基于云模型的海用相控陣雷達總體技術評估

黃孝鵬，吳小強，袁桂生，薛春祥

(1. 中國船舶重工集團公司第七二四研究所， 南京 211153) (2. 海軍裝備研究院 博士后科研工作站， 北京 100161) (3. 海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室， 南京 210003)

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·總體工程·

基于云模型的海用相控陣雷達總體技術評估

黃孝鵬1，2，吳小強3，袁桂生1，薛春祥1

(1. 中國船舶重工集團公司第七二四研究所， 南京 211153) (2. 海軍裝備研究院 博士后科研工作站， 北京 100161) (3. 海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室， 南京 210003)

首先，通過分析海用相控陣雷達的技術發展，提出其總體技術的概念、作用意義和發展趨勢，進而闡述了總體技術評估的實際意義；然后，綜合考慮海用相控陣雷達總體技術評估的指標構建、參數獲取與定性表征等環節中產生的模糊因素和隨機因素，基于以定性概念與定量表征可轉換集結為特征的云模型方法，從指標體系構建、評估流程及計算步驟等層面研究了其總體技術評估的關鍵環節；最后，用實例驗證了云模型在海用相控陣雷達總體技術評估中的適用性。

海用相控陣雷達；總體技術評估；云模型

0 引 言

海用雷達系統作為一種可自主地、全天時、全天候獲取遠、中、近程距離目標信息的探測裝備，可遂行對海上目標的警戒、搜索、跟蹤和識別，引導防御系統和為武器系統提供目指等多種海上作戰任務，一直得到各軍事強國的重點發展，其中基于相控陣體制的海用雷達技術是海用雷達技術發展的重要趨勢[1]。

海用相控陣雷達技術是采用電子方法實現天線波束指向在空間的轉動或掃描的海用雷達技術，具有天線波束快速掃描、空間定向與空域濾波、空間功率合成、多波束形成等技術特點；并具有多功能多任務、一體化，數據率高，抗干擾能力強，可靠性高等主要工作特點[1-2]。目前，各海軍強國高度重視和大力發展自適應技術，寬帶、超寬帶相控陣技術，大功率、低成本、新材料相控陣技術等，并高度重視相控陣總體技術的研發。典型裝備有美國的艦載SPY-1系列雷達，DDG1000艦配系的SPY-3雷達、“福特”級航母配系的雙波段雷達，法國的ARABEL和TRISKEL雷達，俄羅斯的“天空哨兵”、CCB-33雷達等[3]。

海用相控陣雷達總體技術是基于相控陣雷達原理，采用系統工程、仿真技術等手段，對海用相控陣雷達裝備研制過程中總體方案、指標體系、性能試驗驗證等進行分析與設計的綜合性技術。它是雷達系統開展技術需求分析、技術方案論證、技術研制設計以及規范整個雷達設計研制的基礎，總體技術設計合理與否直接影響系統技術性能、戰術功能和作戰效能。海用相控陣雷達總體技術的發展態勢主要體現在：(1)技術體制從三坐標向一體化等方向發展；(2)結合系統科學的最新研究進展，系統頂層分析與論證技術向體系工程等方向發展；(3)總體仿真設計技術緊貼實戰需求，向基于高層體系結構/數據分發服務(HLA/DDS)的高性能、強實時、智能化、多粒度、半實物仿真等方向發展；(4)性能試驗驗證技術向仿真和實兵結合、面向實戰能力的檢驗、接近實戰的環境、單設備和體系結合等方向發展。

海用相控陣雷達的總體技術評估體系構建是其研制過程中的重點和難點，通過總體技術評估，尋找整個總體技術鏈條中的關鍵、薄弱環節以挖掘制約系統技術性能、戰術功能和作戰效能的要素，有利于提高系統設計和使用水平。根據相關文獻資料，海用相控陣雷達技術研究主要集中在綜合射頻、T/R、資源調度、信息處理等關鍵技術層面[2]，針對海用相控陣雷達總體技術評估開展的相關研究較少，關注程度不夠。因此，開展海用相控陣雷達總體技術評估具有較強的實際意義。

目前的評估理論和方法通常可分為定性、定量評估及定性定量相結合等類型。不同的評估方法有不同的適用邊界。綜合考慮海用相控陣雷達總體技術評估的指標構建、參數獲取、定性表征等環節產生的模糊因素和隨機因素，本文采用云模型方法評估海用相控陣雷達總體技術，較好地實現了定性概念與定量表示間的相互轉換集結，并較大限度地挖掘了不確定信息，具有科學性和可操作性，方法特征和問題特征比較適配。

1 云模型相關概念

因現有理論在描述自然實踐中的隨機性、模糊性等不確定性特征不足，我國著名學者李德毅院士提出了云理論[4]。云是用自然語言值表示的某個定性概念與其定量表征之間的不確定轉換集結模型，給出了定量表示能夠表征定性概念的確定程度[5]。云模型法綜合考慮了信息的模糊性與隨機性，為定性定量轉換集結的信息處理方法和具有不確定性的復雜系統建模、控制、優化決策及評估等提供有效技術支撐。

定義1 云和云滴。設U={x}是一個用數值表示的定量論域，T是U域上的定性概念，若定量值x∈[0,1]對T的隸屬度μT(x)稱是有穩定傾向的隨機數，即μ：U→[0,1]，?x∈U，x→μ(x)，則x在論域U上的分布稱為云，記為C(x)。每一個x稱為一個云滴。若概念對應的論域為n維空間，則可拓展至n維云。

定義2 云的數字特征。云模型的數字特征反映了定性概念的定量特征。通過期望 (Expected Value)、熵 (Entropy)和超熵He(Hyper Entropy)三個數值來構造云的特征向量，以表征定性概念的整體特性，具體計算方法見文獻[4-7]。以下的研究主要是從一維正態云模型的角度出發展開的。

定義3 云發生器。通過正向發生器(Forward Cloud Generator)和逆向云發生器(Backward Cloud Generator)分別實現概念空間到數值空間，以及定量值到定性概念的轉換。

定義4 云重心。云重心可表示為T=a×b，其中a、b分別表示位置、高度。期望值Ex反映了相應模糊概念的信息中心值，即云重心的位置。期望值相同的云可通過比較云重心高度來區分其重要性。一般情況下，云重心的高度取常值0.371，其變化情況可反映出系統狀態信息的變化態勢。

2 指標體系構建

根據系統工程相關理論，指標體系構建應遵循完備性、客觀性、一致性、敏感性、可鑒別性、可測性等原則，研究海用相控陣雷達總體技術評估，主要從總體技術論證與分析水平、總體技術研發與管理水平、總體技術驗證水平等視域出發。其中，總體技術論證與分析水平是指對雷達功能進行仿真以研究系統論證分析與設計過程中的系統指標、技術實現途徑、信息處理流程和信息共享機制等問題的技術；總體技術管理與研發水平通過采用雷達總體仿真技術對雷達功能進行仿真，為系統的開發、設計提供技術支撐，以確保系統方案設計優化、正確，實現對系統指標的合理分配以及對方案和設計參數的優化選擇，達到(最)優化設計；性能試驗驗證技術是指應用系統工程方法，將實兵試驗與仿真技術有機結合起來，研究試驗和評估方法，構建試驗和測試環境，評估雷達系統(或單裝備)功能和性能的技術。通過合理的試驗測試，評估被試系統是否達到設計要求，并為系統或裝備實戰應用以及后續裝備的發展提供規劃指導和發展建議。

因此，本文設計了技術需求分析準確性、技術體制選擇合理性、技術架構可實現性、技術方案選擇合理性等指標體系，如圖1所示。當然，指標體系設計可根據具體需求進行自適應擴展、改進或裁剪。

3 評估流程和計算步驟

3.1 評估流程

在具體的評估過程中，海用相控陣雷達總體技術評估步驟如下：

步驟1 評估開始，根據總體技術評估的任務需求，在海用雷達相控陣總體技術分析的基礎上，明確評估目標和選擇評估準則；

步驟2 選用適配的評估方法；

步驟3 依據需求，構建評估指標體系；

步驟4 建立評估模型；

步驟5 確定評估參數；

步驟6 分析評估結果，提出有價值的建議，否則轉步驟1。

海用相控陣雷達總體技術評估流程，如圖2所示。

選擇合適的海用相控陣雷達總體技術評估準則，是評估的基礎，直接關系到評估的科學性和合理可行性，可遵循整體性、目的性、層次性和控制反饋性等原則，本文選取通用準則。

3.2 模型計算步驟

總體技術評估方法主要要素有指標集U、權重因子集W和評語集V，其中W和V的元素是隸屬云，并不完全是精確值。基于云模型的評估步驟如下[8-12]：

步驟1 求各指標的云模型表征

提取某指標下n組數據構建矩陣，可用一個云模型表征n個精確數值指標，則

Ex=(Ex1+Ex2+…+Exn)/n

(1)

En= (max(Ex1,Ex2,…,Exn)-

min(Ex1,Ex2,…,Exn))/6

(2)

若針對某語言值型指標，可用一維綜合云來表征n個語言值(云模型)指標，則

Ex= (Ex1En1+Ex2En2+…+ExnEnn)/

(En1+En2+…+Enn)

(3)

En=En1+En2+…+Enn

(4)

式中：當指標為精確數值型時，Ex1～Exn為各指標量的值；當指標為語言值型時，Ex1～Exn和En1～Enn分別為各指標云模型的期望和熵。

步驟2 求P維綜合云的重心向量

步驟3 確定各指標的權重

權重的確定方法有很多，如AHP法、環比法、FD法、區間估計法、Delphi法等，上述方法各有適用范圍。經深入分析海用相控陣雷達總體技術評價指標存在義項交叉、重疊等復雜特征，本文擬采取以下方法計算

(5)

式中：n為指標數；i為排隊等級。再將Wi歸一化可得權重向量W*。

步驟4 計算加權偏離度θ

(6)

歸一化后，表征系統狀態的綜合云重心向量為有大小、方向、無量綱的值。然后計算加權偏離度θ(0≤θ≤1)

(7)

步驟5 用云模型實現評測的評語集

采用由11個評語所組成的評語集

V=(V1,V2,…,Vp)=(Vi|i=1,2,…,11)

(8)

將11個評語集置于連續的語言值標尺上，且每個評語集都用云模型來實現，構建基于定性評測的云發生器，如圖3所示。將系統的理想狀態視為極好，值越小就表示系統的狀態與理想狀態越接近。

圖3 定性評測的云發生器

針對總體技術評價，將求得的θ值輸入評測云發生器中，即輸出評語值，而此期望值對應的定性表述可由專家或用戶另外給出。同時評估指標參數獲取方式一是通過專家組評審獲得語言值信息；二是通過試驗和仿真測試獲得。

4 實例

采用圖1給出的指標體系，結合云模型的計算步驟，針對海用相控陣雷達總體技術評估需求，指標參數獲取主要采取專家組評審法，將語言定性信息(極好、非常好、很好、較好、好、一般、差、較差、很差、非常差、無)量化為(10，9，8，7，6，5，4，3，2，1，0)，如“很好、較好”對應的值分別為8、7，分析計算結果如下：

(1)給出總體技術論證與分析水平的評估矩陣

期望值為[10 10 10 10]、排隊等級為[1 2 1 2]，計算可得云模型結果為

C1= [(8.20,0.33,0.17) (8.40,0.17,0.17)

(8.60,0.17,0.17) (9.00,0,0.17)]

(9)

(2)給出總體技術研發與管理水平的評估矩陣

期望值為[10 10 10 10]、排隊等級為[1 2 1 2]，計算可得云模型結果

C2= [(9.00,0.33,0.10) (9.4,0.17,0.10)

(9.20,0.33,0.10) (8.60,0.33,0.10)]

(10)

(3)給出總體技術驗證水平的評估矩陣

期望值為[10 10 10 10]、排隊等級為[1 2 1 2]，計算可得云模型結果

C3= [(8.60,0.17,0.16) (8.80,0.17,0.16)

(8.60,0.17,0.16) (8.40,0.17,0.16)]

(11)

因分偏離度θ1=0.17，θ2=0.10，θ3=0.16，對照定性評測云發生器，分別激活“非常好”和“很好”等云對象，總體技術論證和分析水平介于“非常好”和“很好”間，傾向于“很好”；總體技術研發和管理水平介于“非常好”和“很好”間，傾向于“非常好”；總體技術驗證水平介于“非常好”和“很好”間，傾向于“很好”。

針對分偏離度向量D=[0.17 0.1 0.16]，排隊等級[1 2 2]，云模型計算結果：0.147 6。對照定性評測云發生器，海用相控陣雷達總體技術介于“非常好”和“很好”間，傾向于“非常好”，該語言評判值，較符合人的認知方式和語言表述習慣，具有直觀性。

5 結束語

本文結合海用相控陣雷達總體技術的內涵與特征，考慮海用相控陣雷達總體技術評估過程中出現的模糊因素和隨機因素，采用云模型進行海用相控陣雷達總體技術評估，并通過案例驗證了本方法的適用性，但仍有很多理論和實踐問題值得進一步深入研究，如評估過程中產生的不確定性分析以及指標參數的靈敏度分析等。

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黃孝鵬 男，1981年生，博士，高級工程師。研究方向為雷達系統總體技術與仿真、系統工程等。

Evaluation of Overall Technology of Marine Phased Array Radar based on Colud Model

HUANG Xiaopeng1,2，WU Xiaoqiang3，YUAN Guisheng1，XUE Chunxiang1

(1. No.724 Research Institute of CSIC,, Nanjing 211153, China) (2. Postdoctoral Research Station, Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China) (3. Military Representatives Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003, China)

According to the development of the technologies of the marine phased array radar, the connotation, functions, significance and development trend of the overall technology are given, and the pratical significance of evaluation system is also discussed. Then, considering the fuzzy and random factors generated in the evaluation steps of index construction, parameter acquistion, qualitative representation into consideration, some key points of the evaluation of the overall technology of the marine phased array radar are studied in terms of the construction of the index system, evaluation flow, calculation steps based on the cloud model. The cloud model is characteristic of qualitative concept and quantitative expression featured as transformable aggregation. Finally, the model is verified to be applicable through an example.

marine phased array radar; evaluation of overall technology; cloud model

黃孝鵬 Email：hxiaopengnju@126.com

2015-04-27

2015-07-21

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.09.001

TN959

A

1004-7859(2015)09-0001-04