第5章 雷达信号处理
5.1 雷达信息处理综述
在20世纪70年代初出现的村船用ARPA设备中，将雷达、陀螺罗经、计程仪及其它传感器信息通过若干处理机和专用快速硬件，进行综合处理，从而实现后面将要讨论的船用ARPA的各种功能。可见，雷达信号、数据处理在包括船用ARPA系统等各种雷达应用系统中占有十分重要的地位。雷达信号处理用在目标回波信号检测之前，而数据处理（含数据录取、目标跟踪、识别、计算、危险判断等）则在检测之后。
船用雷达ARPA系统包括传感器（俗称“雷达头”）和雷达信号处理、数据处理及ARPA终端显示等部分部分，构成的雷达ARPA系统的简化原理框图，如图5－1所示。
图5－1 雷达ARPA系统简化原理框图
雷达信号处理内容这里指的是从传感器（雷达头）取得目标的回波视频信号后进入“雷达信号处理器”，处理的内容包括原始视频信号的量化处理，即通过A／D处理和杂波处理。并在此基础上，进行目标信号检测并利用一定的方法来抑制海浪、雨雪、相邻同频段雷达以及机内噪声等各种干扰杂波，处理后的视频信号在和某个检测门限进行比较，若信号招过检测门限，则被判断为“发现”目标，过程是自动的，即目标自动检测，然后将目标信号输送到“数据录取器”，以测量目标的距离、航向、航速等数据以及未来可能应用的其它一些目标特性。数据录取器输出的便是目标观测值的估计，称为目标点迹。数据录取是由ARPA计算机来实现的。由数据录取器输出的目标点迹数据，在“数据处理器”中完成各种相关处理。
雷达数据处理这里指的是雷达从数据录取器取得目标的位置、运动参数（如径向距离、径向速度、方位等）后进行的对目标测量数据进行互联、跟踪、滤波、平滑预测等运算。这些处理可以有效地抑制测量过程中引入的随机误差，精确估计目标位置和有关的运动参数（如航向、航速等），预测目标下一个时刻的位置，并继续进行跟踪，形成稳定的目标航迹。同时，还要进行船舶与船舶间的碰威判断、报警等的各种数据处理，形成船用ARPA系统相应的各种功能，而这些功能均可在终端显示屏上进行操控显示。
观察雷达测量数据进行处理的层次看，倘若将雷达信号处理看成为“第一次处理”，那么雷达数据处理则称为“第二次处理”，而将军用雷达中的拦截判定、拦截指令计算、拦截方式和杀伤概率计算等或港口多雷达站需要进行的多部雷达信息传递、中心站汇总、再处理则可称为“第三次处理”。而从对测量数据进行处理的级别看，上述的分次处理，可依次分别称为 “一级处理”、 “二级处理”、“三级处理”。要注意的是，不论是按依次或依级，没有前者的处理，就不可能进行后者的处理。亦即，二级处理基于一级处理，三级处理则基于一、二级处理。
本篇将讨论与上述相关的雷达信息处理的一般原理与实现方法，讨论基本是针对船用ARPA系统各项功能进行的。
5.1.1雷达信号、数据的三级处理
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至今，船用雷达的信息处理还仅限于时域处理，其主要处理任务是将来自接收机的载有目标信息的回波视频信号进行加工处理，在终端显示屏上显示目标的存在，目标的坐标数据，目标运动数据，目标的运动态势，判断目标有无碰撞危险以及安全航行的避让方案等。
按照任务与内容的不同，船用雷达的信息处理可以分为三个处理等级（三个加工）以及与其相应的不同的三个处理过程。 1.一级处理
一级处理的任务是目标的自动检测和目标数据录取，具体有：
1）在雷达接收机输出的回波视频信号中存在的海浪、雨雪、及接收机内部噪声等杂波干扰背景中，检测出有用的目标回波，判定目标的存在；
2）录取目标的坐标数据和目标的其它参数，如；目标大小、类型，并对目标进行编号。 2.二级处理
一级处理的任务是对目标的自动跟踪、目标参数的自动计算以及目标是否存在碰撞危险，并给出安全的避让方案，具体有：
1）按照一次处理提供的信息，建立运动的航迹，计算并存储运动参数，并对目标进行R-θ/X-Y坐标变换；
2）对目标进行跟踪，并判断每次天线扫描的回波信号是否为同一目标；
3）预测并判断运动目标的未来状态，计算最接近距离（DCPA,由简称最接近点CPA）、到达最接近点CPA的时间（TCPA）, 判断有无碰撞危险，计算安全航行方案等。 3．三级处理
在多站雷达系统中，如港口大型雷达系统，需要将分布在不同地点的多部雷达信息传递并汇总到中心站，虽然各分站雷达信息已经过两次处理，但汇总到中心站后，任然需要进行三级处理，才能正常利用。具体任务是：
1）将目标的坐标数据和运动参数统一于一个坐标系统和及时系统。这是因为一次、二次处理均按各站的坐标系统进行的，而各分站的工作所用坐标在时间时不同步的，需要统一坐标和时间的标准。
2）将各分站的目标点迹数据（含目标的坐标、运动参数以及其它各种特征参数）加以识别，并归入相同的目标航迹数据中去。这是因为各雷达站（主要指在相邻雷达探测覆盖交叠区）的测量精度不同，数据计算和传递过程中所引入的误差也不同，因此，有不同各雷达所送来的目标的目标数据在坐标系统和及时系统被统一后，还要解决同一目标的归并问题，为此，需要规定一种标准，用以区分哪些数据是属于同一个目标，哪些数据是属于另外目标的，并将属于同一个目标的数据归并到一个点迹。
3) 在以上两步处理的基础上，计算目标的运动参数，建立统一的航迹，实施统一的跟踪和其它处理。
5.1.2雷达信息的数字化终端设备
雷达信息的数字化终端设备的一般组成型式如图5－2所示，图中用的“计算机”可能有几个微型机组成。其工作方式和特点如下所述。
图5－2 数字雷达终端的组成
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1.目标数据录取方式
目标录取有人工录取和自动录取两种方式。
“人工录取”是在显示器上进行的。操纵员用跟踪球或操纵杆控制一个录取标志，在屏上对准发现的目标时，由于标志本身代表一个坐标点数据，因而也就是被套上的目标的坐标数据，将其输入计算机，便完成目标坐标数据的录取。再通过自动检测设备判断目标有无，如该设备判断有目标，再自动录取该目标的坐标。可见，人工录取实际上只录取目标的最初坐标数据。当计算机对该目标建立起航迹，转入跟踪后，目标坐标录取就进入自动的方式，故这种方式又称为半自动录取。
谈若上述的录取目标最初坐标数据也采用自动的方式进行，则成为“全自动录取”，通常在操纵面板上简称为“自动录取”。
自动检测设备与录取设备的主要组成如图5－3所示。
图5－3 自动检测设备与录取设备的组成
由图可见，视频信号首先经过A/D变换，变成数字视频，然后送入逻辑判定部件，其中设置了发现目标的准则，一旦满足准则，即发出“发现目标”信号，完成了自动检测任务。一方面通知计算机，另一方面读出寄存器中该目标当前的方位、距离数据并送计算机，即完成了自动录取任务。图中的电平控制是为了保持监测设备的虚警率恒定而设定的。电平调得高，则虚警率降低，而发现概率也将随之降低。 2.显示型式实例
现代船用雷达ARPA采用液晶TV显示器，是一种将雷达信息由极坐标转换为直角坐标的电视光栅液晶显示器。具有显示高亮度、高质、低价的特点。一种图例如图5－4所示。
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图5－4 液晶TV显示器
从图5－4可见，信息的显示布局的如下几点： 1.所有信息显示及相关控制集中于一屏；
2.按常规的信息显示位置及相关控制的编排之一例为：
屏幕左上方显示为量程及相应固标圈距选择并显示固定距标圈、发射脉宽选择、方位指向显示方式选择、以及相对运动／真运动显示选择；二次回波、SART；
屏幕左下方显示为双电子方位线EBL1/EBL2，可单选，亦可双选；
屏幕右上方显示为图的调整、偏移设定、相对尾迹12、34、30SEC、波段X；
屏幕右下方显示为双可移距标VRM1、VRM2，可单选，也可双选，显示可移距标圈； 屏幕右侧为各种信息栏，其从上到下依次编排为：本船数据有船首向、航速及传感 器型式、相对于本船的光标位置及起航时间、本船数据（GPS）经纬度及航向、计划航线号（由GPS/DGPS制定的有效）水深与水温（若传感器在用）、选用矢量形式（真矢量、相对矢量）及被跟踪目标六数据（距离、方位、航向、航速、CPA/TCPA）、报警及信号丢失（触发／方位角／视频／罗经／计程仪）及操作面板的增益、抗海浪、抗雨雪和亮度设制。
5.1.3雷达信号、数据处理的任务、技术指标与组成
1.船用ARPA系统信号、数据处理需要提供的信息 在终端设备中提供下列信息：
1）目标坐标数据：距离，方位（含真方位、相对方位）； 2）目标运动数据：航向，航速（含真运动、相对运动）；
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3）目标最小会遇距离：最接近点距离（DCPA，通常简称为CPA）,到达最接近点时间（TCPA）；
4）目标运动形势显示：运动矢量线（含相对运动矢量、真运动矢量），历史航迹； 5）目标运动预测显示：最接近点（CPA），预测碰撞危险点（PPC）；
6）视频地图显示：航道线、岸线、浅滩、礁石、沉船、坐标参考点，军事演习区等； 7）标准电子海图显示：符合IHO S-57；
8）声光报警信息：碰撞危险,脱离航道，目标丢失，设备故障等。 2.船用ARPA系统信号、数据处理的任务
按照上述需要提供的信息，需要完成下列任务：
1）雷达杂波处理：海浪、雨雪、机内噪音、同频干扰等杂波的清除或抑制； 2）雷达信号检测：在处理后任然存在的剩余杂波背景中检出有用目标信号； 3）目标数据录取：距离、方位等目标特征数据 4）目标运动数据运算：动态航向及航速；
⑴目标跟踪：航迹建立，位置平滑预测，跟踪窗孔尺寸选择与自适应调整，真假航迹鉴别等；
⑵未来数据计算：CPA，TCPA，PPC，预测航迹等； ⑶航行危险判断：碰撞危险，脱离航道；
⑷安全航行方案计算机验证：航向变换，航速变换；
依照上述处理任务，设计雷达的信息处理系统的处理程序，如图5－5示。
图5－5 船用雷达的信息处理系统的处理程序基本原理框图
3.船用雷达信号、数据处理系统提出的主要技术指标及当前达到的水平
1）目标录取数： 自动100个；人工100个； 2）目标录取时间：0.3～1min； 3）目标跟踪数：与录取数相同；
4）跟踪建立时间：60sec或更少，可选择； 5）跟踪距离：0.1～32NM；
6）建立跟踪条件：天线连续10次扫描中，目标能清楚辨认的次数不低于5次； 7）目标矢量标会时间：1～3min； 8）最大相对速度：43～162 NM； 9）尾迹时间：8～12 min；
10）最大CPA距离：1～9.9 n mial；
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