浅谈飞机尾流检测的方法
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在云雾和降雨中，尾流的后向散射主要来自于水汽微粒，本文用具有不同径向速度的微粒来建模尾流的多普勒谱．以Burnham-Hallock速度模型描述尾流的旋转运动，在均匀网格上描述尾流径向速度分布图像，利用统计直方图方法统计出每个速度值的概率．潮湿大气中波音747尾流多普勒的建模结果分析脉冲多普勒雷达体制下尾流检测点迹的特点．雷达探测尾流示意所示，其中开始扫掠尾流时刻为T0，相参积累脉冲数为Nc，脉冲重复周期(PRI)为TP秒，则相关处理间隔(CPI)为NcTP．检测点迹是雷达以相等角速度对尾流的非均匀采样．和极角，β为极轴与从极点引到直线的垂线之间的夹角，p为垂线的长度，φ0为时刻T0时方位角度，ω为天线转速(单位为r/min)，采样角度间隔φs=360ωNcTP/60(单位为°)，Ns为尾流检测点迹的个数．晴空湍流和晴空尾流在散射机理方面相似，超灵敏晴空大气雷达可检测到100km的晴空湍流．晴空条件下尾流的体反射率为-130～-110dBm-1．通常，雾、云、雨反射率因子分别为-30～-15dBZ、-20～10dBZ、大于20dBZ，-30～20dBZ对应于体反射率范围为-125～-76dBm-1。
2基于幅度和位置量测的TBD方法
通过综合利用多个时刻上目标幅度和航迹点的相关性，可得到比传统方法更精确的似然函数．在第k次迭代中，假设关于幅度和位置量测的随机向量是统计独立的，用幅度和位置量测似然函数的乘积表示联合似然函数3尾流的检测前跟踪性能仿真通过增加辅助的TBD信号处理通道、引入TBD算法来增大作用距离，TBD方法的性能仿TBD方法性能评价涉及到2个方面，即检测性能和跟踪性能．由于低门限处理后存在较多虚警，本文侧重于从容许的虚警性能这一角度进行检测性能的仿真分析．对于跟踪性能，由状态参数估计的均方根误差(RMSE)评价．仿真参数为：距离分辨率150m，天线转速6r/min，PRF为3kHz，脉冲积累个数64个，尾流距雷达约10km，尾流回波在第5个CPI时出现，第22个CPI时消失，假设脉冲积累后尾流谱峰值SNR=5dB，低门限预处理的虚警概率为5%，分布目标检测器的检测概率可以达到90%．(a)给出了频域低门限预处理后飞机尾流的检测点迹和虚假检测点迹，其中，第17时刻出现漏警．使用SIR粒子滤波TBD检测器进行状态估计，粒子个数L=1000，噪声协方差矩阵为Q=diag{4,0.0001,0.01,0.01},幅度量测方差σ21=0.01,σ20=100,位置量测协方差R′=diag{4,0.0001}.尾流航迹估计(b)所示，存在-消失模式的估计(c)所示．检测前跟踪(TBD)是微弱目标检测和跟踪处理的重要手段，其基本思想是基于未经门限处理或低门限处理的观测数据，先对潜在的目标进行跟踪处理，在目标的航迹被估计出来后，检测结果与目标航迹同时宣布．常规粒子滤波TBD方法需要估计目标幅度大小，在低信噪比或目标起伏情况下，检测性能和跟踪精度不高．脉冲多普勒雷达系统可以获得目标的频谱特性，尾流回波相参积累处理后，获得方位-距离-多普勒三维空间的幅度数据．由于多普勒谱的峰值信杂比仍然很低，而且尾流多普勒谱是扩展的，因此，首先利用频域分布目标检测器进行低门限检测．低门限预处理可以避免后续TBD处理利用额外的状态参数估计尾流的扩展多普勒，而且利用尾流多普勒谱的扩展特性，提高尾流回波的检测概率．由于低门限预处理会造成大量虚警，针对检测后的二元数据图像的特点，提出基于幅度和位置量测的粒子滤波TBD算法的处理流程。可知，常规方法仅利用幅度量测进行状态估计，受虚警影响较大，本文方法综合利用幅度和位置量测，能够高精度估计尾流航迹，并能准确估计尾流存在-消失模式．在尾流存在时刻5~22，在目标状态值附近，粒子分布密集，RMSE较小，具有较高的跟踪精度，对第17时刻出现的漏警也做出了准确的估计。
3结论
利用尾流回波占据多个频域分辨单元和多个角度分辨单元的性质，研究了尾流回波的检测前跟踪方法．该方法可容许预处理阶段较高的虚警，在低门限处理的虚警概率为5%时，能高精度跟踪和检测低信噪比下的尾流回波．其研究结果有助于设计尾流检测系统，提高尾流回波的探测距离．检测前跟踪处理器容许较高的虚警从而对微弱目标检测和跟踪具有借鉴意义。
作者：刘俊凯王雪松孙文峰蔡益朝单位：空军预警学院
