高頻認知信息系統(tǒng)環(huán)境感知與架構(gòu)設計

漆家輝,陳建文,鮑 拯

(1.空軍預警學院研究生管理大隊,湖北武漢430019;2.空軍預警學院,湖北武漢430019)

高頻認知信息系統(tǒng)環(huán)境感知與架構(gòu)設計

漆家輝1,陳建文2,鮑 拯2

(1.空軍預警學院研究生管理大隊,湖北武漢430019;2.空軍預警學院,湖北武漢430019)

認知雷達作為一種新型雷達概念,可全面提升雷達系統(tǒng)能力,是雷達技術(shù)發(fā)展的重要方向。針對天波超視距雷達小、慢、低可探測目標檢測和現(xiàn)有軟、硬件系統(tǒng)性能限制等難題,探討了認知天波超視距雷達的高頻認知信息系統(tǒng)實時環(huán)境感知機制,仿真分析了天波雷達外部環(huán)境的復雜多樣性,分析了提升系統(tǒng)主動適應外部環(huán)境非平穩(wěn)變化能力的方法,給出了層次化的感知與探測一體化系統(tǒng)架構(gòu)設計,為認知天波超視距雷達智能信息處理系統(tǒng)研制與算法研究提供參考。

認知天波超視距雷達(COTHR);高頻認知信息系統(tǒng);分層處理結(jié)構(gòu);系統(tǒng)架構(gòu)

0 引 言

天波超視距雷達(Skywave Over-the-Horizon Radar,OTHR)是利用電磁波經(jīng)過電離層折射、后向返回散射實現(xiàn)飛機、大中型海面艦船、巡航導彈、主動段彈道導彈和核爆炸等目標的超視距下視探測的高頻雷達裝備。單個OTHR可對500多萬平方公里電離層以下空、海域進行監(jiān)視,具有視距以外的遠程預警探測能力和良好的低空、隱身目標探測能力,戰(zhàn)略預警價值突出[1-2],在海洋遙感[3]、緝拿走私[4]、交通管制等領(lǐng)域也有廣泛應用。在相控陣體制基礎上,OTHR發(fā)射信號采用線性調(diào)頻連續(xù)波固定信號形式,經(jīng)過數(shù)十年研究,系統(tǒng)理論已基本完備成熟,但仍然存在發(fā)展瓶頸與不足,主要是系統(tǒng)性能嚴重依賴電離層狀態(tài)、海況和外部電磁環(huán)境,限制了電離層污染和復雜電磁環(huán)境下小、慢、低可探測目標檢測性能的提升。環(huán)境影響因素與目標本身特性及所處外部環(huán)境交織在一起,造成許多重要目標觀測困難,小型空中目標與慢速大中型艦船目標檢測已成為天波超視距雷達檢測難題。OTHR先感知電離層狀態(tài)后探測目標的工作模式只能被動地應對環(huán)境變化,響應不夠靈活且調(diào)整內(nèi)容相對單一,在外部環(huán)境平穩(wěn)的狀況下,尚可保證目標探測的順利進行,但在電離層狀態(tài)非平穩(wěn)、外部環(huán)境變化不規(guī)則時,系統(tǒng)探測性能便會大幅下降,導致大中型艦船、小型飛機、巡航導彈等目標檢測困難。因此,從新思路著手,改進當前環(huán)境感知與應對機制,降低天波超視距雷達對外部環(huán)境的依賴,改善目標探測性能,需對現(xiàn)有天波超視距雷達“被動適應”的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信息處理機制進行改變,代之以預測環(huán)境變化并進行匹配的主動方式。以發(fā)射、接收全自適應為手段的認知雷達理論[5-7]為解決該問題提供了思路。

認知天波超視距雷達研究已有報道,文獻[8]提出了認知天波超視距雷達(Cognitive Over-the-Horizon Radar,COTHR)概念,將電離層先驗信息納入系統(tǒng)中,提高了OTHR的環(huán)境適應能力。文獻[9]考慮到電離層色散效應的影響,提出認知天波超視距雷達的精細化電離層數(shù)學模型。文獻[10]提出了一種混合式網(wǎng)絡系統(tǒng)架構(gòu),并基于透鏡原理設計了認知天波超視距雷達信息處理架構(gòu)以及處理流程。文獻[11]提出了一種基于匹配濾波器輸出最大SINR的準則和相似度條件下設計發(fā)射波形算法,并仿真驗證該算法具有干擾抑制的能力。從目前研究進展可以看出,認知天波超視距雷達理論已初見端倪,具有很高的研究價值。本文給出了高頻認知信息系統(tǒng)實時環(huán)境感知機制,結(jié)合仿真分析了天波雷達外部環(huán)境的復雜性,并提出了層次化認知天波超視距雷達的系統(tǒng)架構(gòu)和信號處理體系。

1 高頻認知信息系統(tǒng)實時環(huán)境感知機制

與天波超視距雷達只從回波中提取目標信息不同,認知天波超視距雷達通過接收陣列單元實時感知外部環(huán)境信息,從回波中提取到環(huán)境信息,如干擾、雜波和電離層信息,在其他輔助感知器的配合下,提取感知環(huán)境信息更新綜合知識庫,并實時調(diào)整發(fā)射波形參數(shù),可極大地提高信號處理性能,增大低可探測目標的發(fā)現(xiàn)概率。下面按照干擾、雜波和電離層的順序說明高頻認知信息系統(tǒng)的外部環(huán)境實時感知方法。

外部環(huán)境的干擾來源于通信干擾、電臺干擾和自然干擾,其表現(xiàn)形式為點干擾,如圖1所示,干擾頻點密集,在5～16 MHz頻段抬高了回波信號基底,阻塞了部分頻段。為了尋找可使用的頻率范圍,減少干擾對系統(tǒng)性能的影響,需要一種能夠?qū)崟r感知外部干擾的方法。

圖1 高頻段電臺與工業(yè)干擾頻譜全景示意圖

不同于天波超視距雷達通過頻率監(jiān)視系統(tǒng)(FMS)監(jiān)視外部環(huán)境干擾信息,認知天波超視距雷達采用目標探測與環(huán)境感知一體化架構(gòu),可通過接收陣列時分復用監(jiān)視外部環(huán)境,但由于目標探測與環(huán)境感知主通道共用一套接收設備,需要優(yōu)化目標探測與環(huán)境感知的資源分配策略。分析頻譜圖獲知干擾頻點信息,接收陣列收到的電磁波經(jīng)過信號處理后,在頻譜圖上可以觀測到干擾頻點信息,感知的干擾頻點信息可實時反映外部環(huán)境干擾頻點變化趨勢,大大增強了系統(tǒng)對干擾的感知能力。在實時感知干擾信息后,系統(tǒng)通過選擇“干凈”(即沒有干擾的頻率范圍)的頻段,調(diào)整發(fā)射波形工作頻率,減少干擾對系統(tǒng)性能的影響,另外感知的干擾信息也可作為干擾抑制算法的先驗信息,增強信號處理中干擾抑制算法的有效性。

慢速大中型艦船目標容易被海雜波淹沒,為了檢測出目標,天波超視距雷達在信號處理時,采用雜波抑制算法,但往往因為海雜波信息不符合真實環(huán)境海雜波而導致算法失去有效性。因此,雜波抑制處理方法需要準確的雜波信息降低虛警概率。認知天波超視距雷達通過接收端實時感知外部環(huán)境,分析回波的雜波分布圖,提取所需雜波信息,實時更新雜波圖,可以使得所感知雜波信息更加接近真實環(huán)境。為了進一步提高信息利用效率,首先對雜波信息進行預處理,這里只保留雜波信息,不關(guān)心目標信息,下面采取3個步驟提取雜波信息,使得感知的雜波信息貼合實際,完善地/海雜波圖庫。

1)確定主要信息區(qū)域。通過消去雜波分布圖中除了海雜波區(qū)域的其他區(qū)域,確定主要雜波區(qū)域,能夠有效地減小數(shù)據(jù)量和提高檢測準確度,進一步在使用雜波抑制處理方法時減小虛警概率。

2)消除島嶼及固定雜波峰值。島嶼雜波會出現(xiàn)在雜波圖零多普勒或者近零多普勒區(qū)域,通過雜波分布圖和地理知識確定來自島嶼的雜波,排除其對目標的影響。特別地,長期感知環(huán)境確定島嶼和地面雜波信息,消除其峰值能夠有效地排除假目標,提高目標檢測效率。

3)更新雜波圖。對回波中雜波進行預處理后,通過式(1)更新基于知識的雜波圖,存儲在綜合知識庫中,基于知識的雜波矩陣如下:

電離層污染引起海雜波多普勒展寬,可能會導致雜波淹沒目標的情況,其次,其非平穩(wěn)變化會影響相干積累效果,降低目標檢測概率。如圖3所示,微小的發(fā)射波形參數(shù)變化會導致電離層傳播通道發(fā)生變化,不同發(fā)射角度在電離層中有不同的射線傳播路線,而電離層的多模、多徑效應、時變、非平穩(wěn)變化及色散特性[12]決定了確定回波路徑的困難性,同時降低了目標檢測的有效性。

電磁波的傳播特性與電離層介質(zhì)參數(shù)(電導率、磁導率和電子濃度)有關(guān),當高頻信號在穿過電離層時,由于電離層電子濃度隨高度和時間不斷發(fā)生變化,信號的傳播速度、相位和頻率也隨之改變,這就是電離層的色散效應。本文給出了一種感知電離層色散效應并確定電離層電子濃度的方法,利用電離層色散效應會導致信號回波發(fā)生相位變化的現(xiàn)象得到信號的相對時延,再通過式(6)確定電離層電子濃度。與沒有電離層色散效應影響的信號回波相比,色散效應影響的脈沖壓縮信號回波表現(xiàn)出明顯展寬,其平滑差分相位估計也存在明顯的差別,具體如下所示。

圖2 雜波分布圖

圖3 三層拋物線射線路徑圖

忽略電離層相位折射率的高階項時,電離層引入的時延[13]為

式中,f為信號頻率,TEC為沿路徑長度的電子總數(shù),單位e/m2,τ(f)為相位時延。電離層的色散特性與其中電子濃度直接相關(guān),如果能夠從信號的變化中獲得電離層色散特性τ(f),就能獲得電離層的關(guān)鍵參數(shù)。

因此對式(2)中f求導可得

式中,f0為信號中心頻率。

將式(2)在載頻f0附近泰勒展開,忽略其高階項,有

由式(4)可得

由式(3)、式(5)可得

為了驗證該方法獲取電離層精細結(jié)構(gòu)信息的能力,作如下仿真比較實驗,發(fā)射波形采用線性調(diào)頻信號,由于電離層色散效應對窄帶信號的影響很小可忽略不計,所以設置信號帶寬為10 k Hz的寬帶信號,分為兩種情況,一種是不存在電離層色散效應的情況,稱為非色散信號,另一種是存在電離層色散效應的情況,稱為色散信號。在不考慮干擾和雜波的影響,如圖4所示,色散信號匹配脈壓后存在明顯展寬。為了進一步說明色散效應對信號相位延遲的作用,比較兩種情況下平滑信號帶寬內(nèi)差分相位,如圖5所示,非色散信號的差分相位保持不變,而色散信號的差分相位呈下降趨勢,由此可確定電離層相位延遲大小。

確定電離層相位延遲后,如式(6)所示,可計算出電離層電子濃度,并實時更新綜合知識庫的電離層電子濃度信息和電離層色散時延信息,確定傳播通道的穩(wěn)定性和變化趨勢,并用于全收發(fā)自適應信號處理。在發(fā)射端,實時更新的電離層信息能夠為發(fā)射波形參數(shù)調(diào)制提供先驗信息,選擇相對平穩(wěn)電離層通道,提高目標檢測概率,為算法策略選擇提供判斷依據(jù),強化資源管控能力。在接收端,準確的電離層色散時延信息能夠降低信號去污染相位校正的誤差,修正海雜波頻譜展寬淹沒目標的情況。

圖4 信號脈壓圖

圖5 信號帶內(nèi)差分相位圖

認知天波超視距雷達本質(zhì)上是一個高頻認知信息系統(tǒng),通過實時環(huán)境感知機制可實時感知外部環(huán)境,雖然感知區(qū)域較小,主要集中在高頻電磁波傳播通道和電磁波照射區(qū)域,但通過其他輔助環(huán)境感知器的補充,如頻監(jiān)系統(tǒng)(FMS)、技偵衛(wèi)星、電離層監(jiān)測系統(tǒng)可做到長期監(jiān)視全部可照射區(qū)域的環(huán)境情況。而且,研究環(huán)境實時感知機制不僅可準確確定外部環(huán)境情況,所感知的環(huán)境信息也為發(fā)射波形參數(shù)調(diào)整和波形設計提供先驗信息,這也是研究認知天波超視距雷達智能信息處理系統(tǒng)的基礎。

2 認知天波超視距雷達系統(tǒng)架構(gòu)和信號處理策略

認知天波超視距雷達在電離層診斷和目標探測的基礎上實現(xiàn)了從接收到發(fā)射的感知-行動收發(fā)閉環(huán)結(jié)構(gòu),并且將接收通道作為環(huán)境感知的主通道,其他輔助感知器作為補充,強調(diào)了外部環(huán)境(電離層、雜波、干擾)與雷達系統(tǒng)(發(fā)射機、接收機和信號處理系統(tǒng))之間的聯(lián)系,高頻認知信息實時環(huán)境感知機制就是這種聯(lián)系的表現(xiàn)形式。如圖6(a)所示,整個系統(tǒng)是以接收-發(fā)射的循環(huán)閉環(huán)方式工作的,一方面接收回波信號后,環(huán)境感知分系統(tǒng)提取回波中的環(huán)境和目標信息,并發(fā)送到綜合知識庫;另一方面,基于目標環(huán)境學習和綜合知識庫信息選擇,通過發(fā)射波形參數(shù)優(yōu)化選擇和自適應波形設計,實現(xiàn)目標探測,并提升目標檢測性能和跟蹤效率。如圖6(b)所示,認知天波超視距雷達系統(tǒng)架構(gòu)主要為數(shù)字收發(fā)前端、顯示器終端和全自適應智能化認知處理三大系統(tǒng),其中全自適應智能化認知處理分系統(tǒng)由目標探測與環(huán)境感知一體化模塊、策略決策模塊、綜合知識庫三大模塊組成,分系統(tǒng)的主要功能包括目標探測與環(huán)境感知一體化模塊的“應用”、策略決策的“選擇”和綜合知識庫模塊的“學習”。系統(tǒng)通過接收通道的實時環(huán)境感知和環(huán)境輔助感知(其他感知器,如技偵、衛(wèi)星等)獲取外部環(huán)境信息,更新綜合知識庫中相應環(huán)境信息,調(diào)整發(fā)射波形參數(shù),自適應主動適應外部環(huán)境,而且系統(tǒng)可根據(jù)綜合知識庫相應環(huán)境知識和任務類型自動選擇優(yōu)化算法和限制條件,使得設計的波形與外部環(huán)境相匹配,提高目標檢測概率。特別地,在每次完成探測或者跟蹤任務后,系統(tǒng)對資源分配情況和目標探測情況進行性能評估,評估結(jié)果存儲在綜合知識庫和邏輯決策庫中,為以后的資源分配和模型算法選擇提供參考。

圖6 認知天波超視距雷達系統(tǒng)架構(gòu)圖

認知天波超視距雷達的核心是“全自適應智能化認知處理”,先進的系統(tǒng)架構(gòu)和信號處理體系直接決定了系統(tǒng)性能。與傳統(tǒng)天波超視距雷達相比,全自適應智能化處理系統(tǒng)架構(gòu)最大的不同在于知識運用功能。知識的多樣化和信息處理的復雜性也決定了信號處理架構(gòu)復雜程度。為了解決這個問題,將信號處理架構(gòu)進行分層,把復雜的認知信息處理問題分為若干個較小的、單一的問題,并在不同層次上予以解決,分別為物理層、網(wǎng)絡層、策略層、應用層和評估層,如圖7所示。具體說明如下:

1)物理層。先進的硬件架構(gòu)提供了信息處理的平臺。主要包括接收-發(fā)射閉環(huán)結(jié)構(gòu)、信息高速處理、感知-探測一體化和存儲技術(shù)。物理層是認知天波超視距雷達工作的基礎,特別是近年來快速發(fā)展的雷達硬件技術(shù)強有力地支撐了認知天波超視距雷達理論研究的進展。

2)網(wǎng)絡層。系統(tǒng)中多種功能與任務之間相互聯(lián)系,構(gòu)成一張控制與轉(zhuǎn)換的網(wǎng)絡,主要包含各個模塊和子系統(tǒng)之間的信息傳遞和實時反饋。網(wǎng)絡層是認知天波超視距雷達的經(jīng)脈,通過系統(tǒng)資源與任務調(diào)度模塊進行網(wǎng)絡調(diào)控,實時反饋各個功能模塊的信息。

3)策略層。系統(tǒng)有針對性地自主選擇發(fā)射波形參數(shù)和信號處理策略,發(fā)射波形參數(shù)優(yōu)化算法、波形設計算法、信號處理算法、干擾與雜波抑制算法和電離層污染校正算法等集合構(gòu)成策略層所需功能。與常規(guī)天波超視距雷達追求算法普適性不同,認知天波超視距雷達可根據(jù)外部環(huán)境和任務的不同自主地選擇針對性策略,并在策略中通過評估反饋選擇合適的算法和調(diào)整算法模型及相關(guān)參數(shù),主動適應外部環(huán)境。

4)應用層。主要是確定任務需求、分析環(huán)境特征、調(diào)度系統(tǒng)資源、制定處理策略。應用層是認知天波超視距雷達的大腦和核心,通過確定任務需求和分析環(huán)境特征,確定系統(tǒng)資源的調(diào)度方法,選擇相應策略。

5)評估層。長期認知環(huán)境特征和分析目標特征,評估各類策略匹配環(huán)境能力和系統(tǒng)性能。評估層重點體現(xiàn)了認知天波超視距雷達的智能性和可學習性,在長時間的學習和認知外部環(huán)境的過程中,建立并逐步完善多種類知識庫,逐步提高系統(tǒng)性能,這是認知天波超視距雷達特有的功能。

一方面,設計的認知天波超視距雷達架構(gòu)通過環(huán)境感知將干擾、雜波、電離層等先驗信息納入系統(tǒng),可以提高其對外部環(huán)境的認知和適應性;另一方面,設計的環(huán)境感知與目標探測一體化的系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),將目標探測與環(huán)境感知融為一體,并通過波形優(yōu)化設計和接收信號的智能處理,可同時對雷達發(fā)射和接收端進行聯(lián)合全自適應處理,形成閉合回路,從而解決現(xiàn)階段天波超視距雷達受復雜環(huán)境限制等問題。可以預見,在天波超視距雷達領(lǐng)域引入認知雷達概念,必將有助于天波超視距雷達系統(tǒng)性能的大幅提升。

圖7 認知天波超視距雷達分層處理信息流圖

3 結(jié)束語

認知天波超視距雷達作為新一代天波超視距雷達發(fā)展方向之一,可有效提高天波超視距雷達在復雜環(huán)境下低可探測目標的檢測性能,拓展同時執(zhí)行多任務的功能。本文分析了常規(guī)天波超視距雷達“先感知后探測”被動適應環(huán)境的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信息處理機制存在的問題,詳細討論了天波超視距雷達面臨的小、慢目標檢測,軟、硬件不符合智能系統(tǒng)要求和粗糙的外部環(huán)境感知方法等難題,指出了認知天波超視距雷達具有實時感知外部環(huán)境、收發(fā)全自適應處理和智能化運行等特點,提出了高頻認知信息系統(tǒng)實時環(huán)境感知機制,通過實時感知外部環(huán)境獲得相應的外部環(huán)境信息,包括外部干擾、海雜波和電離層等信息,分析了系統(tǒng)感知外部環(huán)境方法和處理方法。由于系統(tǒng)的復雜性和知識多樣性,再給出其系統(tǒng)架構(gòu)后,提出了層次化的信號處理策略,將復雜的認知信號處理過程轉(zhuǎn)化為簡單、模塊化的過程進行實現(xiàn)。本文高頻認知信息系統(tǒng)實時環(huán)境感知策略與架構(gòu)設計對認知天波超視距雷達的設計與研制具有一定的指導意義。

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Research on High-Frequency Environment Sensing Cognitive Information System and its Architecture Design

QI Jiahui1,CHEN Jianwen2,BAO Zheng2
(1.Department of Graduate Management,Air Force Early Warning Academy,Wuhan430019,China;2.Air Force Early Warning Academy,Wuhan430019,China)

As a new type of radar concept,the cognitive radar can improve the system adaptability.It is an important direction of the development for radar technology.Aimed at such problems in OTHR that it is difficult to detect small or slow speed targets and the hardware and software impose restrictions on its performance,we discuss the high-frequency real-time environment sensing cognitive information system for cognitive OTHR.Then the methods which can make system automatically adapt to the non-stationary changing environment is analysed.The system architecture design that integrate sensing and detection in layering model is presented,which can provide reference for cognitive OTHR system.

cognitive over-the-horizon radar(COTHR);high-frequency cognitive information system;hierarchy processing struction;system architecture

TN958.93

A

1672-2337(2017)02-0141-07

10.3969/j.issn.1672-2337.2017.02.006

2016-07-17;

2016-09-20

國家自然科學基金(No.61471391)

漆家輝男,1991年出生,四川綿陽人,空軍預警學院信息與通信工程專業(yè)碩士研究生,主要研究方向為目標檢測與識別、天波超視距雷達信號處理。

E-mail:m15527912270@163.com

陳建文男,1964年出生,湖北武漢人,教授、博士生導師,主要研究方向為天波超視距雷達信號處理、陣列信號處理。

鮑 拯男,1977年出生,湖北漢川人,博士、講師,主要研究方向為天波超視距雷達信號處理、陣列信號處理。