给显示单元，对目标点迹数据进行时间校准、坐标转换和存储后，将来自雷达前端的点迹数据进行数据融合，进而完成航迹的滤波、预测与更新，并将更新后的航迹数据发送给显示单元，显示单元接收信号处理单元发送的视频数据和航迹数据，并在显示器上显示出来，操控单元通过以太网传输雷达前端的控制权命令来实现雷达前端控制权的更替，将控制命令发送至以太网以控制雷达前端，将控制参数发送给信号处理单元，控制对视频数据的综合优化处理以及对目标的航迹跟踪。

本示意图中，为了简便，且由于各雷达前端和雷达终端的模块划分和信号传输都完全相同，雷达前端、雷达终端各设置一台，但在实际应用时，雷达前端和雷达终端的数量是可以任意配置的。只要合理安排多台雷达前端的位置分布，即可保证每台雷达前端的盲区都处在其他一台或多台雷达前端的有效探测区内，从而在整个组网系统中消除盲区。多台雷达前端的有效探测区存在交叠区，处在交叠区内的目标可被多台雷达前端探测到，其点迹数据率会明显加大，可减小航迹起始时间，提高航迹跟踪精度，尤其是目标发生机动的情形下。

如图3所示，当本实用新型的目标跟踪系统启动后，首先通过网络获取系统上所有正常开机工作的在线雷达前端信息，包括雷达前端id号、位置、时间等。

用户从所有在线雷达前端中选择其中一台或多台进行组网，用于进行数据融合目标跟踪。获取每台组网雷达前端的时间校准值，记录每个组网雷达前端在CCRP坐标系下的位置。由于各雷达前端是异步、独立工作的，需要对各雷达前端进行时间统一，解决时统问题的方案依据客观条件不同主要有两个：如果雷达组网系统接入了舰船的综合导航系统，则各雷达前端统一使用舰船综合导航系统提供的时标进行时间校准；如果雷达组网系统未接入舰船的综合导航系统，则由雷达终端指定一台雷达前端，以该雷达前端的时间对其他雷达前端进行时间校准。在舰船尺度的空间范围内，对时报文通过以太网传输产生的时间误差，对于海上目标的跟踪精度要求来说可以忽略。舰船是不断移动的，且舰船上雷达前端天线的安装位置是各不相同的，雷达终端需要将各雷达前端发送的点迹数据进行空间对准，转换到一个基准坐标系下。将设备开机时舰船所处位置视为初始位置，通过航速航向或者GPS信息，利用α-β滤波器实时计算舰船实际位置与初始位置的偏移量(x₀，y₀)。

如图4所示，在舰船上设立一个虚拟的共同基准点(consistentcommonreferencepoint，简称CCRP，下同)，以CCRP为原点，以垂直于船舷方向为x轴(右舷方向为正向)，平行于船舷方向为y轴(船艏方向为正向)，建立直角坐标系，称为CCRP坐标系，即为整个雷达组网系统的基准坐标系。每台前端都根据天线架设的具体位置，在CCRP坐标系有相应的位置坐标，可通过精确定位测量得到。

以前端一为例，如图5所示，前端一在CCRP坐标系下的坐标为(x₁，y₁)，目标A在前端一极坐标系下的坐标为(ρ,β)，然后根据公式：

x＝x₁+ρ*sinβ

y＝y₁+ρ*cosβ

${\mathrm{\ρ}}^{\′}=\sqrt{x^2+y^2}$

${\mathrm{\&beta;}}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}2\mathrm{\&pi;}-{\cos }^{-1}\frac{y}{{\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}}& x<0\\ {\cos }^{-1}\frac{y}{{\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}}& x\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$

求出目标A在CCRP坐标系下的直角坐标位置(x,y)，以及极坐标形式的坐标位置(ρ’,β’)，即可将前端一针对目标A探测到的点迹数据转换到CCRP坐标下，以及目标A相对舰船初始位置的坐标(x+x₀，y+y₀)。

如图5和图6所示，选择好组网雷达前端后，模块进入网络监听状态。当有组网的雷达前端发送一个扇区的目标点迹数据至网络后，模块接收扇区点迹数据，并启动以下操作。各前端将极坐标空间平均划分为32个扇区，随着天线扫描实时进行目标探测，天线每扫描过一个扇区，经过一段延迟后，雷达前端将该扇区的点迹数据组成数据包发送至网络上。雷达终端从网络上接收雷达前端的点迹数据，根据雷达前端的位置坐标，对点迹数据进行坐标转换，并加上标示雷达前端来源的id号后存储。对扇区内所有点迹数据进行循环，对其中每个点迹进行以下操作。根据当前雷达前端的时间校准值，对点迹的时间进行校准。

根据当前雷达前端在CCRP坐标系下的位置(x₁，y₁)，将点迹相对于当前雷达前端的极坐标位置(ρ,β)转换为CCRP坐标位置(x＝x₁+ρ*sinβ，y＝y₁+ρ*cosβ)利用舰船航速航向数据或者GPS数据，根据点迹校准后的时间，使用α-β滤波器算法计算出点迹产生时舰船位置相对于初始位置的偏移量(x₀，y₀)，进而求出点迹的绝对位置(x+x₀，y+y₀)，完成点迹位置的坐标转换。

将点迹数据存储在对应当前前端的缓冲区内。扇区内所有点迹都完成时间校准、坐标转换和存储后，对该扇区点迹数据的初步处理完成。如果该扇区编号为32，表示当前雷达前端已经旋转一圈，在量程范围内对周边海域完成了一次全景的目标探测。模块将所有组网雷达前端都完成一次全景目标探测视为一个处理周期，并启动以下操作。对所有航迹数据进行循环，对其中每个航迹进行以下操作。使用全局最近邻方法，进行点迹-航迹相关，得到在本处理周期内，航迹与各组网前端全局相关度最高的目标点迹。将各雷达前端被相关上的点迹数据进行合并，降低单个雷达前端的探测误差，得到高精度的点迹数据。使用高精度点迹数据航迹进行滤波。滤波器是导航雷达对目标进行跟踪的基础模块，它对目标点迹数据中的位置信息进行处理以达到下述目的：利用时间平均法减小测量误差；估计目标的速度；预测目标的未来位置。

用表示目标在第k个处理周期的状态，其中x表示目标的x坐标，表示目标速度的x分量，表示目标的y坐标，表示目标速度的y分量，跟踪滤波就是针对x_k进行估值的动态系统估值问题。

对于海上目标的运动，这是一个状态转换模型和观测模型均为线性，且过程转换噪声和观测噪声的统计特性均为高斯噪声的动态系统，卡尔曼滤波器可以获得最优滤波结果。在本系统中，为了兼顾海上目标的平稳运动模式和机动运动模式，提高目标跟踪性能，采用了具有自适应特点的交互式多模型算法进行航迹滤波与预测，在该算法中，建立了两个目标运动模型，均由卡尔曼滤波器来实现：一个模型的预测估计协方差矩阵系数较小，对应目标平稳运动模式；另一个模型的预测估计协方差矩阵系数较大，对应目标机动运动模式。交互式多模型算法通过对这两个目标运动模型的交互作用，来实现对目标运动状态的自适应估计，两个模型之间的转移由马尔可夫概率转移矩阵确定。经验证，交互式多模型算法对平稳运动和机动运动的目标跟踪均能取得较好的效果，跟踪性能比使用单独的卡尔曼滤波器有所提高。根据滤波结果，对航迹在下个处理周期的位置进行预测。将航迹滤波和预测的最新结果，更新到航迹数据中。将所有更新后的航迹数据发送至显示单元。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.基于数据融合的组网导航雷达目标跟踪系统，其特征在于，包括至少一台雷达前端、至少一台雷达终端、以太网，雷达前端和雷达终端之间通过所述以太网进行双向数据传输，雷达前端包括天线、收发机、数据采集模块、信号预处理模块、操控命令处理模块，雷达终端包括显示单元、信号处理单元、操控单元，收发机产生射频脉冲，通过天线向空间辐射，射频脉冲遇到目标后部分能量被反射回来，先经天线由收发机接收，再经混频、对数放大、视频检波后形成模拟视频信号，数据采集模块对模拟视频信号进行AD采样后，形成数字视频信号，信号预处理模块对数字视频信号进行抗干扰、去噪声、杂波抑制处理后形成雷达视频数据，并进一步通过聚类算法形成目标点迹数据，信号预处理模块将雷达视频数据和目标点迹数据发送至以太网给雷达终端接收，操控命令处理模块接收雷达终端通过以太网发送的控制命令，进行解析后，将各个控制参数发送给收发机、数据采集模块和数据预处理模块，以控制收发机、数据采集模块和数据预处理模块的工作状态，信号处理单元通过以太网接收雷达前端发送的雷达视频数据和目标点迹数据，对雷达视频数据进行进一步综合优化处理，形成最终用于显示的视频数据，并将视频数据发送给显示单元，对目标点迹数据进行时间校准、坐标转换和存储后，将来自不同雷达前端的点迹数据进行数据融合，进而完成航迹的滤波、预测与更新，并将更新后的航迹数据发送给显示单元，显示单元接收信号处理单元发送的视频数据和航迹数据，并在显示器上显示出来，操控单元通过以太网传输雷达前端的控制权命令来实现雷达前端控制权的更替，将控制命令发送至以太网以控制雷达前端，将控制参数发送给信号处理单元，控制对视频数据的综合优化处理以及对目标的航迹跟踪。

2.根据权利要求1所述的基于数据融合的组网导航雷达目标跟踪系统，其特征在于，所述雷达前端和雷达终端之间是相对独立工作的。

3.根据权利要求1所述的基于数据融合的组网导航雷达目标跟踪系统，其特征在于，所述信号预处理模块负责雷达前端的信号预处理和与网络的数据传输。

4.根据权利要求1所述的基于数据融合的组网导航雷达目标跟踪系统，其特征在于，采用一滤波器对来自雷达前端的点迹数据进行航迹滤波。