認(rèn)知雷達(dá)搜索跟蹤一體化工作模式設(shè)計

錢喬龍，陳舒敏(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

在過去的100多年里，雷達(dá)技術(shù)作為一種有效的探測方式，取得了長足的進(jìn)步。雷達(dá)的探測威力不斷提高，測量精度也不斷提升，整體性能也越來越強。在戰(zhàn)爭中，作為主要探測手段的雷達(dá)具有決定性的作用，因此研究先進(jìn)的雷達(dá)技術(shù)是鞏固國防安全所必需的[1-2]。

戰(zhàn)場的電磁環(huán)境異常復(fù)雜，有敵我雙方不同設(shè)備的電磁干擾，有地海雜波的不同背景環(huán)境，現(xiàn)代雷達(dá)要能夠適應(yīng)戰(zhàn)場復(fù)雜的電磁環(huán)境，必須在不同的環(huán)境下都能夠探測到目標(biāo)[3]。傳統(tǒng)雷達(dá)工作模式單一，不能根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境不同而改變工作方式，不能有效滿足現(xiàn)代作戰(zhàn)要求。

要解決上述問題，就要改變雷達(dá)的工作體制。首先，雷達(dá)的信號處理功能要足夠強大，只有這樣，才能在不同作戰(zhàn)環(huán)境下都有足夠的資源完成處理任務(wù)。其次，雷達(dá)要使用相控陣體制，通過對不同發(fā)射組件的相位精確控制，產(chǎn)生不同的發(fā)射波形，根據(jù)環(huán)境、目標(biāo)的不同，改變發(fā)射波形。最后，雷達(dá)在架構(gòu)上必須要滿足閉環(huán)條件，即根據(jù)后端信號處理的結(jié)果反饋控制前段發(fā)射波形，實現(xiàn)認(rèn)知雷達(dá)處理的智能化。

Simon Haykin教授設(shè)計出一種新型雷達(dá)系統(tǒng)，人們稱之為認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)[4-5]。認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)和傳統(tǒng)雷達(dá)的區(qū)別在于增加了后端處理到前端發(fā)射的反饋控制。環(huán)境場景分析器分析處理接收回波，根據(jù)處理結(jié)果，選擇最合適的工作模式和發(fā)射波形，反饋給環(huán)境場景激勵器，調(diào)整系統(tǒng)的發(fā)射資源，控制前端發(fā)射，使雷達(dá)匹配工作環(huán)境，優(yōu)化整體性能[6]。

圖1給出了認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，簡要顯示了其功能。

圖1 認(rèn)知雷達(dá)架構(gòu)

1 認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)

作為現(xiàn)代雷達(dá)發(fā)展的一個熱點，認(rèn)知雷達(dá)可以依據(jù)當(dāng)前相參處理間隔(CPI)的處理結(jié)果控制下一個CPI的發(fā)射波形，智能分配雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射和處理資源。所以認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮智能化判斷及復(fù)雜的信號處理任務(wù)。

認(rèn)知雷達(dá)和傳統(tǒng)雷達(dá)不同，其中加入了處理端對發(fā)射端的反饋控制，并且雷達(dá)工作方式復(fù)雜可變，處理運算量大。認(rèn)知雷達(dá)的主要特點如下：

(1) 在認(rèn)知雷達(dá)剛開機工作時，先對環(huán)境進(jìn)行探測，分析周邊工作環(huán)境的特點，智能選擇適應(yīng)環(huán)境的工作模式；

(2) 根據(jù)環(huán)境不同，認(rèn)知雷達(dá)切換不同的工作模式，所以也必須根據(jù)工作模式的不同切換信號處理的處理任務(wù)，選擇不同的處理模塊。

根據(jù)以上認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)的特點可以看出，認(rèn)知雷達(dá)要求智能化選擇判斷，要求各個工作模塊之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。要達(dá)到認(rèn)知雷達(dá)的性能，在雷達(dá)系統(tǒng)的收發(fā)模塊、處理模塊、顯控模塊之間必須要進(jìn)行大容量的高速數(shù)據(jù)交互。所以，使用基于總線數(shù)據(jù)交互的雷達(dá)架構(gòu)是認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計的最優(yōu)選擇。

所設(shè)計的雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，有以下4個優(yōu)點：

(1) 基于高速串行總線PCIE或SRIO的雷達(dá)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)交換方式靈活，各個模塊之間數(shù)據(jù)傳輸方便，提高了雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的效率。

(2) 基于數(shù)據(jù)交換的雷達(dá)系統(tǒng)，預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，擴展性好，可以方便地進(jìn)行板卡升級、功能升級，從而提高認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)性能。

(3) 雷達(dá)系統(tǒng)采用統(tǒng)一的時鐘源發(fā)給各個工作模塊，保證了相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的相參性。

(4) 采用數(shù)據(jù)流模式的工作方式，而不是使用傳統(tǒng)的定時工作方式，可以實時地根據(jù)模式的變化做出切換，提高了模式切換的效率。

圖2 基于總線交換的認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)

2 全向探測模式

認(rèn)知雷達(dá)有2種工作模式，第1種工作模式是全向探測模式。在雷達(dá)開機工作后，首先工作在全向探測模式，發(fā)射一個寬波束，覆蓋全空域。全空域接收回波后，處理模塊處理回波，給出處理結(jié)果。顯控系統(tǒng)顯示周圍環(huán)境，并分析環(huán)境特性，根據(jù)環(huán)境特性，自適應(yīng)調(diào)整工作模式。

在當(dāng)前工作模式下，發(fā)射的信號樣式為脈沖信號，采用正交連續(xù)相位編碼方式，在空域形成全向的方向圖。圖3顯示了原始方向圖。

圖3 發(fā)射方向圖(原始)

圖4顯示了認(rèn)知雷達(dá)發(fā)射模塊和接收模塊示意圖，從圖中可以看出，通過多個發(fā)射天線，認(rèn)知雷達(dá)發(fā)射正交信號，進(jìn)行全向探測。接收模塊通過多天線接收，進(jìn)行匹配濾波處理[7]。

圖4 認(rèn)知雷達(dá)發(fā)射接收示意圖

2.1 發(fā)射波形

全向探測模式下，認(rèn)知雷達(dá)發(fā)射正交連續(xù)相位編碼信號。設(shè)正交連續(xù)相位編碼信號為S，式(1)為S的表達(dá)式：

S=exp(jΦ)=

{sl(n)=ejφl(n),n=1,2,…,N,l=1,2,…,L}

(1)

式中：N為碼長；L為碼元個數(shù)；Φ為S的相位矩陣；φl(n)∈Φ，為信號sl的第n個子脈沖的相位。

當(dāng)φl(n)∈[0,2π]時，波形S就是正交連續(xù)相位編碼信號。

使用Matlab進(jìn)行仿真分析，設(shè)L為16，N為200，仿真出16路正交連續(xù)相位編碼信號。連續(xù)相位編碼信號時域圖如圖5所示。

圖5 連續(xù)相位編碼信號時域圖

當(dāng)前模式下，認(rèn)知雷達(dá)的發(fā)射信號在全空域相互正交，式(3)為相關(guān)矩陣：

(2)

正交編碼信號在全空域形成全向的方向圖，可以實現(xiàn)對全空域的快速探測，而不需要進(jìn)行相掃或機掃那樣的掃描探測。但是因為功率分散到全空域，其探測威力比窄波束時下降。經(jīng)過天線輻射，實際發(fā)射方向圖如圖6所示，覆蓋陣面方位角-45°～45°。

圖6 實際發(fā)射方向圖

2.2 脈沖綜合處理

全向探測模式下，同時形成16個接收波束，處理端同時處理16個波束，按照并行處理方式進(jìn)行處理，獲取目標(biāo)及環(huán)境的特征參數(shù)。傳統(tǒng)雷達(dá)一般進(jìn)行脈沖壓縮處理，每一個波束匹配濾波系數(shù)相同。但是因為認(rèn)知雷達(dá)發(fā)射16路正交連續(xù)相位編碼信號，每個天線發(fā)射的信號樣式不同，所以匹配濾波系數(shù)也不相同。

處理端在同時對16路不同空間方向的回波進(jìn)行脈沖壓縮處理時，匹配濾波系數(shù)與回波的空間方位有關(guān)，所以稱為脈沖綜合處理，也可以稱為空時匹配濾波。

16路波束的濾波器系數(shù)具體的獲得方法是把每一路發(fā)射信號的導(dǎo)向矢量乘以發(fā)射信號矩陣，把乘法結(jié)果做共軛翻轉(zhuǎn)即可。

圖7顯示了多波束情況下的脈沖綜合處理流程，數(shù)字波束形成(DBF)板先完成接收波束合成，再進(jìn)行空時匹配濾波處理，最后完成信號處理常規(guī)模塊如動目標(biāo)檢測(MTD)、恒虛警率(CFAR)檢測等處理。

圖7 空時匹配濾波處理示意圖

設(shè)發(fā)射信號為X，發(fā)射導(dǎo)向矢量為at(θ)，θ為目標(biāo)角度，設(shè)xt為到達(dá)目標(biāo)的信號，表示為：

xt=atT(θ)X

(3)

雷達(dá)接收信號為：

Y=βar(θ)xt+V

(4)

式中：β為該目標(biāo)的復(fù)散射系數(shù)；V為干擾和噪聲。

DBF板完成接收波束合成，wr為合成時的權(quán)，合成后的結(jié)果為：

(5)

合成之后，第1項參數(shù)包含xt即發(fā)射信號，對合成結(jié)果進(jìn)行脈沖綜合處理，可以得到每一路發(fā)射信號。

本文設(shè)計采用4片TMS320C6678完成脈沖綜合處理，每片數(shù)字信號處理(DSP)有8個獨立的處理核，其資源可以同時處理4個波束，同時進(jìn)行脈沖綜合、MTD、CFAR、聚心處理，處理流程如圖8所示。

2.3 Matlab仿真及DSP實現(xiàn)

對脈沖綜合處理流程進(jìn)行Matlab仿真，發(fā)射信號為連續(xù)相位編碼信號，碼元個數(shù)設(shè)為200，目標(biāo)個數(shù)設(shè)為4個，目標(biāo)多普勒頻移設(shè)為1/10重頻，4/10重頻，6/10重頻，8/10重頻，目標(biāo)距離設(shè)為16 km，21 km，26 km，29 km。圖9為回波信號的實部圖和虛部圖。圖10為回波的脈沖綜合結(jié)果圖。

圖9 回波實部和虛部

圖10 單個脈沖的脈壓結(jié)果仿真圖

4片DSP處理16個波束，每片DSP處理4個波束，本文設(shè)計脈沖綜合采用的方法是快速傅里葉變換-逆快速傅里葉變換(FFT-IFFT)。圖11顯示單個脈沖DSP處理結(jié)果、Matlab仿真結(jié)果、2種處理方式的誤差，可以看出誤差很小，量級在10-4，說明DSP處理結(jié)果正確。

圖11 脈沖綜合處理結(jié)果

3 三波束搜索跟蹤模式

認(rèn)知雷達(dá)開機后，工作在全向探測模式，在對環(huán)境進(jìn)行探測的同時，也探測到目標(biāo)，當(dāng)判斷目標(biāo)存在后，雷達(dá)轉(zhuǎn)為搜索跟蹤一體化工作模式。

三波束搜索跟蹤模式常用波束資源有3個，根據(jù)全向探測模式的處理結(jié)果，依照一定的準(zhǔn)則，選擇2個重點目標(biāo)，發(fā)射跟蹤波束，進(jìn)行跟蹤。比較簡單的基本準(zhǔn)則是選擇回波幅度最大的2個運動目標(biāo)，或者由作戰(zhàn)人員手動選擇目標(biāo)。根據(jù)目標(biāo)強度分配跟蹤波束的能量，基本準(zhǔn)則是目標(biāo)回波幅度越大，分配的波束能量越弱。

在跟蹤的同時，發(fā)射1個波束進(jìn)行搜索，采用相掃的方式進(jìn)行常規(guī)搜索。這就實現(xiàn)了搜索跟蹤一體化的作戰(zhàn)任務(wù)。

3.1 發(fā)射波形

圖12所示為搜索波束和跟蹤波束這3個波束的能量相同，最右邊為搜索波束，在-45°～45°之間相掃，當(dāng)前指向-39°方向。左邊2個為2個跟蹤波束，中間指向0°，左邊指向39°，跟蹤重點目標(biāo)。這種發(fā)射波束能量沒有進(jìn)行動態(tài)分配，一般用于剛開始跟蹤目標(biāo)時，還沒有開始資源調(diào)整。

圖12 波束能量相同

圖13所示為搜索波束和跟蹤波束這3個波束的能量不相同。最左邊為搜索波束，能量最弱，當(dāng)前指向-29°。右邊2個為跟蹤波束，中間指向9°方向，跟蹤回波幅度較大的目標(biāo)，右邊波束指向24°，波束能量最強，跟蹤幅度較小的目標(biāo)。

圖13 波束能量不同

3.2 脈沖綜合處理

搜索跟蹤一體化工作模式下，接收處理方式如上文2.2中所介紹的脈沖綜合處理算法。搜索波束方向接收合成1個波束，2個跟蹤波束方向接收各合成和差波束，用于進(jìn)行跟蹤處理，所以在該模式下，發(fā)射3個波束，接收合成5個波束，處理流程如圖14所示。

圖14 信號處理流程圖

該工作模式下，信號處理在DSP中的實現(xiàn)方式與全向探測模式類似。

4 結(jié)束語

本文介紹了認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)的架構(gòu)，描述了認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)的特點，即根據(jù)當(dāng)前的探測結(jié)果決定下一次的工作模式，改變發(fā)射波形。在三波束搜索跟蹤模式下，實現(xiàn)了1搜索+2跟蹤的三波束工作方式，達(dá)到了同時完成搜索跟蹤的目的。

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