车载射频传感器的综合技术应用

装甲平台多功能综合射频技术主要对装甲平台的射频传感器资源进行统一规划和整合，通过射频天线、射频前端、信息预处理与控制等资源的共用与复用，形成针对主战坦克和支援战车射频功能需求的宽带综合孔径，实现雷达探测、电子对抗、通信导航、敌我识别等功能的综合，使装甲平台系统具备全天候战场环境下的快速战场态势感知、电子对抗、敌我识别、多维通信及导航定位等能力。通过射频资源的共用与复用，减少了系统的体积和重量，大大提高了车载系统电子设备的可靠性、可维修性，并显著降低系统的全寿命周期成本。

1.射频综合特点

装甲平台系统射频综合的特点主要包括以下几点：

（1）频带宽。陆基装备从几MHz覆盖到100 GHz以上波段，覆盖了目前使用的整个射频频域范围。

（2）功能全。除了对地和对空雷达、通信和电子对抗功能外，针对陆基平台，需要发展对抗高速弹丸目标、毫秒级快速响应、极近程探测距离的毫米波主动防护，以及复杂路障告警等功能，综合射频系统需要支持更全面、更广泛的功能。

（3）时效强。由于地面战车相比空中飞机、海面舰艇而言，机动性差，所以全域、全时受到敌方攻击武器的威胁。特别是针对装甲平台、自行式火炮平台，除了装备高效反应装甲外，主动防护技术是实现自我保护的有效手段。而主动防护系统探测目标的距离只有几十米，工作周期极短，对系统时间资源的占用率大，因此，射频综合系统的资源分配任务更加艰巨，特别是时间资源十分紧张。

（4）环境恶劣。由于地面起伏、凹凸不平，地面陆基平台振动频率虽然低，但是振动冲击大，特别是在火力打击时冲击更大，抗强振动冲击是系统必须考虑的。陆军平台综合射频系统不能采取类似飞机高速飞行而形成的自然风速对系统进行散热，只能采用强制风冷散热，散热效果差，造成工作环境更加恶劣。

（5）质量轻、体积小。陆基装备平台的空间狭窄，体积和质量要求更加严格，对综合射频系统的高度综合化、集成化、轻量化提出了更严格的要求。

（6）低成本。低成本是装甲平台系统发展的基本要求，因此在产品的研制阶段，需要对射频系统的功能、技术方案、硬件选型、软件工程等问题进行综合优化，在降低系统成本的前提下，提高系统综合效能。

2.射频传感器综合分类

根据系统功能需求，综合考虑频段规划、技术体制等多种因素，将射频综合分成以下几类。

1）射频前端综合

射频前端综合，是指不同射频功能间共享天线孔径、射频通道及射频资源，各射频功能间没有明确的硬件资源划分，不同射频功能通过相应的功能软件调度即可实现，整个系统通过资源管理与调度构成一个有机的功能整体。

2）数字处理综合

数字处理综合，是指不同射频功能间共享一套数字处理平台资源，不同射频功能通过软/硬件重构的方式实现对处理平台部署不同软件组件，完成不同的应用功能；系统可以灵活实现处理资源的调度，按业务需求进行配置和集成，可支持多业务应用；系统能够灵活地被实现、集成、维护和测试，系统的轻便性、互操作性和可复用性能够长期保持，以应对未来的变化。

3）信息综合

信息综合，指对主动雷达、通信信息、无源侦察信息等多传感器信息进行融合共享，以避免单一传感器所获取数据的不精确、不完整、不一致以及易受敌方干扰等劣势。

4）射频综合

射频综合传感器系统通过采用共用和复用孔径、分布式有源阵列、射频多通道处理、超宽带射频、软件无线电等技术，构建小型化、易扩展的开放式综合信息处理平台，从而以尽量少的射频天线和前端硬件实现雷达探测、电子对抗、通信导航与敌我识别等多种任务，避免了功能简单累积导致的电子设备体积、质量的增大和功耗的急剧上升，大大提高了战车的通信、指挥控制及综合作战效能。

射频综合传感器系统是一个模块化、通用化系统，由大量的通用化、标准化模块组成，通过加入不同的软件实现不同的传感器功能。从硬件的角度来看，已经难以区分雷达、通信导航识别、电子战等功能的硬件模块和设备。通用化、标准化的硬件模块增加了单一传感器功能的可用物理资源，提高了单个传感器执行任务的冗余度和可靠性。另外，由于采用了开放式的体系架构，标准化、模块化水平大大提高，这就从根本上为提高系统的可靠性、维修性、保障性以及实现二级维修体制奠定了基础，也为降低车载电子设备的全寿命周期费用奠定了基础。

3.射频前端综合技术

根据装甲平台功能与频段划分，其在前端射频资源综合方面主要综合为以下几个孔径：毫米波综合孔径、分布式超宽带综合孔径、低波段复合孔径。

1）毫米波综合孔径前端技术

毫米波综合孔径天线工作在Ka频段。如图5-18所示，采用集成式两维有源相控阵体制毫米波综合孔径天线，通过对数字收/发子阵进行模块化拼接构成完整的阵列，可实现覆盖±45°空域范围的两维电扫。天线在安装过程中，可根据直升机载体外形选择平面或共形的排布方式。

图5-18　毫米波综合孔径

毫米波综合孔径的工作过程：发射信号时，数字收/发子阵通过光纤接口接收信号处理机发来的控制命令，按照控制命令产生相应脉冲重复周期、脉冲宽度、信号带宽的中频发射激励信号，经过上变频、滤波、功率放大等产生要求功率的射频激励信号，输出给对应的天线单元；接收信号时，数字收/发子阵可对天线单元接收到的射频回波信号进行限幅保护、低噪声放大、下混频、滤波、STC、放大、A/D采样、DDC等处理，将数字化的回波数据通过光纤接口发给信号处理机。

（1）子阵实现技术。考虑到天线孔径的载体通用性以及集成模块化的设计思路，可选择4×4规模的数字化子阵模块作为基本的功能单元。图5-19给出了毫米波数字化集成子阵的内部构成框图。

图5-19　毫米波集成子阵构成框图

由图5-19可知，针对发射部分，本方案拟采用以DDS为核心组成数字式的集成模块，代替原来由移相器、微波衰减器等构成的模拟模块，这样既可产生各种复杂的雷达波形，又可以实现波形捷变，同时完成各天线单元的幅度、相位加权运算，控制天线阵的发射波束合成，而接收部分拟采用数字波束形成技术实现。根据系统的具体功能需求在数字处理器平台上实现对阵列单元/子阵输出信号的幅相加权，以获得赋形波束、低副瓣波束、和差波束、多功能同时多波束等特性，充分发挥多功能系统的潜力。

子阵模块在结构上采用高频封装技术（LTCC、多层混压、Si基集成等）将宽带辐射单元与射频及数字通道共同烧结为一个整体，对外预留本振、电源及数字接口，波束控制及综合射频控制单元与子阵模块集成为一体。

（2）单元方案及阵列仿真。天线单元拟采用多层耦合式的微带贴片结构实现（图5-20）。首先通过带状线缝隙耦合结构对下层主贴片进行馈电，然后将主贴片辐射的能量经由内部空间耦合至顶层的寄生辐射贴片。此外，为拓展单元带宽并优化其辐射性能，可在主贴片上方设置内埋空腔结构。整个天线单元的剖面可控制在2 mm以内。

在阵列单元设计的基础上，为全面评估毫米波二维阵列的电气性能，分别选择平面阵列与共形阵列两种方案做对比。二维共形阵列沿半球表面排列，球面半径为212 mm，其中阵列方位维对应的球面中心角为60°，俯仰维对应球面中心角为25°，其具体排列结果如图5-21所示；图5-22和图5-23给出了平面阵与共形阵的辐射方向图对比结果。

图5-20　毫米波有源相控阵天线单元示意

图5-21　毫米波有源相控阵天线排布示意

图5-22　方位维辐射方向图（见彩图）

（a）扫描0°；（b）扫描30°

图5-22　方位维辐射方向图（见彩图）（续）

（c）扫描45°；（d）扫描60°

图5-23　俯仰维辐射方向图（见彩图）

（a）扫描0°；（b）扫描30°

图5-23　俯仰维辐射方向图（见彩图）（续）

（c）扫描45°

2）分布式超宽带综合孔径前端技术

分布式超宽带综合孔径覆盖厘米波段的超宽频率范围，单个阵面按照16×16矩形栅格形式均匀排列，如图5-24所示。

图5-24　分布式超宽带综合孔径阵面排布示意

考虑到阵列的快速模块化组合与灵活可重构需求，每个分布式孔径均采用4×4标准化数字式集成子阵作为其基本功能单元。如图5-25所示，每个集成子阵分别由天线阵面、射频垂直互联层、射频电路、数模转换、光纤等部分构成，并包含16路独立的收发通道。

图5-25　天线子阵构成框图

超宽带数字T/R组件内部还包含电源变换电路、数据及控制电路、光/电转换电路、4种信号分配电路、16个收/发通道及控制软件等。每个集成收/发子阵通过电源接口、光纤接口、时序控制接口、时钟信号接口及本振接口融入整个综合孔径。收/发子阵的内部组成如图5-26所示。

图5-26　集成数字式收/发子阵内部组成框图

整个孔径的工作过程如图5-27所示：由频率综合器送来的本振信号、系统时钟信号和同步时钟信号分别经过功率放大、16路等幅同相功分后发送给16个收/发子阵；由信号处理机产生的16路T/R控制脉冲分别发送给收/发子阵；由信号处理机产生的16路控制和光数据信号通过16路光纤发送给收/发子阵，收/发子阵接收的回波数字光信号通过同一光纤送给信号处理机；收/发系统电源变换的直流电各通过两对双绞线分别发送给16路收/发子阵、本振信号放大器、时钟信号放大器和同步信号放大器。集成子阵包含16个独立收/发通道，DDS产生激励信号经过上变频与功率放大后通过环形器发送给天线单元，天线接收的目标回波信号经过环形器、限幅低噪声放大器、下变频、ADC、DDC和光/电转换，以光信号形式发送给信号处理机。

图5-27　超宽带综合孔径组成框图

（1）超宽带天线单元技术。阵中辐射单元为宽带耦合对称阵子（图5-28）。宽带阵子是一种典型的平面天线结构，具有宽频带、宽波束等特点，是一种常用的超宽带天线形式。交叉对称阵子可以非常简单地实现双极化，通过两种极化方式之间的容性耦合调节天线的宽带特性，最终设计的天线具有很好的对称性和较低的交叉极化电平。

天线的馈电结构拟对平衡馈电或非平衡馈电进行改进（图5-29）。这两种结构都与阵面垂直，通过穿过金属屏蔽结构或支撑结构的探针或金属化过孔馈电。天线的馈电端口拟采用内芯毛纽扣形式、外层介质支撑的类同轴结构。毛纽扣具有类似于弹簧一样的伸缩特性，能够保证天线与射频部件的紧密连接，同时其引入的电感能够匹配一部分交叉阵子之间的耦合电容，有利于天线整体具有宽带特性。该馈电结构很容易与辐射阵面的平面结构集成，且易与后端射频系统连接，最终实现天线的平面模块化。

图5-28　宽带阵子天线

图5-29　天线侧视分层示意

（2）收/发通道技术。收/发通道主要由数/模转换、发射通道和接收通道组成，主要完成激励信号产生和功率放大、目标回波信号的接收、ADC和DDC、激励信号的自校准和同步功能，如图5-30所示。

其中，射频电路部分完成微波高放、混频、接收低噪声放大、滤波变频等功能。对于接收通道现阶段比较常用的是超外差二次变频方式，通道接收机把辐射单元经环形器输出的射频信号，首先经过射频滤波与射频本振经射频混频器混频，再通过射频滤波器滤波后得到高中频信号，该信号经放大后与中频本振信号混频，再经滤波、放大得到中频信号，最后通过A/D转换及数字下变频电路输出数字信号。对于发射通道，其主要过程是通过DDS产生一定功率的中频信号，经两次混频、滤波、放大后送至天线单元。

图5-30　数字收/发通道结构示意

3）低波段复合孔径前端技术

低波段复合孔径的主要功能是实现短波/超短波通信、数据链、自组网通信等，这类功能通常要求天线具有全向辐射方向图。不同于定向窄波束天线，宽波束全向天线的电性能与车体的几何形状、大小等有很大关系。短波/超短波车载通信天线的设计，需要结合车身大小选择合适的车载天线的安装位置。对于同一种类型天线，装在不同的车载平台上，电性能差别就比较大。即使在同一车辆平台，同一个天线安装在车体不同的位置上，其电性能也不一样。因此，低波段复合孔径天线的设计需要充分考虑天线与车之间存在的相互影响与制约。此外，如前所述，适应未来车辆平台高速机动、隐身等需求，多波段复合孔径天线的设计要求小型化、轻量化、低剖面，且尽可能地利用载机的外形结构，做到结构一体化与共形设计。同时，必须在不破坏机身结构强度、绝缘强度及耐压性能的情况下，满足各项环境条件要求。

基于此，考虑到技术可实现性、可行性，低波段复合孔径天线按照频率高低划分为两个天线孔径，分别覆盖0.002～0.03 GHz（HF波段）以及0.03～3 GHz（VHF、UHF、L/S波段）频率范围。具体来说，初始设计时，低波段复合孔径天线的设计可采用与车体结构相共形的机载隐蔽式天线结构形式。

结合具体实际，0.002～0.03 GHz的HF波段天线孔径采用回线天线形式。回线天线损耗相对较小，效率相对较高，可以近似地被看成一个终端短路的有耗传输线。由天线的结构可以看出，它基本上是一段均匀传输线。这样的一个传输线的损耗由两部分组成，即导体的电阻损耗和缝隙的辐射损耗。回线天线输入阻抗的实部一般较小，必须加调配装置。考虑到该天线一般呈现感性，需采用容性调配装置进行匹配。

对于0.03～3 GHz（VHF、UHF、L/S波段）的天线，拟采用尾帽天线形式。尾帽天线属于隐蔽式振子天线，可以将尾翼本身看作一具天线。目前制造尾帽天线的工艺方法有：①把金属箔嵌在介质整流罩里；②把金属网嵌在介质整流罩里；③在介质整流罩上喷金属层；④在分层的介质内部压入金属网。此外，也可采用特殊开槽结构的椭圆微带天线或共口径的刀形微带天线（图5-31）来完成0.03～3 GHz的一体化设计。

图5-31　宽带VHF、UHF、L/S波段一体化微带天线

（a）开槽结构的椭圆微带天线；（b）刀形微带天线

4.数字处理综合技术

数字处理综合技术主要用于解决多功能同时或分时运行时计算资源的问题，其需要从顶层设计着手来解决硬件平台的模块化、标准化问题，使平台既有统一的结构，又具有内在的灵活性，以满足车辆作战平台未来作战需求。

（1）平台硬件模块划分应强调硬件模块的属性及其实现的继承性，而不是功能的配置，使硬件模块设计和实现具有通用性和开放性。

（2）为了保证车载功能软件的可靠性，提高软件在全生命周期中的可维护性和可移植性，需要在开放式软件架构规范约束下设计，实现硬件平台与功能软件的解耦，提高软件的可移植性与可重用性。

（3）平台设计应具有可扩展性，支持新能力的插入。平台能在原有硬件模块基础上，通过增加新的硬件模块或在已有的硬件模块中增加新的属性、新的波形或组件来实现新的功能；同时，平台需要支持功能波形组件的即插即用，需要组件的通信接口、控制接口标准化。

（4）完整和详细平台规范公开后，第三方就可以提供系统内部模块，软件开发人员就可以确定硬件的性能和容量以加载特定的波形，为新技术和新功能的插入提供便利。

根据未来装甲平台的作战构想和功能要求，直升机载多功能综合射频处理一体化平台应具备以下特点：

（1）无线连接。按射频综合发展趋势，一体化平台需要同时容纳短波/超短波通信、数据链、自组网通信、卫星通信、导航、敌我识别、辐射源探测、雷达探测和地形探测等多种作战功能的收/发频段，支持多个频段同时收/发，每个频段都能数字化。

（2）无线处理。硬件平台采用FPGA、DSP、GPP（PowerPC、ARM、X86）进行雷达信号处理、通信导航信号处理、干扰对抗信号处理、多源信息融合、战场态势分析处理、系统资源智能管理、协议处理等。

（3）有线连接。硬件平台具备以太网接口，以方便系统接入以平台为中心的C4I系统或以网络为中心的C4I系统。

（4）安全保密。硬件平台需要具备加/解密及密钥控制验证机制，保证信息在收/发、处理、存储过程中的机密性和完整性，能够对不同安全要求等级的信息进行传输和收/发。

1）数字处理综合硬件技术(www.xing528.com)

数字处理综合硬件需要按标准总线、模块化进行划分，并从平台可升级、可扩充以及未来即插即用、支持软件动态重构等需求出发，平台采用了全交换架构及模块通用化设计，系统架构如图5-32所示。

数字处理综合硬件平台架构由光/电转换模块、交换接口模块、通用数字信号处理模块、通用数据处理模块、通用存储模块和主控模块组成，所有模块之间通过RapidIO和以太网互联。交换接口模块是高速交换网络的数据交换中心，负责数据在各个模块间的交互和分发；通用信号处理模块主要为计算密集型功能提供硬件环境，采用多DSP+FPGA架构；通用信息处理模块主要负责数据分析和信息融合等功能，采用多GPP架构；通用存储模块包含存储控制器和大容量存储介质，存储介质采用商业模块，存储控制器负责数据存取和协议转换；主控模块主要负责交换网络配置、模式控制、任务管理、设备管理、波形部署与重构管理等，采用GPP架构。

2）数字处理综合软件技术

图5-32　数字处理综合硬件平台架构

从功能软件、硬件解耦合需求出发，数字处理综合一体化平台软件采用分层的软件架构，将功能软件与底层硬件分开；通过功能波形的组件化分解、符合架构规范的组件设计及基于CORBA的软总线技术，支持不同功能波形一致部署方法及波形组件的即插即用。

数字处理综合一体化平台软件架构分为4层，从上到下依次为波形应用层、软总线层、操作系统层及硬件平台层，如图5-33所示。平台中的软件架构建立在CORBA规范、SCA规范及HAL API之上，通过CORBA中间件、HAL API及SCA CF实现了功能波形组件的软件总线，为各功能软件组件之间进行数据传输提供的虚拟公共通道和接口界面，支持软件的即插即用。

图5-33　数字处理综合一体化平台软件架构

平台标准化、开放的软件架构，把应用与底层硬件分离，为不同功能波形运行提供了一致的操作环境，为不同功能波形部署提供了一致的方法：①波形组件、设备组件（硬件设备的软件代理）的开发遵循SCA规范中Resource接口及Device接口进行设计，从而统一了不同功能波形组件的设计方法及数据接口、控制接口、部署机制等。②波形组件之间的数据传输采用CORBA传输机制和HAL API，统一了不同功能波形组件之间的数据传输接口。③GPP上波形组件之间的通信采用CORBA传输机制，GPP上波形组件与FPGA、DSP上波形组件之间通信采用HAL API，通过硬件抽象层设备组件（一个特殊的设备组件，不是一个真实硬件设备的软件代理，而是完成HAL为波形组件提供的服务）调用驱动API完成数据传输（图5-34）。④设备组件与真实硬件设备在平台软件中的代理，主要负责硬件设备的控制与管理，对于GPP、FPGA、DSP这类可加载处理器，还负责其上的波形组件加载与卸载。

图5-34　GPP上波形组件与DSP、FPGA上波形组件通信接口

（1）波形组件化分解。多功能复用宽带通用射频处理一体化平台功能波形设计，首先面临的是各种功能软件的分解。雷达、电子战、CNI在工作方式和功能上有较大差别，采用的处理过程和方法也完全不同，因此需要针对不同的应用分别设计各自的波形组件，并最终形成可重用、可移植的波形组件库。

对于雷达探测、地形探测等雷达应用功能，虽然信号形式、时序关系、工作波段、工作模式和运算复杂程度都有很大差别，但在基本工作原理上相差不大，系统构成和处理节点也比较固定，并且各个节点之间的接口比较明确。因此，按照处理节点进行组件划分比较合理。

对于电子对抗、辐射源侦察、定位、告警及对抗等电子战应用功能，也可以划分为一系列接口比较明确、运算方式比较固定的处理节点，因此也可以按照处理节点进行组件划分。

对于毫米波通信、敌我识别、短波/超短波通信、数据链、自组网通信和卫星导航等通信和导航的应用，根据成熟标准，一般按照物理层、MAC层和网络层进行波形组件划分（图5-35）。

图5-35　不同应用波形组件分解

无论哪种应用波形组件，其划分方式都要遵循高内聚、低耦合的原则，并且要严格按照SCA规范进行设计开发，保证组件的高度可重用性和可移植性。

（2）波形验证。基于功能组件的装甲平台通信导航识别系统、雷达、电子战波形功能快速构建，典型波形功能移植以及地面等效试验，需要在多功能复用宽带通用射频处理一体化平台上进行验证，形成支持通信导航识别系统、雷达、电子战波形的加/解密、协议解析、语音、图像视频传输、导航识别、信号处理等波形组件库。

在一体化平台上的实时验证，需要将波形运行环境（CORBA中间件、CF及HAL API）一体化硬件平台集成，构成一个适合通信、导航、识别、雷达探测、电子侦收等功能波形演示验证环境，如图5-36所示。

第一，计算机系统上将运行波形管理与监视软件，同时通过网络文件系统软件将波形组件库所在文件目录挂接在主控模块的文件系统中，以方便功能波形的部署。

第二，主控模块上的GPP在一体化平台中作为主CPP节点，其上将加载并运行域管理器（Domain Manager）、设备管理器（Device Manager）和波形组件，负责响应计算机加载波形、卸载波形命令，进行波形的加/卸载，同时跟踪整个平台的状态，并将信息返回给计算机系统。

第三，通用数字信息处理模块上的GPP在一体化平台中作为从GPP节点，其上将加载设备管理器和波形组件。

第四，一体化平台上GPP之间的流数据通过CORBA软总线交换，FPGA、DSP与GPP之间通过HAL进行交换。

第五，考虑到装甲平台作战时多个功能波形同时工作场景，一体化平台支持多波形动态部署。

5.信息综合（融合）技术

图5-36　一体化验证平台软/硬件集成

装甲平台信息综合技术需要通过整合车载雷达、电子对抗、光电稳瞄、敌我识别、通信等多频谱探测器资源，实现不同传感器之间战场实时信息的选择性共享与融合处理，提升车载装甲平台的战场态势感知能力，扩大对战场目标的跟踪、定位精度，适应未来高度信息化战场发展的趋势。

各种传感器的装备特点如表5-3所示，信息综合技术即是综合不同传感器的特点，实现各传感器的扬长避短，满足未来车辆平台作战使命需求。

表5-3　装甲平台传感器的特点

续表

下面对装甲平台信息综合各种关键技术进行详细分析。

1）信息综合架构技术

多传感器信号综合（融合）的结构一般可划分为集中式结构、分布式融合结构以及混合式融合结构，各综合结构特点如下：

（1）集中式结构的特点是将各个信源的量测传给融合中心，由融合中心统一进行目标跟踪处理。该结构充分利用了信源的信息，系统信息损失小，性能比较好；但系统对通信带宽要求较高，系统的可靠性较差。根据信源量测是否处理，集中式结构具体分为两种形式，即无跟踪处理的集中式结构和有跟踪处理的集中式结构。

（2）分布式融合结构的特点是先由各个信源模块对所获取的量测进行跟踪处理，然后再对各个传感器形成的目标航迹进行融合。该结构的信息损失大于集中式结构，性能较集中式结构略差，但可靠性高，并且对系统通信带宽要求不高。分布式融合结构具体分为3种形式，即有融合中心的分布式融合结构，无融合中心、共享航迹的分布式融合结构，以及无融合中心、共享关联量测的分布式融合结构，如图5-37所示。

（3）混合式融合结构是集中式和分布式两种结构的组合，同时传送各个信源的量测以及各个信源经过跟踪处理的航迹，综合融合量测以及目标航迹。该结构保留了集中式和分布式两种结构的优点，但在通信带宽、计算量、存储量上一般要付出更大的代价。

考虑到装甲平台信息融合处理的是各信源输出的航迹信息，因此，根据上述融合架构特点，可选择装甲平台信息融合处理为有融合中心的分布式融合结构。

分布式融合结构以较低的费用获得较高的可靠性和可用性，可减少数据总线的频宽并降低处理要求。当一个传感器降级，其观测结果不会损害整个多传感器数据融合功能和特性；它可以逐步增加要实现自动化功能的数量，而且能使系统结构适应控制中心的操作要求。针对分布式多传感器数据关联与融合，对于融合节点而言，就是要处理局部航迹的关联与融合。

图5-37　装甲平台融合架构及流程图

2）时空配准技术

各个信源获取目标航迹的周期往往是不一致的，要完成多传感器的航迹关联与融合，必须完成各信源所获取目标航迹信息在时间上的一致性，即实现时间配准。

目前的时间配准算法包括最小二乘法、外推法、内插法、外推内插结合法、最小均方误差融合法等。考虑到实时性要求，以及各信源提供的均为目标航迹信息，下面主要介绍时间段内插外推法。

如图5-38所示，在t1时刻，只存在信源1的信息，此时不进行外推配准；在t2时刻，信源n得到目标信息，将信源1在t1时刻的信息采用外推法外推到t2时刻，这时，信源1和信源n就可以进行航迹关联处理。在t3时刻，信源2得到目标信息，则将信源1在t1时刻的信息以及信源n在t2时刻的信息分别外推到t3点，然后信源1、信源2以及信源n就可以进行航迹关联处理。

在同一时间段内对各传感器采集的目标观测数据进行内插、外推，将高精度观测时间上的数据推算到低精度时间点上，其算法为：先取定时间片T；时间片的划分随具体运动目标而异，目标的状态可分为静止、低速运动和高速运动，对应融合时间片可以选为小时、分钟或秒级。再将各传感器观测数据按量测精度进行增量排序。最后将高精度观测数据分别向低精度时间点内插、外推，从而形成一系列等间隔的目标观测数据以进行融合处理。

图5-38　信源的目标航迹序列图

简要步骤如下：

取定时间段TM。时间片的划分随具体的运动目标而异。目标的状态可以分为静止、低速运动、高速运动，对应的时间片可以划分为小时、分钟或者秒级。对于实际的运动，具体时间片的划分根据具体机动大小、跟踪能力等一些参数来确定。

将各传感器观测数据按测量精度进行增量排序。

将各高精度观测数据分别向最低精度时间点内插、外推，以形成一系列等间隔的目标观测数据。

同一时间片内的观测数据常有多个，如图5-39所示。

图5-39　时间配准

高精度a向低精度b归结：

速度的外推：假设在同一时间片内，目标做匀速直线运动，则由时间点t1外推至时间点t2速度不变，即Vt1=Vt2。

3）航迹关联融合算法

分布式多传感器数据融合首先要做的工作是航迹相关，在此基础上进一步进行航迹融合。所谓航迹关联就是判断来自不同系统的两条航迹是否代表同一个目标。实际上，航迹相关就是解决传感器空间覆盖区域中的重复跟踪问题，因而航迹关联也称为去重复。同时它也包含了将不同目标区分开来的任务。

目前的航迹关联算法包括简单加权法、修正加权法、序贯简单加权法以及序贯修正加权法等。考虑到在装甲平台中，各信源提供的是目标的航迹信息，并不提供各信源跟踪处理的模型，无法构造互协方差，序贯方法需要各个融合时刻信息的耦合；在实际系统中，各个融合时刻所利用的信息并不一定固定来源于某些传感器。综上，在装甲平台中采用简单加权法处理航迹关联问题比较常见；同时，为了进一步简化计算，我们对各个通道进行解耦，实现解耦的简单加权航迹关联算法。需要注意的是，简单加权法仅仅给出一个融合时刻的航迹相关情况，我们将简单加权法与滑窗判决逻辑结合，来确定整个时间序列中航迹相关情况。

根据融合处理的时间设定，周期性地读取航迹数据。对于该周期内的各传感器航迹数据，根据航迹时刻排序。首先对于最新的航迹，依次按照航迹的新旧逐次处理。对于尚未进行关联判断的航迹，在时间校准后，进行航迹关联的假设判断；对于航迹关联确认的航迹，建立航迹匹配，并启动航迹融合。在完成该航迹融合后，将涉及航迹融合的所有航迹从航迹排序表中删除，然后对剩余航迹中的最新航迹重复上述过程实现融合。当航迹融合处理时限到达时，停止融合。

首先，对传感器的类型按照状态维数进行分类，如图5-40所示。

图5-40　传感器按照状态维数的分类

然后，针对要判断关联的两个传感器数据依照解耦的简单航迹关联算法判断是否关联。航迹关联的算法流程如图5-41所示。

由于对多个信源集中处理，对带宽要求较高，造成较高系统代价，因此采用多信源序贯处理方式。序贯的处理算法思想为，边进行数据关联边进行航迹融合。过程如下：将从传感器1得到的状态估计量和从传感器2得到的状态估计量进行关联，对于关联成功的状态估计进行数据融合处理后再和传感器3送出的状态估计量进行关联，依此类推。如果没有关联上，则保持原有的状态估计。这种处理方式简单明了，有效地降低了计算量，具有一定的工程应用前景。

图5-41　航迹关联流程

简单加权航迹关联法：加权法基于局部航迹对同一目标的状态估计误差独立这一假设，利用局部航迹的状态估计和协方差构造检验统计量，将问题转化为假设检验问题。

为了讨论问题的方便，先引入一些基本表示和描述方法。设局部节点1、2的航迹号集合（即其相应的目标号集合）分别为：

U1={1,2,…,n1},U2={1,2,…,n2}

将记为的估计，式中和分别是节点1第i个和节点2第j个目标的真实状态，而和分别为节点1对目标i和节点2对目标j的状态估计值。

设H0和H1是下列事件（i∈U1，j∈U2）：

H0：和是同一目标的航迹估计。

H1：和不是同一目标的航迹估计。

这样航迹关联问题便转换成了假设检验问题。

在加权法中，假定两局部节点对同一目标的状态估计误差是统计独立的，即当（目标真实状态）时，估计误差与是统计独立的随机向量，即在假设H0下，公式的协方差为：

式中，是显然的假设，是节点1在l时刻对目标i的状态估计误差协方差，而是节点2在l时刻对目标j的状态估计误差协方差。

加权法使用的检验统计量为：

如果αij（l）低于使用χ2分布获得的某一门限，则接收假设H0，即判决航迹i和航迹j关联；否则，接收假设H1。在H0假设中，状态估计误差tij（l）服从高斯分布，因此αij（l）服从nx自由度的χ2分布，其中nx是状态估计向量的维数。由于αij（l）是对状态估计误差tij（l）的统计加权，因而称作加权法。

4）航迹管理算法

现代战场环境日益复杂，装甲平台可能实施交叉、编队、迂回等各种协同和非协同战术机动，有/无源电子对抗带来大量的不确定性。在如此复杂的多目标多杂波环境下，传感器探测形成的航迹之间呈现着错综复杂的关系。目标航迹的起始、确认、保持、撤销准则成为工程中十分重要的问题。因此，航迹管理成为雷达数据处理系统中的一项重要内容。航迹管理可分为两部分内容，即航迹编号管理与航迹质量管理。

航迹管理一般要通过航迹编号来实现，与给定航迹相联系的所有参数都以其航迹编号作为参考。航迹质量管理是航迹管理的重要组成部分，通过航迹质量管理，可以及时、准确地起始航迹以建立新目标档案，也可以及时、准确地撤销航迹以消除多余目标档案。

（1）航迹编号管理。采用分布式融合策略，对每个信息源分别进行独立跟踪，获取拥有独立航迹编号的多批次航迹，而不同信源的航迹一旦关联成功，则需要对该目标航迹进行重新航迹编号赋值，存入系统航迹库中。本书中系统编号管理的基本思路如下：融合系统中的航迹编号管理主要是将多信源航迹统一为同一条系统航迹，并将航迹编号进行系统级的统一管理，避免与各信源航迹编号混淆。首先设定系统航迹编号阈值，且系统航迹从1开始编号，如果多信源航迹能够正确关联，且能够完成融合起始过程，则将该多信源航迹关联对融合，把融合航迹存入融合系统中。若系统航迹编号超出阈值，则将已终结的航迹编号赋值给当前融合航迹，或者将系统中存在时间最长的航迹删除，把其航迹编号赋值给当前融合航迹。

（2）航迹质量管理。各信源进行独立跟踪过程中，由于信源探测精度的影响，形成的多目标航迹质量存在一定差异，因此在构建多信源航迹匹配关系的过程中，同源航迹并非都能够关联成功，并且利用逻辑法起始融合航迹并非能够成功起始，且在目标漏检情况下，需要对融合航迹进行维持；另外，对于终结航迹要及时删除。具体的航迹质量管理主要包括融合航迹起始、融合航迹维持以及融合航迹终结等。在融合航迹起始过程中，采用M/N逻辑方法，每次对多信源航迹进行关联处理，关联成功一次则进行融合起始参数的累计，一旦满足逻辑起始法则，就将该多信源航迹对融合，并认为该融合航迹起始成功，且将其送入融合系统中，同时进行航迹编号。融合航迹维持过程主要是对系统航迹进行实时更新，保证航迹的稳定性和可靠性，在此主要是需要建立系统航迹与多信源航迹之间的匹配关系，需要通过航迹编号之间的对应关系进行关联。一旦某一目标的多信源航迹缺失，则需要对该系统航迹进行多次预测维持，等待多信源航迹的更新；多次未更新则终结。融合终结过程类似于融合起始过程。