基于PDW快速跟蹤的雷達偵察信息敏捷處理技術

鄔 誠,董春曦,伍光新,李 歸

(1. 西安電子科技大學 電子工程學院, 陜西 西安 710071)

(2. 南京電子技術研究所, 江蘇 南京 210039)

0 引 言

在現代信息化作戰過程中,對雷達輻射源目標信息及電磁環境態勢的快速感知,為雷達電子干擾提供實時、精確的干擾信息保障,是雷達偵察信息處理的一項核心功能,是對雷達實施有效“軟火力殺傷”的關鍵[1-4]。

為提升現代雷達在信息化戰場中的生存能力,增強自身在復雜干擾環境中的作戰能力,新的技術體制、抗干擾手段以及作戰樣式不斷涌現,并廣泛應用于實戰。雷達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抗干擾跳頻工作方式[5-9]。面對此類雷達輻射源信號樣式,傳統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-目標引導”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,雷達輻射源目標信息更新需要經過信號分選處理,信號分選算法[10-16]往往需要對一定數量的脈沖描述字(PDW)進行統計分析后,才能分離相應的雷達脈沖序列并完成雷達頻率等參數估計,用于干擾引導頻率信息更新,信息處理時間偏長。在干擾引導頻率信息更新完成之前,多個雷達脈沖因干擾頻率不匹配而被“漏干擾”,或干擾引導頻率等信息更新調整完成之后,雷達可能已跳變到下一組工作頻點,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、決策生成等處理環節過多,增加了信息處理反應時間,導致干擾引導信息更新實時性下降,干擾信號參數更新不及時,“漏干擾”及“跟不上”等問題進一步加劇。當然,當信息處理無法滿足干擾信息引導實時性要求時,另一種傳統做法是采用超寬瞬時干擾帶寬進行頻帶覆蓋或頻點控守[17-18],這對干擾系統裝備的干擾帶寬、干擾功率提出了較高要求,研制設備量大、成本高,很難滿足未來干擾系統裝備高效費比要求。

近年來,國內外學者在雷達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[21]提出了一種脈沖重復間隔(PRI)特征提取的流式處理方法。該方法改變傳統分選算法分批次處理PDW方式,采用流式處理方式對PDW進行到達時間差直方圖統計,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計分選方法的范疇。

本文從減少信息處理環節、縮短信息處理時間角度出發,提出了一種基于PDW快速跟蹤的雷達偵察信息敏捷處理技術。首先構建PDW快速跟蹤的雷達偵察信息敏捷處理架構,在此架構基礎上,建立PDW快速跟蹤信息處理模型,在干擾實施過程中不經過傳統信號分選、識別威判、決策生成等處理環節,基于少量PDW實現對頻率捷變雷達輻射源參數變化的快速跟蹤和干擾信息引導更新,有效提升干擾信息保障過程中的雷達偵察信息處理的敏捷性。

1 處理架構設計

為有效提升雷達偵察信息處理的敏捷性,盡可能減少信息處理環節,縮短信息處理時間,實現目標干擾引導信息的快速、準確更新,在典型的“脈沖檢測-信號分選-識別威判-策略生成-目標引導”串行雷達偵察信息處理架構的基礎上,優化構建基于PDW快速跟蹤的雷達偵察信息敏捷處理架構,如圖1所示。

圖1 基于PDW快速跟蹤的雷達偵察信息敏捷處理架構

基于PDW快速跟蹤的雷達偵察信息敏捷處理架構包括常規偵察信息處理和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同配合,有序交接,實現對被干擾雷達輻射源信息的“敏捷”處理和干擾引導信息的快速更新。

1)常規偵察信息處理通道

主要負責在干擾實施前,對戰場電磁環境進行全面的感知和分析,生成雷達輻射源目標及電磁態勢信息,并對重點及高威脅雷達輻射源目標進行干擾決策和目標引導,為干擾信號產生和PDW快速跟蹤處理通道提供干擾引導信息。常規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、策略生成和目標引導六個功能模塊。信號接收模塊接收空間雷達輻射源信號進行數字化處理,數字信號經脈沖檢測模塊完成脈沖檢測及參數測量形成PDW信息,PDW信息經信號分選后形成輻射源描述字(EDW)信息。在雷達威脅數據庫支持下,EDW信息經識別威判模塊完成輻射源識別和威脅等級判斷,生成雷達輻射源目標信息及電磁態勢。策略生成模塊基于雷達輻射源目標信息及電磁態勢對重點、高威脅目標干擾方案進行決策,生成干擾決策方案,驅動目標引導模塊生成干擾引導信息,引導干擾信號產生,實施干擾。常規偵察信息處理通道同步將干擾引導信息和實時PDW信息發送給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行。干擾引導信息中包含干擾目標頻率、到達角、脈寬、幅度等多維參數的詳細信息,可用于PDW快速跟蹤處理通道進行PDW快速精準匹配處理和確認跟蹤。

2)PDW快速跟蹤處理通道

主要負責在干擾實施過程中,對指定被干擾雷達輻射源目標參數變化進行快速跟蹤感知,并根據輻射源目標參數變化情況實施相應的干擾引導信息快速更新。PDW快速跟蹤處理通道僅設計PDW快速跟蹤一個功能模塊,以盡可能地減少處理環節,提升處理效率。當接收到常規偵察信息處理通道發出的干擾引導信息后,PDW快速跟蹤模塊激活運行。此時,系統將原來由常規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的目標輻射源信息更新、干擾引導信息更新功能授權委托給PDW快速跟蹤模塊執行。PDW快速跟蹤模塊提取干擾引導信息中相應干擾目標多維參數的詳細信息,對常規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進行目標頻率、到達角、脈寬、幅度等參數的快速精準匹配,并利用匹配成功的PDW對干擾目標輻射源參數變化情況進行確認跟蹤,快速生成頻率、角度干擾引導更新信息,驅動常規偵察信息處理通道中的干擾引導模塊完成干擾引導信息指令的更新,引導干擾信號產生,及時更新干擾信號參數和干擾波束指向,實現對雷達輻射源目標信號“頻率瞄得準、波束指得準、時間對得準”的實時精準干擾。

2 PDW快速跟蹤處理模型設計

基于PDW快速跟蹤的雷達偵察信息敏捷處理架構,對PDW快速跟蹤處理進行模型設計,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定義為常規偵察信息處理通道脈沖目標引導功能模塊輸出的干擾引導信息中所包含的干擾目標多維參數的詳細信息向量集。C(t)定義為引導更新信息向量。

PDW信息向量P(t)全時間信息流數學解析表達式為

(1)

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

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為矩陣轉置。

干擾目標多維參數的詳細信息向量集I,由常規偵察信息處理通道決策生成模塊,基于輻射源分選識別結果并考慮測量誤差等因素綜合生成,由目標引導模塊通過干擾引導信息下發,用于提供初始干擾引導信息、指定干擾目標參數變化范圍及容差參數。

I=(PIPminPmaxPΔ)

(3)

PI為初始干擾頻率、角度、脈沖寬度、幅度引導信息。

PI=(fI0DOAI0PWI0PAI0)T

(4)

Pmin為指定干擾目標頻率、到達角、脈沖寬度、脈沖幅度參數下限值向量。

Pmin=(fminDOAminPWminPAmin)T

(5)

Pmax為指定干擾目標頻率、到達角、脈沖寬度、脈沖幅度參數上限值向量。

Pmax=(fmaxDOAmaxPWmaxPAmax)T

(6)

PΔ為模型處理所需的頻率、到達角、脈沖寬度、脈沖幅度指定容錯參數。

PΔ=(fΔDOAΔ00)T

(7)

式中:0表示脈沖寬度、脈沖幅度無處理容差要求。

引導更新信息向量C(t)包括當前頻率引導信息fI(t)、當前角度引導信息DOAI(t)、當前脈寬引導信息PWI(t)和當前幅度引導信息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

指定干擾目標輻射源當前角度引導信息為DOAI(t),由確認跟蹤子模型更新。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為到達角容差參數,從式(7)中獲取。干擾引導信息下發時,DOAI(t)為初始引導信息,即

DOAI(t)=DOAI0

(11)

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

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

由式(1)可知,當且僅當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Y(t)=1時,表示指定干擾雷達輻射源目標脈沖PDW匹配成功。

2)確認跟蹤處理子模型

確認跟蹤處理子模型根據Y(t)輸入驅動,記Y(t)=1時的t=t′,則按照脈沖匹配輸出順序將Y(t)=1的匹配輸出結果及對應時間標識的P(t)抽取處理,形成新的序列Y(t′)和P(t′)。對P(t′)按長度L進行步進為1的滑窗,對滑窗內P(t′)數據進行分析處理,輸出引導更新信息向量C(t),最新進入窗內的數據時刻為t,如圖3所示。

圖3 滑窗內P(t′)數據處理示意圖

圖3中,對于P(t′),記L長度滑窗內的L個PDW為

P(mq)=(fmqDOAmqPWmqPAmq)T

(20)

式中:q=1,2,…,L。對滑窗內P(mq)數據進行分析處理的具體處理步驟設計如下:

(1) 步驟1:跳頻模式判斷

設閾值Kc,Kc可取(L/2,L]間的整數。指定干擾目標輻射源當前頻率引導信息為fI(t)。干擾引導信息下發時,fI(t)為初始頻率引導信息,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)個數為K(K≤L)。對應的K個P(mq)可表示為P(mqk)(k=1,2,…,K)。fΔ為頻率容差參數,從式(7)中獲取。

若K≥Kc,則確認目標發生成組跳頻或自適應抗干擾跳頻,進入步驟2。否則判為目標未發生成組跳頻或自適應抗干擾跳頻,步進滑窗繼續步驟1。

(2)步驟2:參數變化跟蹤

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

(22)

(23)

(24)

(25)

(3)步驟3:引導信息更新

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

PDW快速跟蹤處理模型中滑窗長度L的取值與戰場電磁態勢信號環境復雜度相關。在確保低于一定虛警率的前提下,應盡可能地取小。容差參數fΔ和DOAΔ則需根據偵察測量誤差指標,結合工程經驗進行選取。

3 數字仿真

為有效驗證基于PDW快速跟蹤的雷達偵察信息敏捷處理技術設計的有效性,指導裝備系統工程化設計和應用,依據PDW快速跟蹤處理模型,在模擬電磁環境及指定干擾雷達輻射源參數條件下,分別針對脈組頻率捷變雷達、自適應抗干擾跳頻雷達兩類頻率捷變雷達,利用仿真軟件進行了數字仿真。

1)仿真場景1

(1)指定干擾雷達輻射源模擬

模擬生成脈組頻率捷變雷達輻射源PDW,具體模擬仿真參數設置如表1所示。

表1 脈組頻率捷變雷達輻射源模擬仿真參數表

考慮仿真真實性,生成雷達PDW模擬數據時,在頻率添加均值為0、方差為1 MHz的高斯分布隨機誤差,在方位到達角添加均值為0、方差為1°的高斯分布隨機誤差,以模擬PDW測量誤差。

(2)電磁環境模擬

在8 GHz～12 GHz頻段內,模擬生成20萬/秒脈沖密度的PDW電磁環境背景,具體模擬仿真參數設置如表2所示。

表2 電磁環境模擬仿真參數表

(3)仿真驗證結果

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

圖4 脈組捷變雷達PDW與環境PDW

基于PDW快速跟蹤的雷達偵察信息敏捷處理技術的仿真處理結果如圖5、圖6所示。考慮雷達主要變化參數為頻率值,同時工程應用中PDW角度測量誤差相對較大,重點對頻率、方位引導信息更新結果進行展示。圖5為頻率引導信息更新仿真結果。其中,由于受密集電磁環境PDW影響,匹配成功的PDW序列頻率值出現若干虛警點(紅色),但經過確認跟蹤子模型處理后,引導信息無虛警。圖6為方位引導信息更新仿真結果。仿真過程中雷達共跳頻24次,每次跳頻時,模型均在不大于3 200 μs的時間內完成干擾頻率、方位引導信息的更新。按雷達800 μs仿真重頻參數計算,最大不超過4脈沖,可實現對雷達頻率捷變的快速跟蹤和干擾頻率、方位引導信息更新。干擾頻率、方位引導處理反應時間如圖7所示。

圖5 頻率引導信息更新仿真結果

圖6 方位引導信息更新仿真結果

圖7 干擾頻率、方位引導處理反應時間

2)仿真場景2

(1)指定干擾雷達輻射源模擬

模擬生成自適應抗干擾跳頻雷達輻射源PDW,具體模擬仿真參數設置如表3所示。

表3 自適應抗干擾跳頻雷達輻射源模擬仿真參數表

考慮仿真真實性,生成雷達輻射源PDW數據時,同樣添加與仿真場景1相同的隨機誤差,以模擬PDW測量誤差。

(2)電磁環境模擬

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

(3)仿真驗證結果

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

圖8 自適應抗干擾跳頻PDW與環境PDW

圖9、圖10為雷達偵察信息敏捷處理仿真結果。仿真過程中雷達共跳頻24次,雷達仿真重頻參數800 μs,每次跳頻時,模型均在不大于3 200 μs的時間內完成干擾頻率、方位引導信息更新,干擾頻率、方位引導處理反應時間如圖11所示。可見,對于自適應抗干擾跳頻雷達信號,本文所提技術同樣可在高密度復雜電磁環境背景下,在最大不超過4脈沖時間內,實現雷達輻射源頻率、方位引導信息的快速、準確、穩定更新。

圖9 自適應抗干擾跳頻雷達頻率引導信息更新仿真結果

圖10 自適應抗干擾跳頻雷達方位引導信息更新仿真結果

圖11 自適應抗干擾跳頻雷達干擾頻率、方位引導處理反應時間

上述數字仿真結果驗證了本文所提技術的有效性。

4 結束語

基于PDW快速跟蹤的雷達偵察信息敏捷處理技術,較傳統的雷達偵察信息處理方法,有效減少信息處理環節、縮短信息處理時間,在干擾保障過程中,可實現對脈組頻率捷變、自適應抗干擾跳頻等捷變雷達參數變化的快速、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的有效性。