雷達偵察設備建模中的目標識別算法

張高峰,陳志剛

(中國人民解放軍91336部隊,河北秦皇島 066326)

隨著信息技術的不斷發(fā)展,雷達已經(jīng)成為預警探測和火力控制等作戰(zhàn)行動的重要傳感器,雷達及雷達對抗的技術水平是一支軍隊戰(zhàn)斗力高低的重要衡量指標,雷達對抗在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的地位日益突出[1-2]。在海戰(zhàn)場環(huán)境下,水面艦艇為防止被雷達鎖定而受到導彈攻擊,將對敵方機載搜索雷達和導彈末制導雷達實施電子干擾作為防空反導作戰(zhàn)的一項重要作戰(zhàn)任務[3]。有效的電子干擾建立在準確的雷達信號偵收和識別基礎上,需要雷達偵察設備從密集、交疊、寬頻譜的海戰(zhàn)場電磁信號中準確識別出威脅目標,并引導電子干擾[4]。如何快速獲取雷達信息,并對威脅信號及時識別判斷,對于取得戰(zhàn)場優(yōu)勢是十分重要的。

本文重點研究在海戰(zhàn)場作戰(zhàn)方案仿真推演應用背景下,艦載雷達偵察設備建模中的雷達識別算法。首先分析了雷達偵察設備的建模需求,介紹了雷達偵察設備模型的總體運行流程,然后對基于雷達情報數(shù)據(jù)庫的目標識別和基于雷達特征參數(shù)的目標識別兩種雷達偵察目標識別算法進行了詳細描述。

1 仿真推演中的雷達偵察設備建模需求

在海戰(zhàn)場作戰(zhàn)方案仿真推演中,雷達偵察設備模型主要用于電子對抗作戰(zhàn)運用推演環(huán)節(jié)。設置不同的作戰(zhàn)條件,在敵我雙方電子武器裝備型號和性能確定的前提下,利用仿真模型準確模擬敵我雙方電子武器的技術性能、作戰(zhàn)流程和對抗效果,在仿真對抗的過程中不斷優(yōu)化電子對抗方案,不斷強化指揮員對作戰(zhàn)指揮過程的熟悉程度,使得電子對抗方案更趨合理,也使得指揮員在實際作戰(zhàn)指揮過程中能做到心中有數(shù)、從容應對,是作戰(zhàn)方案仿真推演在電子對抗作戰(zhàn)運用推演環(huán)節(jié)的主要目的[5-6]。

根據(jù)上述對雷達偵察設備模型應用環(huán)境的分析,結(jié)合實際裝備的功能、工作方式、顯控需求和環(huán)境影響因素,可得出如下具體模擬需求:

1) 需要模擬雷達偵察設備的主要戰(zhàn)術功能和工作過程,包括對雷達信號的截獲、識別、威脅判斷、告警和干擾引導。

2) 需要模擬指定型號雷達偵察設備的技術指標,如信號偵收頻段、靈敏度、動態(tài)范圍、測頻測向精度、告警反應時間等。

3) 需要能夠顯示雷達信號接收、識別和告警等情況,能夠控制設備工作狀態(tài),能夠響應導調(diào)控制指令。

4) 需要體現(xiàn)自然環(huán)境對設備工作過程的影響,如:大氣傳輸衰減和地球曲率對雷達信號偵收的影響,海情對設備工作穩(wěn)定性的影響等。

通過上述需求分析,基于相似性原理和適當簡化的考慮,應將雷達偵察設備模型的粒度定位在功能機理級[7],著重對雷達偵察設備的戰(zhàn)術功能和主要工作流程進行模擬。在雷達偵察目標識別模擬方面,以能夠從復雜的雷達信號環(huán)境中及時準確識別出威脅雷達為目標,研究相應的目標識別算法并實現(xiàn)為軟件模塊,并按照具體功能模塊來組織模型結(jié)構(gòu),而不對雷達偵察設備實裝的測頻測向接收機、信號處理機、情報處理機等信號識別相關單元進行逐一精細模擬。不同型號雷達偵察設備的戰(zhàn)術功能和工作流程大致相同,因此對于不同型號雷達偵察設備的模擬,可通過為通用算法模型裝訂不同性能參數(shù)的方式來實現(xiàn)。

2 雷達偵察設備模型運行流程

根據(jù)雷達偵察設備的主要戰(zhàn)術功能和模擬需求,雷達偵察設備模型的總體運行流程如圖1所示。

圖1 雷達偵察設備模型運行流程

圖1描述了雷達偵察設備模型在一個仿真周期內(nèi)對單個雷達信號的處理流程。雷達偵察設備模型完成作戰(zhàn)想定參數(shù)、性能參數(shù)和內(nèi)部變量初始化后,提取搭載平臺位置信息,并實時接收雷達信號信息并存儲。在判定設備狀態(tài)正常后,進入雷達信號截獲計算流程,主要是依據(jù)雷達偵察設備的性能參數(shù)、雷達信號參數(shù)和相對位置關系,從頻域、能域和空域三個維度綜合判定某雷達信號是否能夠被偵察機截獲[8-9],并對截獲后的雷達威脅目標建批。判定某雷達信號可被截獲后,進入雷達信號識別計算流程,首先通過情報數(shù)據(jù)庫匹配方式得出雷達的用途、搭載平臺類型、威脅等級和推薦干擾樣式等識別信息,如果數(shù)據(jù)庫匹配沒有成功,則基于雷達的特征參數(shù)進行目標識別,如圖2所示。

圖2 雷達偵察設備目標識別流程

其中,基于雷達特征參數(shù)的目標識別又分為基于雷達類型的目標識別和基于目標威脅度計算的目標識別。

3 基于雷達情報數(shù)據(jù)庫的目標識別算法

基于數(shù)據(jù)庫的識別是指用接收到的雷達信號與雷達情報數(shù)據(jù)庫中的情報數(shù)據(jù)進行參數(shù)匹配,如果雷達信號在雷達情報數(shù)據(jù)庫有匹配數(shù)據(jù)記錄,則從該條數(shù)據(jù)記錄中讀取雷達識別信息[10]。雷達情報數(shù)據(jù)庫內(nèi)容示例見表1。

表1 雷達情報數(shù)據(jù)庫內(nèi)容示例

表1中,第1-4項參數(shù)屬于雷達信號匹配參數(shù),第5-10項參數(shù)屬于雷達信號識別結(jié)果參數(shù),識別結(jié)果參數(shù)均為枚舉數(shù)據(jù)類型,以威脅等級為例,其識別結(jié)果分為4級,分別為高威脅、中威脅、低威脅和無威脅,雷達威脅等級與雷達的使用目的和所執(zhí)行的任務相關。

通過計算雷達信號與數(shù)據(jù)庫表中信號隸屬度的方式來進行信號匹配,需要分別針對信號射頻值、重頻值和脈寬值進行隸屬度計算。

射頻隸屬度UF為

UF=CF/RF

(1)

重頻隸屬度UP為

UP=PRI/(103/0.1RP)

(2)

脈寬隸屬度UW為

UW=PW/0.01RW

(3)

式(1)-(3)中,CF、PRI、PW分別為雷達偵察設備偵收到的雷達信號的射頻值(單位:GHz)、重頻值(單位:kHz)和脈寬值(單位:μs),RF、RP、RW分別為數(shù)據(jù)庫中存儲的某部雷達信號的射頻值(單位:GHz)、脈沖重復間隔值(單位:0.1 μs)和脈寬值(單位:0.01 μs)。當UF、UP、UW中任一值大于1時,取其倒數(shù)。

雷達信號的總隸屬度U為

U=δ1·UF+δ2·UP+δ3·UW

(4)

式(4)中,δ1、δ2、δ3分別為射頻、重頻、脈寬隸屬的權(quán)重系數(shù),δ1+δ2+δ3=1。

在計算總隸屬度U時,采用專家評判方法得到3個隸屬度的權(quán)重向量為

(δ1,δ2,δ3)T=(0.4,0.4,0.2)T

(5)

假設數(shù)據(jù)庫中有N條記錄,則可得到N個隸屬度,取N個隸屬度的最大值為U,如果U大于設定閾值,則信號匹配成功[11]。

4 基于雷達特征參數(shù)的目標識別算法

當雷達情報數(shù)據(jù)庫中沒有與目標雷達信號相匹配的記錄時,只能基于雷達的特征參數(shù)進行目標識別,基于特征參數(shù)的目標識別主要用于得出目標雷達的威脅等級[12],其識別結(jié)果沒有基于數(shù)據(jù)庫的識別結(jié)果全面。

4.1 基于雷達類型的威脅等級判定

在已知雷達類型或者通過雷達信號參數(shù)能夠判別出雷達類型的情況下,可以依據(jù)雷達威脅程度與雷達類型的相關性,得出雷達的威脅等級[13],雷達類型與威脅等級的對應關系見表2。

表2 雷達類型與威脅等級的對應關系

4.2 基于威脅度模型的威脅等級判定

在不能判別目標雷達的用途和類型的情況下,選取與雷達威脅程度密切相關的幾個雷達信號參數(shù),通過威脅評估模型計算得出針對不同參數(shù)的量化的威脅度,確定各參數(shù)的權(quán)重系數(shù)后,可得到雷達偵察目標的總威脅度,從而對應得出雷達的威脅等級。威脅評估計算所涉及的雷達信號參數(shù)包括:重頻O1(單位:kHz)、方位O2(單位:°)、脈寬O3(單位:μs)、射頻O4(單位:GHz)。

雷達偵察目標總威脅度μ(O)為

μ(O)=ω1μ(O1)+ω2μ(O2)+ω3μ(O3)+ω4μ(O4)

(6)

式(6)中,μ(O1)、μ(O2)、μ(O3)、μ(O4)分別為重頻O1、方位O2、脈寬O3、射頻O4的威脅度,ω1、ω2、ω3、ω4分別為4個威脅度的權(quán)重系數(shù)。其中

ω1+ω2+ω3+ω4=1

(7)

4.2.1 重頻威脅評估

雷達信號的脈沖重復頻率(簡稱重頻)小于0.1 kHz時,可認為該部雷達的威脅很小,甚至對于這類雷達的威脅可以不予考慮。但是當雷達信號的重頻大于0.1 kHz時,這類雷達的威脅程度會隨著重頻的不斷增大而快速提高[14]。因此,確定重頻威脅度μ(O1)的計算式為

(8)

4.2.2 方位威脅評估

雷達方位指從正北方向順時針計量至雷達位置點與雷達偵察設備位置點連線在水平面投影的角度,取值范圍為[0°, 360°)。目標方位的改變速度與雷達威脅程度相關,將方位改變速度分為三種:方位恒定、方位緩變和方位快變。方位恒定時,可推斷敵方雷達已實現(xiàn)對目標的穩(wěn)定跟蹤,此類雷達的威脅程度最高;方位快變時,可推斷是快速移動的飛機平臺搭載的雷達正在進行目標搜索,此類雷達的威脅程度較高;方位緩變時,可推斷是慢速移動的艦艇平臺搭載的雷達正在進行目標搜索,此類雷達的威脅程度較低[15]。因此,確定方位威脅度μ(O2)的計算式為

(9)

4.2.3 脈寬威脅評估

雷達的威脅程度隨著雷達信號脈寬的不斷降低而逐漸變大,脈寬越趨于0,威脅越大;當雷達信號的脈寬不斷增大時,威脅逐漸變小。因此,確定脈寬威脅度μ(O3)的計算式為

(10)

4.2.4 射頻威脅評估

雷達的威脅程度隨著雷達信號射頻的不斷增大而逐漸提高,可將雷達信號射頻值由小至大劃分為4個區(qū)間,每個區(qū)間對應一個威脅度[16]。因此,確定射頻威脅度μ(O4)的計算式為

(11)

式(11)中,射頻O4的單位為吉赫茲(GHz)。

4.2.5 威脅等級判定

針對某目標雷達,將雷達偵察設備偵收到的和經(jīng)過累積分析得出的參數(shù)代入式(8)、(9)、(10)、(11)中,可計算出重頻O1、方位O2、脈寬O3、射頻O4的威脅度,將4個威脅度值代入式(6)中,可得到雷達偵察目標的總威脅度。

在計算總威脅度時,采用專家評判方法和對數(shù)回歸方法[14-16]得到4個威脅度的權(quán)重向量為

(ω1,ω2,ω3,ω4)T=(0.48,0.24,0.17,0.11)T

(12)

計算得出雷達偵察目標的總威脅度以后,可以根據(jù)雷達的總威脅度和威脅等級的對應關系得到雷達的威脅等級[17]。在總威脅度向威脅等級對應時,首先采用典型雷達的特征參數(shù)計算出不同威脅度的分級閾值,然后將威脅度從0至1劃分為不同區(qū)間,各區(qū)間均對應一個威脅等級?？偼{度到威脅等級的對應算法為

(13)

式(13)中,0.812是根據(jù)導彈制導雷達參數(shù)計算得到的,0.653是根據(jù)多功能雷達參數(shù)計算得到的,0.385是根據(jù)目標指示雷達參數(shù)計算得到的。

4.2.6 實例分析

假設在仿真推演過程中的某時刻,雷達偵察設備偵收截獲到3部雷達信號i(i=1,2,3),各雷達信號的參數(shù)見表3。

表3 某仿真時刻截獲到的雷達信號參數(shù)情況

將表3中的各雷達信號參數(shù)代入式(8)、(9)、(10)、(11)中,可得到各雷達的重頻O1、方位O2、脈寬O3、射頻O4的威脅度μi1、μi2、μi3和μi4,見表4。

表4 雷達信號各參數(shù)威脅度計算結(jié)果

利用式(6)和式(12)可得到雷達偵察目標i(i=1,2,3)的總威脅度μi,見表5。

表5 各雷達偵察目標總威脅度

根據(jù)式(13)和表5可得到雷達偵察目標i(i=1,2,3)的威脅等級,見表6。

表6 各雷達偵察目標威脅等級

如表6所示,對3個雷達偵察目標的威脅等級判定結(jié)果為:目標1的威脅等級為高威脅,目標2的威脅等級為低威脅,目標3的威脅等級為無威脅。

5 結(jié)束語

目標識別算法研究是雷達偵察設備研制及建模與仿真的重要研究內(nèi)容[18-20],本文從仿真推演的建模需求出發(fā),提出了基于雷達情報數(shù)據(jù)庫的目標識別算法和基于雷達特征參數(shù)的目標識別算法。在基于雷達情報數(shù)據(jù)庫的目標識別算法中,綜合分析雷達信號的射頻、重頻和脈寬隸屬度,建立了雷達信號隸屬度模型;在基于雷達特征參數(shù)的目標識別算法中,提出了雷達類型與威脅等級的對應關系,綜合考慮雷達信號的重頻、方位、脈寬和射頻及其變化情況對雷達威脅程度的影響,建立了雷達偵察目標威脅評估模型,提出了雷達威脅度到威脅等級的對應方法。

本文提出的雷達偵察目標識別算法已經(jīng)應用于海戰(zhàn)場作戰(zhàn)方案仿真推演的雷達偵察設備建模中,在推演任務保障過程中,雷達偵察設備模型能夠在復雜的雷達信號環(huán)境中及時準確地完成目標識別,合理引導對目標雷達進行電子干擾,證明本文提出的目標識別算法能夠滿足復雜電磁環(huán)境下的目標識別需求,能夠適用于已有數(shù)據(jù)支持的情報目標和無經(jīng)驗數(shù)據(jù)支持的新目標的識別。該目標識別算法對于雷達偵察實際裝備的研制具有借鑒意義,對于其他仿真系統(tǒng)的建設具有推廣應用價值。