一種基于雷達(dá)信號(hào)參數(shù)的未知目標(biāo)干擾策略分析技術(shù)研究

王秀錦，姚金垠

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

針對(duì)未知目標(biāo)的干擾是電子對(duì)抗系統(tǒng)長(zhǎng)期以來(lái)不得不面對(duì)的情況。近年來(lái)，彈道導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展對(duì)于各種型號(hào)的艦艇反導(dǎo)壓力越來(lái)越大。針對(duì)多目標(biāo)同時(shí)來(lái)襲，在干擾資源有限的情況下，如何最大限度地利用有限的干擾資源對(duì)我艦形成最有效的保護(hù)成為了亟需解決的問(wèn)題。

威脅度是電子對(duì)抗系統(tǒng)偵收目標(biāo)過(guò)程中的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。其目的是獲取敵方目標(biāo)相對(duì)我艦的威脅等級(jí)，在電子對(duì)抗系統(tǒng)干擾資源有限的情況下，幫助我方迅速準(zhǔn)確地判斷優(yōu)先選擇的目標(biāo)。目前，威脅目標(biāo)的威脅度判斷方法有很多種，包括模糊推理法[1]、頻點(diǎn)判斷法[2]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[3]等，這些方法能夠在一定程度上解決電子對(duì)抗系統(tǒng)威脅度判定問(wèn)題，但是其適應(yīng)能力有限，在戰(zhàn)場(chǎng)模糊環(huán)境下很難精確得到多批目標(biāo)相對(duì)我艦的相對(duì)威脅度，特別在干擾資源有限的情況下很難利用有限的資源對(duì)我艦形成最有效的保護(hù)。

本文引入模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，對(duì)該算法進(jìn)行分層定義，采用三層次模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，對(duì)電子對(duì)抗系統(tǒng)的高威脅目標(biāo)進(jìn)行快速分析，推理出多批威脅目標(biāo)相對(duì)我艦的相對(duì)威脅度等級(jí)，從而幫助電子對(duì)抗系統(tǒng)進(jìn)行干擾對(duì)抗決策，充分利用電子對(duì)抗系統(tǒng)的干擾能力，對(duì)一批或者多批威脅等級(jí)最高的目標(biāo)進(jìn)行干擾，最大限度地保障我艦安全。

1 基于模糊理論的目標(biāo)威脅隸屬度函數(shù)的確定

模糊系統(tǒng)的基本原理是多個(gè)模糊化的輸入向量經(jīng)過(guò)給定規(guī)則的推理機(jī)制，變成一個(gè)或者多個(gè)去模糊化的輸出向量，如圖1所示。

圖1 模糊系統(tǒng)基本原理

推理過(guò)程大致如下：

(1) 比較輸入變量和隸屬函數(shù)，從而獲得每個(gè)語(yǔ)言標(biāo)示的隸屬值——模糊化。

(2) 對(duì)初始部分的隸屬函數(shù)做并運(yùn)算，得到每個(gè)規(guī)則的激活權(quán)。

(3) 依賴(lài)于激活權(quán)產(chǎn)生每一個(gè)規(guī)則的有效結(jié)果。

(4) 疊加所有有效的結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)明確的輸出——去模糊化。

1.1 威脅隸屬度[4]定義

在模糊系統(tǒng)中，被討論對(duì)象的全集稱(chēng)為論域，用U表示，在論域U上選定1個(gè)模糊子集A。Φ(u)表示u隸屬于A的程度，簡(jiǎn)稱(chēng)隸屬度。

在目標(biāo)的威脅度模糊系統(tǒng)中，選取目標(biāo)距離r、目標(biāo)速度v、目標(biāo)航向夾角θ作為威脅等級(jí)的輸入向量即特征向量。選取目標(biāo)相對(duì)我方的威脅度作為威脅等級(jí)加權(quán)的決定因素，建立基于目標(biāo)的威脅等級(jí)。

1.2 威脅隸屬度函數(shù)分析

利用模糊理論對(duì)威脅隸屬函數(shù)進(jìn)行描述，并建立規(guī)則如下：當(dāng)某個(gè)特征向量對(duì)于我方的威脅度越大時(shí)，其威脅等級(jí)也就越大(當(dāng)特征向量值為最大時(shí)，此時(shí)威脅函數(shù)評(píng)判值定為1)；當(dāng)某個(gè)特征向量對(duì)于我方的威脅度越小時(shí)，其威脅等級(jí)也就越小(當(dāng)特征向量值為最小值時(shí)，此時(shí)威脅函數(shù)評(píng)判值定為0)；當(dāng)特征向量處于最大值和最小值之間時(shí)，威脅函數(shù)評(píng)判值介于0～1之間。

建立威脅等級(jí)與目標(biāo)距離之間的關(guān)系。當(dāng)威脅目標(biāo)距離小于20 km時(shí)，威脅目標(biāo)對(duì)我方威脅最高，設(shè)威脅評(píng)判值為1；當(dāng)威脅目標(biāo)距離大于500 km時(shí)，認(rèn)為威脅目標(biāo)對(duì)我方無(wú)威脅，威脅評(píng)判值為0。設(shè)在實(shí)戰(zhàn)環(huán)境下目標(biāo)距離與威脅等級(jí)之間服從降半正太分布：

(1)

式中:r1=20 km；r2=500 km。

建立威脅等級(jí)與目標(biāo)速度之間的關(guān)系。當(dāng)威脅目標(biāo)速度越高時(shí)，對(duì)于我方的反應(yīng)時(shí)間也就變得越少。因此，可以認(rèn)為目標(biāo)的威脅等級(jí)也就越高。可以將速度與威脅等級(jí)設(shè)為線性關(guān)系，其評(píng)判函數(shù)為：

(2)

式中:v0=200 m/s。

考慮到目前戰(zhàn)斗機(jī)的速度基本上都在200 m/s以上，導(dǎo)彈的速度一般在340 m/s以上，因此當(dāng)威脅目標(biāo)的速度小于200 m/s時(shí)認(rèn)為無(wú)威脅，設(shè)威脅評(píng)判值為0；當(dāng)威脅目標(biāo)的速度大于340 m/s時(shí)認(rèn)為該目標(biāo)高威脅，設(shè)威脅評(píng)判值為1。

建立威脅等級(jí)與目標(biāo)航向夾角之間的關(guān)系。當(dāng)威脅目標(biāo)航向與我方航向夾角越接近0°時(shí)，其對(duì)我方的威脅度越高。同理可以建立航向夾角的隸屬度函數(shù)為：

(3)

式中：θ0=π/2。

綜上可得威脅隸屬度函數(shù)集合為：

Φ=(Φ(r)，Φ(v)，Φ(θ))

(4)

2 基于三層次模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的威脅

2.1 特征向量權(quán)重判定

不同的特征向量對(duì)于判斷威脅目標(biāo)的威脅等級(jí)的權(quán)重是不同的，因此必須建立準(zhǔn)確的判斷準(zhǔn)則對(duì)不同的特征向量進(jìn)行加權(quán)分配。本文采用AHP層次分析法[5]對(duì)不同特征向量建立不同的權(quán)重值。

首先建立七層次的判斷規(guī)則，規(guī)則如表1所示。

表1 特征向量權(quán)重判斷規(guī)則

然后根據(jù)建立的權(quán)重判斷規(guī)則獲取不同影響因素之間的威脅層次，得到威脅層次向量：

L=(t1,t2，…，tn)

(5)

將威脅層次向量歸一化，最終得到的向量即是威脅因素權(quán)重向量：

L′=(t′1,t′2，…，t′n)

(6)

2.2 三層次模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立

本文按照3個(gè)層次建立目標(biāo)威脅度等級(jí)網(wǎng)絡(luò)模型，如圖2所示。

圖2 三層次模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

特征向量層表示表征目標(biāo)威脅度影響力最大的參數(shù)因子集合，它能夠直接或者間接反映目標(biāo)的威脅度。威脅目標(biāo)層表示敵方目標(biāo)集合，它可以是導(dǎo)彈，也可以是敵方雷達(dá)或者飛機(jī)等威脅類(lèi)型。威脅度層表示最終想要得到的目標(biāo)參數(shù)，即目標(biāo)威脅度。

2.3 目標(biāo)威脅度向量表

根據(jù)1.2章節(jié)介紹的目標(biāo)威脅度隸屬函數(shù)，求得目標(biāo)威脅度向量函數(shù)為：

Φ=(Φ(r)，Φ(v)，Φ(θ))

(7)

然后對(duì)函數(shù)進(jìn)行歸一化處理，保證向量的值都在統(tǒng)一的標(biāo)尺內(nèi)，得到歸一化后的目標(biāo)威脅度向量表為：

Φ′=(Φ′(r)，Φ′(v)，Φ′(θ))

(8)

最后第i個(gè)目標(biāo)的威脅度等級(jí)為：

Wi=Φ′i·(L′)T

(9)

3 實(shí)例驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文方法的有效性，現(xiàn)假定有3個(gè)導(dǎo)彈目標(biāo)D1，D2，D3來(lái)襲，雷達(dá)探測(cè)的導(dǎo)航參數(shù)如表2所示。

針對(duì)這3批導(dǎo)彈目標(biāo)，首先建立威脅層次向量：

L=(t1,t2，t3)=(3,4,5)

歸一化處理得到威脅因素向量：

L′=(t′1,t′2，t′3)=(0.424 3,0.565 7,0.707 1)

表2 導(dǎo)彈目標(biāo)導(dǎo)航參數(shù)表

然后分別計(jì)算目標(biāo)威脅度向量表，導(dǎo)彈D1的威脅度向量為：

Φ1=(0.890 2,0.714 3,0.959 2)

歸一化處理：

Φ′=(0.597 1,0.479 1,0.643 4)

導(dǎo)彈D1的威脅度等級(jí)為：

W1=Φ′1·(L′)T=0.979 3

同理可得導(dǎo)彈D2的威脅度等級(jí)為：

W2=Φ′2·(L′)T=0.903 1

導(dǎo)彈D3的威脅度等級(jí)為：

W3=Φ′3·(L′)T=0.805 8

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出導(dǎo)彈D1威脅度最高，導(dǎo)彈D2居中，導(dǎo)彈D3的威脅度最低。當(dāng)這3種導(dǎo)彈同時(shí)來(lái)襲時(shí)，在干擾資源只能夠干擾1枚導(dǎo)彈時(shí)，可以優(yōu)先對(duì)導(dǎo)彈D1進(jìn)行干擾，當(dāng)干擾資源能夠干擾2枚導(dǎo)彈時(shí)，可以優(yōu)先對(duì)導(dǎo)彈D1和D2進(jìn)行干擾。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)空中多批未知目標(biāo)的干擾策略分析問(wèn)題，本文提出了基于雷達(dá)信號(hào)參數(shù)的威脅度分析技術(shù)。通過(guò)理論分析和實(shí)例驗(yàn)證表明，結(jié)合模糊理論的威脅度等級(jí)分析技術(shù)能夠有效地對(duì)空中多批目標(biāo)的威脅度相對(duì)等級(jí)進(jìn)行分析判斷，最終得出針對(duì)多批目標(biāo)的干擾策略，具有很高的工程運(yùn)用價(jià)值。