数据融合在舰炮系统低角跟踪中的应用

1 引言

现代海战中，飞机或导弹的低空、超低空突袭，尤其是具有“低、小、快”战术特性的掠海导弹，对水面舰艇的安全构成极大的威胁。因受到地球曲率、多路径效应、背景杂波的影响，以及隐身技术的广泛采用，雷达在较远的距离，发现和稳定跟踪掠海导弹较困难，即使在近距离上发现和跟踪这样的高速目标，防御武器系统也很难有充足的反应时间。因此，水面舰艇探测系统必须解决好对低空掠海导弹的发现及稳定跟踪问题，保证舰载武器和系统能有效地拦截低空、超低空目标。

舰炮系统中一般配有火控雷达和光电系统等探测设备，这些传感器一般只起互补的作用，一种传感器由于被干扰或故障不能作用时，改用另一种传感器。在多传感器的使用上，仅仅做了优化选择，各种传感器的信息没有进行真正意义上的融合。若能充分利用这两种传感器的各自优点，采用多传感器数据融合技术、复合跟踪技术，可极大的提高舰炮系统对低空目标的发现和跟踪性能。

2 海面低空目标多路径效应

2.1 多路径几何模型

雷达在探测低空掠海飞行的目标时，天线具有一定的仰角。雷达波束照射目标的同时必然会照射一定区域的海面，回波信号有可能直接或经过海面反射后到达雷达接收天线。直达波和反射波相互干涉，引起仰角误差信号在幅度和相位上发生变化，引起的误差为多路径误差。

海面多路径反射分为两部分：镜面反射和漫反射。

(1) 镜面反射：镜面反射波与直达波是相关的，他满足瑞利判据，即：

其中：△h是反射面高度的变化，Ψ是擦低角，λ是波长。如图1所示。

(2) 漫反射：在海面除了镜面反射，还有漫反射，他随海水的运动起伏，漫反射波与直达波是不相关的，是由海面前向散射分量形成，多普勒频移与直达波基本相同。

2.2 多路径效应对角跟踪系统的影响

多路径效应对雷达低空目标跟踪的主要影响表现在俯仰角上，根据反射信号(或镜像目标)进入的雷达波束区域，分为3种误差区域：

2.2.1 副瓣反射区

在副瓣反射区内，误差主要是由镜面反射引起的，主波束不照射到反射表面，反射信号指通过天线波束的副瓣进入雷达接收机，多路径误差是周期性的，其均方根误差为：

其中，θB是天线仰角波瓣宽度，Gsc是波瓣主瓣的峰值功率与镜像信号所在角度上的差波瓣旁瓣的峰值功率之比。

2.2.2 主瓣反射区

当目标仰角低到跟踪雷达的主瓣一侧照射表面时，反射信号将进入主瓣。跟踪误差为：

其中，△t∑t是直射波方向的差信号与和信号，△r∑t是反射波方向的差信号与和信号，ρ是表面反射系数，a是反射信号相对直射信号的总相移。

2.2.3 水平反射区

目标信号与反射信号在俯仰方向上非常接近，同时进入天线主瓣，接受信号功率衰落很大，此时，多路径误差为两个反射体目标的闪烁误差。跟踪误差为：



其中，e是相对于目标的距离误差，ρ是表面反射系数，φr为直射路径与反射路径的路程差。

以单脉冲雷达为例仿真，假设目标高度为10 m，天线高度为15 m，反射系数ρ=0.8，匀速直线向雷达方向飞行，多路径效应随距离变化，引起的俯仰角误差如图2所示。

从图2可以看出，雷达跟踪低空掠海目标时，多路径效应将严重目标俯仰角的测量，这种误差可分为两种：一种是高信噪比阶段时近似恒定的偏差，另一种是低信噪比阶段时的尖峰误差。尖峰误差出现在直达波和反射波的相位差约180°时，直达波和反射波相互抵消，此时信噪比最低，对应着尖峰误差的峰值。由于信噪比非常低，俯仰角误差几乎为零，雷达非常容易丢失目标。

2.3 多路径效应的抑制方法

目前，抑制雷达低角跟踪时多路径效应的方法，基本思想都是围绕着设法补偿因多路径效应造成的信号衰落，去掉直射信号与反射信号的相关性，去除反射信号的干扰，以满足对低空目标精确跟踪要求。

2.3.1 经典多路径抑制技术

经典多路径效应抑制方法主要包括：毫米波技术、频率分集和捷变技术、不对称波瓣技术、双零跟踪、复角跟踪技术、偏轴跟踪技术等。

为解决低空目标跟踪问题，各国都相继研制了多种低角跟踪雷达，主要包括：

(1) 美国“密集阵”近程反导系统，其雷达采用“重滤波”技术，解决低空多路径效应问题。

(2) 荷兰“守门员”近程反导系统，其雷达采用X／Ka双波段技术，X波段用于快速捕捉目标，Ka波段波束宽度0.6°，用于低空目标的稳定精确跟踪。

(3) 俄罗斯“喀什坦”弹炮合一防空系统，其雷达采用毫米波技术，解决低空多路径效应问题。

2.3.2 阵列信号处理多路径抑制技术

采用阵列信号处理技术解决多路径效应问题，这方面技术发展非常迅速。

超分辨率技术主要包括最大似然谱估计、自回归模型、特征结构法谱估计、最小二乘法谱估计等。均突破传统Fourier谱分析的瑞利极限，具有比Fourier谱分析更高的分辨率，能够分辨角间隔小于一个波束宽度的多个信号。

基于特征结构的MUSIC算法目前研究较多，这种算法无法应用于相干信号源，必须去掉信号源的相干性，雷达低角跟踪时多路径效应的相干性非常强、起伏慢，将MUSIC算法应用于低角跟踪，还需要做进一步的研究工作。

最大似然估计可应用于低角跟踪，但由于运算量较大，因此，如何得到快速、稳定、准确的结果，仍然需要进一步的研究。

2.3.3 多传感器融合技术应用于低角跟踪

多传感器数据融合是对多源信息处理的方法，是将获得的多传感器数据信息通过检测、关联、跟踪、估计、综合等多级多功能处理，得到目标一致性描述，从而以更高的精度、较高的概率和置信度，得到所需的目标状态和身份估计，以及完整、及时的态势和威胁评估等决策信息。

与传统的单传感器信息处理相比，多传感器数据融合在解决目标检测、跟踪和识别有如下优势：

(1) 扩展了空间覆盖范围和时间覆盖范围。

(2) 增加了测量空间的维数。

(3) 降低了目标的模糊度。

(4) 提高了信号的空间分辨率。

(5) 提高了系统的可靠性和可信度。

(6) 使系统具有良好的鲁棒性。

对于单个跟踪传感器，其获得目标跟踪信息可能不全，跟踪精度是不够的。若采用多个互补的跟踪传感器，信息就有冗余性。通过多传感器的数据融合可以充分利用多传感器的资源，改善探测性能。

在对海低角跟踪时，火控雷达探测距离远，捕获目标容易，但对低空目标低角跟踪时，存在严重的多路径效应影响，容易丢失目标。光电系统不存在多路径效应影响，角跟踪精度高，但视场较小，捕获目标困难，跟踪距离较近。将雷达与光电系统实现真正的数据融合，充分利用这两种传感器的各自优点，采用多传感器数据融合技术，复合跟踪技术，可极大地提高舰炮系统对低空目标的发现和跟踪性能。

3 雷达、光电数据融合技术解决多路径效应

3.1 雷达、光电系统数据融合跟踪

在舰炮武器系统中，雷达与光电系统各自独立对低空目标进行跟踪，提供独立的目标距离、方位、俯仰角等目标信息，由于雷达与光电系统各自的重复频率不一致，组网后要求对雷达、光电系统时间和空间进行配准处理，否则，未经处理的不同步的传感器数据融合，可能导致性能不如单独使用一个传感器。

雷达与光电系统对低空目标进行跟踪采用各自独立的测量方程，数据融合后，采用最佳数据压缩处理方法进行融合后的数据滤波，实现真正意义上的数据融合。

3.2 雷达、光电系统组网时间配准

雷达与光电系统组网的时间配准，采用最小二乘规则配准法。跟踪雷达的重复频率比光电系统的要高，光电系统一个周期对应跟踪雷达n个周期，将n个周期跟踪雷达测量值融合成一个虚拟的测量值，再与光电系统的测量值进行融合，消除多传感器不同步造成的对数据融合的影响。

3.3 雷达、光电系统组网空间配准

雷达与光电系统的空间配准误差主要有：

(1) 传感器之间的方位和距离上的组合失配。

(2) 传感器位置误差。

(3) 坐标变换的精度误差。

雷达与光电系统组网的空间配准，采用最小二乘规则配准法。适合于同一平面内，距离较近的多传感器空间配准。

3.4 雷达、光电系统数据可信度水平

雷达和光电系统在对海面低空目标进行跟踪时，数据的可信度是不一样的，由于多路径效应只影响雷达跟踪，光电系统的跟踪数据可信度要高于雷达的跟踪数据可信度。

多路径效应对雷达影响是周期性的，雷达的跟踪数据可信度是非常重要的，必须剔除多路径效应影响大的数据，否则雷达和光电系统数据融合的跟踪精度和性能可能不如单个传感器的跟踪精度和性能。

3.5 雷达、光电系统组网滤波方式

采用雷达、光电系统组网对掠海目标进行跟踪，要求雷达和光电系统同时对目标进行跟踪滤波，雷达和光电系统的跟踪误差是已知的，而且各自的跟踪滤波在统计上是相互独立的。

对于雷达和光电系统组网后的系统滤波，采用最优数据压缩处理方法。

雷达测量值(R，α，β)，光电系统测量值(Rt，αt，βt)，经过最优数据压缩后，俯仰角测量误差方差为：

以单脉冲雷达为例仿真，假设目标高度10 m，天线高度15 m，反射系数ρ=0.8，匀速直线向雷达方向飞行，如图3所示。

通过图2和图3的比较可以看出，剔除掉可信度低的某些雷达大误差数据，采用雷达、光电系统数据融合技术复合跟踪，可明显改善对海低角跟踪的精度和性能，也充分说明了多传感器融合技术是解决对海低角跟踪的又一条行之有效的途径。

4 结 语

未来的海战将是广泛使用各种高技术武器装备在水下、海上、陆上、太空和电磁空间进行对抗的一体化网络战。水面舰艇对飞机或导弹的低空、超低空突袭的防范，不仅仅依赖于舰炮武器系统中所包含的雷达或光电系统等少量传感器，而是建立在C4KISR系统下，能充分利用舰艇、空中、太空等各种传感器，经过不同层次的数据融合，这样才能过实现在远距离对掠海低空小目标，早期预警、跟踪，使得舰载防御武器系统有充足的反应时间进行拦截。