基于PDW快速跟蹤的雷達(dá)偵察信息敏捷處理技術(shù)

鄔 誠,董春曦,伍光新,李 歸

(1. 西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院, 陜西 西安 710071)

(2. 南京電子技術(shù)研究所, 江蘇 南京 210039)

0 引 言

在現(xiàn)代信息化作戰(zhàn)過程中,對雷達(dá)輻射源目標(biāo)信息及電磁環(huán)境態(tài)勢的快速感知,為雷達(dá)電子干擾提供實時、精確的干擾信息保障,是雷達(dá)偵察信息處理的一項核心功能,是對雷達(dá)實施有效“軟火力殺傷”的關(guān)鍵[1-4]。

為提升現(xiàn)代雷達(dá)在信息化戰(zhàn)場中的生存能力,增強(qiáng)自身在復(fù)雜干擾環(huán)境中的作戰(zhàn)能力,新的技術(shù)體制、抗干擾手段以及作戰(zhàn)樣式不斷涌現(xiàn),并廣泛應(yīng)用于實戰(zhàn)。雷達(dá)為同時兼顧自身解模糊處理、相參處理等處理性能及抗干擾性能,往往具備形式多樣的脈組頻率捷變或自適應(yīng)抗干擾跳頻工作方式[5-9]。面對此類雷達(dá)輻射源信號樣式,傳統(tǒng)的干擾信息保障通常采用“信號接收-脈沖檢測-信號分選-識別威判-策略生成-目標(biāo)引導(dǎo)”串行信息處理方式,在“敏捷性”方面能力不足,造成干擾有效性大幅下降。一方面,在信息處理過程中,雷達(dá)輻射源目標(biāo)信息更新需要經(jīng)過信號分選處理,信號分選算法[10-16]往往需要對一定數(shù)量的脈沖描述字(PDW)進(jìn)行統(tǒng)計分析后,才能分離相應(yīng)的雷達(dá)脈沖序列并完成雷達(dá)頻率等參數(shù)估計,用于干擾引導(dǎo)頻率信息更新,信息處理時間偏長。在干擾引導(dǎo)頻率信息更新完成之前,多個雷達(dá)脈沖因干擾頻率不匹配而被“漏干擾”,或干擾引導(dǎo)頻率等信息更新調(diào)整完成之后,雷達(dá)可能已跳變到下一組工作頻點(diǎn),造成干擾“跟不上”的問題。另一方面,在信息處理過程中,信號分選、決策生成等處理環(huán)節(jié)過多,增加了信息處理反應(yīng)時間,導(dǎo)致干擾引導(dǎo)信息更新實時性下降,干擾信號參數(shù)更新不及時,“漏干擾”及“跟不上”等問題進(jìn)一步加劇。當(dāng)然,當(dāng)信息處理無法滿足干擾信息引導(dǎo)實時性要求時,另一種傳統(tǒng)做法是采用超寬瞬時干擾帶寬進(jìn)行頻帶覆蓋或頻點(diǎn)控守[17-18],這對干擾系統(tǒng)裝備的干擾帶寬、干擾功率提出了較高要求,研制設(shè)備量大、成本高,很難滿足未來干擾系統(tǒng)裝備高效費(fèi)比要求。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者在雷達(dá)偵察信息處理方面提出了一些新的方法[13-16,19-21],但是主要集中在信號的檢測與分選方面,對處理敏捷性提升的方法并不多見。文獻(xiàn)[21]提出了一種脈沖重復(fù)間隔(PRI)特征提取的流式處理方法。該方法改變傳統(tǒng)分選算法分批次處理PDW方式,采用流式處理方式對PDW進(jìn)行到達(dá)時間差直方圖統(tǒng)計,在一定程度上縮短了信息處理的時間,但是該方法依然未脫離直方圖統(tǒng)計分選方法的范疇。

本文從減少信息處理環(huán)節(jié)、縮短信息處理時間角度出發(fā),提出了一種基于PDW快速跟蹤的雷達(dá)偵察信息敏捷處理技術(shù)。首先構(gòu)建PDW快速跟蹤的雷達(dá)偵察信息敏捷處理架構(gòu),在此架構(gòu)基礎(chǔ)上,建立PDW快速跟蹤信息處理模型,在干擾實施過程中不經(jīng)過傳統(tǒng)信號分選、識別威判、決策生成等處理環(huán)節(jié),基于少量PDW實現(xiàn)對頻率捷變雷達(dá)輻射源參數(shù)變化的快速跟蹤和干擾信息引導(dǎo)更新,有效提升干擾信息保障過程中的雷達(dá)偵察信息處理的敏捷性。

1 處理架構(gòu)設(shè)計

為有效提升雷達(dá)偵察信息處理的敏捷性,盡可能減少信息處理環(huán)節(jié),縮短信息處理時間,實現(xiàn)目標(biāo)干擾引導(dǎo)信息的快速、準(zhǔn)確更新,在典型的“脈沖檢測-信號分選-識別威判-策略生成-目標(biāo)引導(dǎo)”串行雷達(dá)偵察信息處理架構(gòu)的基礎(chǔ)上,優(yōu)化構(gòu)建基于PDW快速跟蹤的雷達(dá)偵察信息敏捷處理架構(gòu),如圖1所示。

圖1 基于PDW快速跟蹤的雷達(dá)偵察信息敏捷處理架構(gòu)

基于PDW快速跟蹤的雷達(dá)偵察信息敏捷處理架構(gòu)包括常規(guī)偵察信息處理和PDW快速跟蹤處理兩路處理通道。兩路信息處理通道在干擾實施前后協(xié)同配合,有序交接,實現(xiàn)對被干擾雷達(dá)輻射源信息的“敏捷”處理和干擾引導(dǎo)信息的快速更新。

1)常規(guī)偵察信息處理通道

主要負(fù)責(zé)在干擾實施前,對戰(zhàn)場電磁環(huán)境進(jìn)行全面的感知和分析,生成雷達(dá)輻射源目標(biāo)及電磁態(tài)勢信息,并對重點(diǎn)及高威脅雷達(dá)輻射源目標(biāo)進(jìn)行干擾決策和目標(biāo)引導(dǎo),為干擾信號產(chǎn)生和PDW快速跟蹤處理通道提供干擾引導(dǎo)信息。常規(guī)偵察信息處理通道主要包括信號接收、脈沖檢測、信號分選、識別威判、策略生成和目標(biāo)引導(dǎo)六個功能模塊。信號接收模塊接收空間雷達(dá)輻射源信號進(jìn)行數(shù)字化處理,數(shù)字信號經(jīng)脈沖檢測模塊完成脈沖檢測及參數(shù)測量形成PDW信息,PDW信息經(jīng)信號分選后形成輻射源描述字(EDW)信息。在雷達(dá)威脅數(shù)據(jù)庫支持下,EDW信息經(jīng)識別威判模塊完成輻射源識別和威脅等級判斷,生成雷達(dá)輻射源目標(biāo)信息及電磁態(tài)勢。策略生成模塊基于雷達(dá)輻射源目標(biāo)信息及電磁態(tài)勢對重點(diǎn)、高威脅目標(biāo)干擾方案進(jìn)行決策,生成干擾決策方案,驅(qū)動目標(biāo)引導(dǎo)模塊生成干擾引導(dǎo)信息,引導(dǎo)干擾信號產(chǎn)生,實施干擾。常規(guī)偵察信息處理通道同步將干擾引導(dǎo)信息和實時PDW信息發(fā)送給PDW快速跟蹤處理通道,以供PDW快速跟蹤處理通道在干擾實施過程中高效運(yùn)行。干擾引導(dǎo)信息中包含干擾目標(biāo)頻率、到達(dá)角、脈寬、幅度等多維參數(shù)的詳細(xì)信息,可用于PDW快速跟蹤處理通道進(jìn)行PDW快速精準(zhǔn)匹配處理和確認(rèn)跟蹤。

2)PDW快速跟蹤處理通道

主要負(fù)責(zé)在干擾實施過程中,對指定被干擾雷達(dá)輻射源目標(biāo)參數(shù)變化進(jìn)行快速跟蹤感知,并根據(jù)輻射源目標(biāo)參數(shù)變化情況實施相應(yīng)的干擾引導(dǎo)信息快速更新。PDW快速跟蹤處理通道僅設(shè)計PDW快速跟蹤一個功能模塊,以盡可能地減少處理環(huán)節(jié),提升處理效率。當(dāng)接收到常規(guī)偵察信息處理通道發(fā)出的干擾引導(dǎo)信息后,PDW快速跟蹤模塊激活運(yùn)行。此時,系統(tǒng)將原來由常規(guī)偵察信息處理通道中信號分選、識別威判、決策生成三個模塊共同承擔(dān)的目標(biāo)輻射源信息更新、干擾引導(dǎo)信息更新功能授權(quán)委托給PDW快速跟蹤模塊執(zhí)行。PDW快速跟蹤模塊提取干擾引導(dǎo)信息中相應(yīng)干擾目標(biāo)多維參數(shù)的詳細(xì)信息,對常規(guī)偵察信息處理通道中脈沖檢測模塊實時檢測生成的少量PDW進(jìn)行目標(biāo)頻率、到達(dá)角、脈寬、幅度等參數(shù)的快速精準(zhǔn)匹配,并利用匹配成功的PDW對干擾目標(biāo)輻射源參數(shù)變化情況進(jìn)行確認(rèn)跟蹤,快速生成頻率、角度干擾引導(dǎo)更新信息,驅(qū)動常規(guī)偵察信息處理通道中的干擾引導(dǎo)模塊完成干擾引導(dǎo)信息指令的更新,引導(dǎo)干擾信號產(chǎn)生,及時更新干擾信號參數(shù)和干擾波束指向,實現(xiàn)對雷達(dá)輻射源目標(biāo)信號“頻率瞄得準(zhǔn)、波束指得準(zhǔn)、時間對得準(zhǔn)”的實時精準(zhǔn)干擾。

2 PDW快速跟蹤處理模型設(shè)計

基于PDW快速跟蹤的雷達(dá)偵察信息敏捷處理架構(gòu),對PDW快速跟蹤處理進(jìn)行模型設(shè)計,處理模型框圖如圖2所示。

圖2 PDW快速跟蹤處理模型框圖

圖2模型框圖中,P(t)、I為模型輸入,C(t)為模型輸出,t為信號時間變量。

P(t)定義為常規(guī)偵察信息處理通道脈沖檢測功能模塊輸出的PDW信息向量流。I定義為常規(guī)偵察信息處理通道脈沖目標(biāo)引導(dǎo)功能模塊輸出的干擾引導(dǎo)信息中所包含的干擾目標(biāo)多維參數(shù)的詳細(xì)信息向量集。C(t)定義為引導(dǎo)更新信息向量。

PDW信息向量P(t)全時間信息流數(shù)學(xué)解析表達(dá)式為

(1)

式中:N為接收機(jī)檢測脈沖的個數(shù);δ(t)為單位沖擊函數(shù);tn為第n個脈沖檢測到達(dá)時刻(n=1,2,…,N);g(tn)為第n個脈沖檢測到達(dá)時刻tn時的脈沖參數(shù)測量值。

g(tn)=(ftnDOAtnPWtnPAtn)T

(2)

式中:ftn為脈沖頻率測量值;DOAtn為脈沖到達(dá)角測量值;PWtn為脈沖寬度測量值;PAtn為脈沖幅度測量值;T為矩陣轉(zhuǎn)置。

干擾目標(biāo)多維參數(shù)的詳細(xì)信息向量集I,由常規(guī)偵察信息處理通道決策生成模塊,基于輻射源分選識別結(jié)果并考慮測量誤差等因素綜合生成,由目標(biāo)引導(dǎo)模塊通過干擾引導(dǎo)信息下發(fā),用于提供初始干擾引導(dǎo)信息、指定干擾目標(biāo)參數(shù)變化范圍及容差參數(shù)。

I=(PIPminPmaxPΔ)

(3)

PI為初始干擾頻率、角度、脈沖寬度、幅度引導(dǎo)信息。

PI=(fI0DOAI0PWI0PAI0)T

(4)

Pmin為指定干擾目標(biāo)頻率、到達(dá)角、脈沖寬度、脈沖幅度參數(shù)下限值向量。

Pmin=(fminDOAminPWminPAmin)T

(5)

Pmax為指定干擾目標(biāo)頻率、到達(dá)角、脈沖寬度、脈沖幅度參數(shù)上限值向量。

Pmax=(fmaxDOAmaxPWmaxPAmax)T

(6)

PΔ為模型處理所需的頻率、到達(dá)角、脈沖寬度、脈沖幅度指定容錯參數(shù)。

PΔ=(fΔDOAΔ00)T

(7)

式中:0表示脈沖寬度、脈沖幅度無處理容差要求。

引導(dǎo)更新信息向量C(t)包括當(dāng)前頻率引導(dǎo)信息fI(t)、當(dāng)前角度引導(dǎo)信息DOAI(t)、當(dāng)前脈寬引導(dǎo)信息PWI(t)和當(dāng)前幅度引導(dǎo)信息PAI(t),即

C(t)=(fI(t)DOAI(t)PWI(t)PAI(t))T

(8)

PDW快速跟蹤模型處理分為脈沖匹配、確認(rèn)跟蹤兩個處理子模型。

1)脈沖匹配處理子模型

指定干擾目標(biāo)輻射源當(dāng)前角度引導(dǎo)信息為DOAI(t),由確認(rèn)跟蹤子模型更新。Pmin、Pmax中的DOAmin、DOAmax隨DOAI(t)的更新而更新。

DOAmin=DOAI(t)-DOAΔ

(9)

DOAmax=DOAI(t)+DOAΔ

(10)

DOAΔ為到達(dá)角容差參數(shù),從式(7)中獲取。干擾引導(dǎo)信息下發(fā)時,DOAI(t)為初始引導(dǎo)信息,即

DOAI(t)=DOAI0

(11)

設(shè)t時刻脈沖匹配子模型處理輸出值為Y(t),對輸入的P(t)進(jìn)行流水匹配處理。 當(dāng)P(t)=0,即P(t)為零向量時,則Y(t)=-1。當(dāng)P(t)≠0,即P(t)為非零向量時,則有如下兩種結(jié)果:

(1) 若P(t)-Pmin≥0且P(t)-Pmax≤0時,則Y(t)=1。

由式(1)可知,當(dāng)且僅當(dāng)t=tn(n=1,2,…,N)時,P(t)為非零向量,則

P(t)-Pmin≥0

(12)

P(tn)-Pmin≥0

(13)

(14)

g(tn)-Pmin≥0

(15)

同理

P(t)-Pmax≤0

(16)

P(tn)-Pmax≤0

(17)

(18)

g(tn)-Pmax≤0

(19)

即當(dāng)式(15)、式(19)同時成立,則Y(t)=1。

(2) 其他情況,則Y(t)=0。

由上可知,當(dāng)Y(t)=1時,表示指定干擾雷達(dá)輻射源目標(biāo)脈沖PDW匹配成功。

2)確認(rèn)跟蹤處理子模型

確認(rèn)跟蹤處理子模型根據(jù)Y(t)輸入驅(qū)動,記Y(t)=1時的t=t′,則按照脈沖匹配輸出順序?qū)(t)=1的匹配輸出結(jié)果及對應(yīng)時間標(biāo)識的P(t)抽取處理,形成新的序列Y(t′)和P(t′)。對P(t′)按長度L進(jìn)行步進(jìn)為1的滑窗,對滑窗內(nèi)P(t′)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,輸出引導(dǎo)更新信息向量C(t),最新進(jìn)入窗內(nèi)的數(shù)據(jù)時刻為t,如圖3所示。

圖3 滑窗內(nèi)P(t′)數(shù)據(jù)處理示意圖

圖3中,對于P(t′),記L長度滑窗內(nèi)的L個PDW為

P(mq)=(fmqDOAmqPWmqPAmq)T

(20)

式中:q=1,2,…,L。對滑窗內(nèi)P(mq)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的具體處理步驟設(shè)計如下:

(1) 步驟1:跳頻模式判斷

設(shè)閾值Kc,Kc可取(L/2,L]間的整數(shù)。指定干擾目標(biāo)輻射源當(dāng)前頻率引導(dǎo)信息為fI(t)。干擾引導(dǎo)信息下發(fā)時,fI(t)為初始頻率引導(dǎo)信息,即

fI(t)=fI0

(21)

P(mq)中任意兩個P(mi)、P(mj)的脈沖頻率測量值為fmi、fmj(i、j∈[1,2,…,L],且i≠j),記同時滿足|fmi-fmj|≤fΔ、|fmi-fI(t)|>fΔ、|fmj-fI(t)|>fΔ的P(mq)個數(shù)為K(K≤L)。對應(yīng)的K個P(mq)可表示為P(mqk)(k=1,2,…,K)。fΔ為頻率容差參數(shù),從式(7)中獲取。

若K≥Kc,則確認(rèn)目標(biāo)發(fā)生成組跳頻或自適應(yīng)抗干擾跳頻,進(jìn)入步驟2。否則判為目標(biāo)未發(fā)生成組跳頻或自適應(yīng)抗干擾跳頻,步進(jìn)滑窗繼續(xù)步驟1。

(2)步驟2:參數(shù)變化跟蹤

同時更新fI(t)、DOAI(t)、PWI(t)和PAI(t),實現(xiàn)對雷達(dá)輻射源頻率、角度、脈沖寬度和幅度參數(shù)變化的快速跟蹤。

(22)

(23)

(24)

(25)

(3)步驟3:引導(dǎo)信息更新

依據(jù)式(22)～式(25)更新值,輸出引導(dǎo)更新信息向量C(t)。其中,fI(t)用于快速完成干擾頻點(diǎn)引導(dǎo)信息更新,DOAI(t)用于快速完成干擾波束指向的引導(dǎo)信息更新。完成更新后,返回步驟1步進(jìn)滑窗處理。

PDW快速跟蹤處理模型中滑窗長度L的取值與戰(zhàn)場電磁態(tài)勢信號環(huán)境復(fù)雜度相關(guān)。在確保低于一定虛警率的前提下,應(yīng)盡可能地取小。容差參數(shù)fΔ和DOAΔ則需根據(jù)偵察測量誤差指標(biāo),結(jié)合工程經(jīng)驗進(jìn)行選取。

3 數(shù)字仿真

為有效驗證基于PDW快速跟蹤的雷達(dá)偵察信息敏捷處理技術(shù)設(shè)計的有效性,指導(dǎo)裝備系統(tǒng)工程化設(shè)計和應(yīng)用,依據(jù)PDW快速跟蹤處理模型,在模擬電磁環(huán)境及指定干擾雷達(dá)輻射源參數(shù)條件下,分別針對脈組頻率捷變雷達(dá)、自適應(yīng)抗干擾跳頻雷達(dá)兩類頻率捷變雷達(dá),利用仿真軟件進(jìn)行了數(shù)字仿真。

1)仿真場景1

(1)指定干擾雷達(dá)輻射源模擬

模擬生成脈組頻率捷變雷達(dá)輻射源PDW,具體模擬仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 脈組頻率捷變雷達(dá)輻射源模擬仿真參數(shù)表

考慮仿真真實性,生成雷達(dá)PDW模擬數(shù)據(jù)時,在頻率添加均值為0、方差為1 MHz的高斯分布隨機(jī)誤差,在方位到達(dá)角添加均值為0、方差為1°的高斯分布隨機(jī)誤差,以模擬PDW測量誤差。

(2)電磁環(huán)境模擬

在8 GHz～12 GHz頻段內(nèi),模擬生成20萬/秒脈沖密度的PDW電磁環(huán)境背景,具體模擬仿真參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 電磁環(huán)境模擬仿真參數(shù)表

(3)仿真驗證結(jié)果

圖4為數(shù)字仿真模擬的脈組頻率捷變雷達(dá)輻射源PDW(紅色)和電磁環(huán)境PDW(藍(lán)色)分布情況,圖中從上到下依次為脈沖頻率測量值、到達(dá)角度測量值、脈寬測量值及幅度測量值。

圖4 脈組捷變雷達(dá)PDW與環(huán)境PDW

基于PDW快速跟蹤的雷達(dá)偵察信息敏捷處理技術(shù)的仿真處理結(jié)果如圖5、圖6所示?？紤]雷達(dá)主要變化參數(shù)為頻率值,同時工程應(yīng)用中PDW角度測量誤差相對較大,重點(diǎn)對頻率、方位引導(dǎo)信息更新結(jié)果進(jìn)行展示。圖5為頻率引導(dǎo)信息更新仿真結(jié)果。其中,由于受密集電磁環(huán)境PDW影響,匹配成功的PDW序列頻率值出現(xiàn)若干虛警點(diǎn)(紅色),但經(jīng)過確認(rèn)跟蹤子模型處理后,引導(dǎo)信息無虛警。圖6為方位引導(dǎo)信息更新仿真結(jié)果。仿真過程中雷達(dá)共跳頻24次,每次跳頻時,模型均在不大于3 200 μs的時間內(nèi)完成干擾頻率、方位引導(dǎo)信息的更新。按雷達(dá)800 μs仿真重頻參數(shù)計算,最大不超過4脈沖,可實現(xiàn)對雷達(dá)頻率捷變的快速跟蹤和干擾頻率、方位引導(dǎo)信息更新。干擾頻率、方位引導(dǎo)處理反應(yīng)時間如圖7所示。

圖5 頻率引導(dǎo)信息更新仿真結(jié)果

圖6 方位引導(dǎo)信息更新仿真結(jié)果

圖7 干擾頻率、方位引導(dǎo)處理反應(yīng)時間

2)仿真場景2

(1)指定干擾雷達(dá)輻射源模擬

模擬生成自適應(yīng)抗干擾跳頻雷達(dá)輻射源PDW,具體模擬仿真參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 自適應(yīng)抗干擾跳頻雷達(dá)輻射源模擬仿真參數(shù)表

考慮仿真真實性,生成雷達(dá)輻射源PDW數(shù)據(jù)時,同樣添加與仿真場景1相同的隨機(jī)誤差,以模擬PDW測量誤差。

(2)電磁環(huán)境模擬

在8 GHz～12 GHz頻段內(nèi),模擬生成20萬/秒脈沖密度的PDW電磁環(huán)境背景,具體模擬仿真參數(shù)與仿真場景1相同,詳見表2所示。

(3)仿真驗證結(jié)果

圖8為仿真模擬的自適應(yīng)抗干擾跳頻雷達(dá)輻射源PDW(紅色)和電磁環(huán)境PDW(藍(lán)色)分布情況,圖中從上到下依次為脈沖頻率測量值、到達(dá)角度測量值、脈寬測量值及幅度測量值。

圖8 自適應(yīng)抗干擾跳頻PDW與環(huán)境PDW

圖9、圖10為雷達(dá)偵察信息敏捷處理仿真結(jié)果。仿真過程中雷達(dá)共跳頻24次,雷達(dá)仿真重頻參數(shù)800 μs,每次跳頻時,模型均在不大于3 200 μs的時間內(nèi)完成干擾頻率、方位引導(dǎo)信息更新,干擾頻率、方位引導(dǎo)處理反應(yīng)時間如圖11所示?？梢?對于自適應(yīng)抗干擾跳頻雷達(dá)信號,本文所提技術(shù)同樣可在高密度復(fù)雜電磁環(huán)境背景下,在最大不超過4脈沖時間內(nèi),實現(xiàn)雷達(dá)輻射源頻率、方位引導(dǎo)信息的快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定更新。

圖9 自適應(yīng)抗干擾跳頻雷達(dá)頻率引導(dǎo)信息更新仿真結(jié)果

圖10 自適應(yīng)抗干擾跳頻雷達(dá)方位引導(dǎo)信息更新仿真結(jié)果

圖11 自適應(yīng)抗干擾跳頻雷達(dá)干擾頻率、方位引導(dǎo)處理反應(yīng)時間

上述數(shù)字仿真結(jié)果驗證了本文所提技術(shù)的有效性。

4 結(jié)束語

基于PDW快速跟蹤的雷達(dá)偵察信息敏捷處理技術(shù),較傳統(tǒng)的雷達(dá)偵察信息處理方法,有效減少信息處理環(huán)節(jié)、縮短信息處理時間,在干擾保障過程中,可實現(xiàn)對脈組頻率捷變、自適應(yīng)抗干擾跳頻等捷變雷達(dá)參數(shù)變化的快速、實時跟蹤和更新,大幅提升偵察信息處理的敏捷性。仿真試驗驗證了技術(shù)的有效性。