雷達信號環(huán)境認(rèn)知理論框架探討*

許 雄，王 濤，韓 慧，吳若無，陳 翔，曾勇虎，汪連棟

(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室，河南 洛陽 471003)

0 引言

雷達裝備的復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗需求迫切需要對雷達信號環(huán)境進行定量化的描述[1-3]。相關(guān)的定量化描述方法應(yīng)能滿足可測量、易操作等要求，且能夠利用現(xiàn)有的模擬手段，形成雷達信號環(huán)境的定量化模擬方法，以供裝備試驗與評估過程的應(yīng)用。

目前，已經(jīng)有學(xué)者提出利用電磁功率密度譜和電磁信號密度組成的這個二維指標(biāo)空間來定量描述雷達裝備所面臨的威脅電磁環(huán)境，并可進一步推廣用于統(tǒng)一描述其所面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境[4-5]。用這種方法描述電磁環(huán)境具有明顯的可操作性和普適性,但是目前還存在不能較好地反映干擾信號質(zhì)量等一些細(xì)節(jié)問題。究其原因，主要是為了便于工程應(yīng)用，這2類指標(biāo)在較大程度上作了一些簡化，進而使指標(biāo)與雷達之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系不再是緊耦合，即指標(biāo)量值與雷達的工作信號樣式之間沒有緊密的映射關(guān)系，因而自然會出現(xiàn)不能很好地反映干擾信號質(zhì)量等問題。之后學(xué)者們又提出了利用壓制比和相似度來定量描述雷達導(dǎo)引頭所面臨的干擾環(huán)境[6-7]。這已經(jīng)考慮到干擾與目標(biāo)回波的相對性特點了，于是對雷達裝備所面臨信號環(huán)境的認(rèn)知又前進了一步。但目前的計算主要是針對單目標(biāo)，尚未考慮多目標(biāo)的情況?？偟膩碚f，這些就是目前人們對雷達信號環(huán)境的定量認(rèn)識，這些認(rèn)識基礎(chǔ)已經(jīng)在許多方面發(fā)揮著重要作用。

然而，要想全面系統(tǒng)地對雷達信號環(huán)境進行認(rèn)知，目前還沒有統(tǒng)一的理論框架。針對目前的研究現(xiàn)狀，本文擬進一步從雷達裝備與電磁環(huán)境的相互作用角度出發(fā)，分析其所面臨的電磁環(huán)境要素，在已有認(rèn)識的基礎(chǔ)上，初步提出一種統(tǒng)一的、有效的雷達信號環(huán)境的相關(guān)性認(rèn)知理論框架，希望為后續(xù)開展雷達裝備所面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境的定量表征度量及適應(yīng)性試驗等應(yīng)用提供基礎(chǔ)理論支撐。

1 雷達裝備面臨的信號環(huán)境分析

如圖1所示，從考慮時空因素來說，可以從場景、技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)三個方面來認(rèn)識和理解復(fù)雜電磁環(huán)境[5]。這三個方面也常被稱為實體、信號和行為，而且從實體和行為的作用結(jié)果來看，最終是以信號的變化情況來影響雷達裝備。于是，從信號來源和信號用途的角度看，雷達裝備所面臨的電磁環(huán)境通常被分解成三類要素，即目標(biāo)回波信號、背景電磁環(huán)境和威脅電磁環(huán)境。其中，目標(biāo)回波信號包含雷達需要探測的真實目標(biāo)和其它不相關(guān)目標(biāo)所散射引起的雜波；背景電磁環(huán)境主要包括了各種非人為的環(huán)境噪聲、非對抗性的輻射源信號等；而威脅電磁環(huán)境則主要指人為的有意干擾，包括有源壓制干擾、有源欺騙干擾、箔條和角反射體干擾，以及各種有源和無源的組合干擾等。

顯然，上述的分類方法是從人為的角度進行的。因為對雷達接收機來說，它并不知道其所收到的信號到底是回波還是背景，或是威脅。只有經(jīng)過一系列復(fù)雜的信號處理和數(shù)據(jù)處理后才有可能分清，而這些正是人為引導(dǎo)的。同時，背景與威脅中的很多信號特性是相似的，如背景噪聲和人為噪聲并沒有太多區(qū)別；威脅中的角反射體與有源假目標(biāo)干擾也是相似的。因此，若采用此種分類，則在試驗評估時無法做到各環(huán)境要素之間的相對正交性。而若從雷達信號處理的角度來看外部的信號環(huán)境的話，環(huán)境要素其實可分解為非目標(biāo)回波信號和類目標(biāo)回波信號，如圖2所示。

這些就是目前人們對雷達信號環(huán)境的總體認(rèn)識，然而要想全面系統(tǒng)地對雷達信號環(huán)境進行認(rèn)知，目前還沒有統(tǒng)一的理論框架。

2 雷達信號環(huán)境認(rèn)知的理論框架

根據(jù)作者當(dāng)前的研究經(jīng)驗[8-15]，在上述已有認(rèn)識的基礎(chǔ)上，可分別以雷達和目標(biāo)為2種參考源，初步建立起雷達信號環(huán)境的認(rèn)知理論框架，如圖3所示。這個框架的核心就是相關(guān)性認(rèn)知的概念，其具體內(nèi)涵包含了受體相關(guān)性和目標(biāo)相關(guān)性2個方面。

作者認(rèn)為，要對雷達信號環(huán)境進行全面的、有針對性的認(rèn)知，應(yīng)該從以下四個方面問題逐次深入，即單體問題、二體問題、三體問題、多體問題。其中，單體問題是從基本的度量和可視需求方面對其所面臨的電磁環(huán)境進行統(tǒng)一規(guī)范的描述，它是認(rèn)識和研究上述三方面問題的理論基礎(chǔ)；二體問題是將雷達與其它所有輻射源進行區(qū)分，可通過簡單的相關(guān)性計算來初步定性判斷可能對雷達有影響的輻射源；三體問題是將雷達與單個目標(biāo)和干擾源區(qū)分開，可通過相關(guān)強度比和信號相似度等指標(biāo)來分析判斷干擾源對雷達的影響程度；多體問題則是考慮到現(xiàn)代雷達一般都具有多目標(biāo)探測、跟蹤和識別能力，但同一干擾環(huán)境對不同目標(biāo)的干擾程度卻是不一定相同的，所以需要在三體問題上區(qū)分不同的目標(biāo)，對其所面臨的電磁環(huán)境進行更全面的、有針對性的分析。

下面分別對每個問題進行具體的闡述。

2.1 單體問題

圖4所示的是分層認(rèn)知概念模型對雷達信號環(huán)境的描述方法。這里其實是將現(xiàn)有對電磁環(huán)境的“時、空、頻、能、極化、調(diào)制”這“六域”概念描述重新歸納整理，在抽象的物理域和抽象的電磁環(huán)境之間形成了一個具備可視化能力的、具有層次化特征的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。這便是電磁環(huán)境的分層認(rèn)知概念模型。“層”是觀察電磁信號的一個視角，它與電磁信號環(huán)境要素之間的關(guān)系可以用圖5表示。具體內(nèi)涵還可以參考文獻[13]。

從可測量的物理域的角度來看電磁信號有多個層，而從信號來源角度來看則分為多個要素。通常所要求解的環(huán)境參量正是針對若干個具有相類似特性的信號環(huán)境要素而言的，因而可以通過相關(guān)的層上的物理量來進行定量描述。該分層認(rèn)知模型是進行雷達信號環(huán)境相關(guān)性認(rèn)知的基礎(chǔ)。

2.2 二體問題

由于不同的裝備所感受的電磁環(huán)境不一樣，電磁環(huán)境對裝備來說是具有相對性的。在相關(guān)性認(rèn)知的概念中，二體問題可以理解是受體相關(guān)性，即將雷達作為一種受體，從雷達的角度來感受或感知電磁信號環(huán)境。于是，可將輻射源信號與雷達的相關(guān)性系數(shù)定義為：

C=CfCsCp

(1)

式中，Cf為頻譜相關(guān)系數(shù)，Cs為空間相關(guān)系數(shù)，Cp為極化相關(guān)系數(shù)。在分層認(rèn)知模型的前三層上對相關(guān)性系數(shù)進行計算，可以定性判斷可能對雷達有影響的輻射源，如圖6所示。黑色實心點所代表的輻射源就是在三個相關(guān)系數(shù)上都有一定值的源，因而可定性判定其與雷達有關(guān)系，即其輻射的電磁波會被雷達接收機所接收，可能會對該雷達裝備造成一定的影響。那么在后續(xù)的仿真或試驗中需要對這些輻射源的狀態(tài)進行考慮。

2.3 三體問題

在相關(guān)性認(rèn)知的概念中，三體問題可以理解為目標(biāo)相關(guān)性。即不同的雷達裝備對信號環(huán)境也會產(chǎn)生影響，最終形成一個雷達裝備與信號環(huán)境相互作用的環(huán)路，如圖7所示。在這個環(huán)路中，既體現(xiàn)了信號環(huán)境與雷達裝備之間的基本相關(guān)性，即頻段相關(guān)、空間相關(guān)和極化相關(guān)等內(nèi)涵；也體現(xiàn)了雷達所發(fā)射的電磁波通過目標(biāo)的散射而最終影響到自己所面臨的信號環(huán)境，進而就影響到自己對原有信號環(huán)境的感知。

那么從目標(biāo)相關(guān)性的角度出發(fā)，可以將雷達信號環(huán)境要素分解為非目標(biāo)回波信號和類目標(biāo)回波信號[12]。如圖8所示，為了定量描述，非目標(biāo)回波信號環(huán)境要素可以定義一個稱為相關(guān)強度比的物理量；而類目標(biāo)回波信號環(huán)境要素可以定義一個被稱為信號相似度的物理量。其中，相關(guān)強度比的相關(guān)對象和信號相似度的相似對象都是以理想的雷達目標(biāo)回波為參考對象。這也是目標(biāo)相關(guān)性的基本內(nèi)涵。從這個角度看，這2個物理量正好表達了雷達在不同任務(wù)性質(zhì)下所面臨的不同信號環(huán)境的相對復(fù)雜度。那么對雷達信號環(huán)境要素的定量描述過程其實就是對相關(guān)強度比和信號相似度這2個物理量的分析和求解過程，而這個過程主要是以分層認(rèn)知模型為基礎(chǔ)進行的。

2.4 多體問題

在三體問題的基礎(chǔ)上，不同的實體目標(biāo)對雷達而言既要體現(xiàn)雷達與目標(biāo)的相關(guān)性，也要體現(xiàn)不同實體目標(biāo)之間的差異性，如圖9所示，這就是相關(guān)性認(rèn)知概念中多體問題的基本內(nèi)涵。正如某些干擾通常只能干擾雷達的某一扇區(qū)，或掩護某幾個距離上的目標(biāo)，并不能對雷達的所有探測區(qū)域進行有效抑制。特別是對于多個實體目標(biāo)位于同一波束的同一距離門內(nèi)時，其屬于不可分辨的群目標(biāo)，那么相關(guān)強度比和信號相似度的計算應(yīng)該要考慮群目標(biāo)所呈現(xiàn)出的整體目標(biāo)散射特性。而若不在同一個距離門，則需要分別考慮各個實體目標(biāo)的散射特性。如果以雷達能同時截獲三種實體目標(biāo)為前提條件，那么衡量干擾的程度時就需要分別考慮三種實體目標(biāo)位于不同區(qū)域時的組合，以及調(diào)制的假目標(biāo)是與哪一個真實實體目標(biāo)回波最相似等問題。然后在每一種組合下，再運用三體問題的研究方法進行認(rèn)知。

這里需要注意的是三體問題與多體問題的差異究竟在什么地方？本來三體問題是針對單目標(biāo)而言的，是相關(guān)性認(rèn)知的第2種情況，是為了從本質(zhì)上說明干擾與目標(biāo)之間的關(guān)系而簡化出來的模型。而通常的雷達都應(yīng)該考慮多目標(biāo)的情況，但目前的認(rèn)識會混淆這2種情況，所以這里把它們分解成2種問題來對待，即多體問題是在三體問題基礎(chǔ)上的發(fā)展和完善。而其差異則直觀表現(xiàn)在針對不同的目標(biāo)而言，同一種電磁環(huán)境或威脅所表現(xiàn)出來的威脅程度是不一樣的，所以從相關(guān)性的角度來說，不能只給一種電磁環(huán)境估出一個定量描述的值。但是針對具體的多目標(biāo)情況該如何分析，本文目前還無法給出有效方法。本文目前只能指出需要區(qū)別對待。

總的來說，上述四個問題即構(gòu)成了對雷達類裝備所面臨的電磁信號環(huán)境的相關(guān)性認(rèn)知框架。這樣的一套認(rèn)知理論框架，是以分層認(rèn)知概念為基礎(chǔ)，以相關(guān)性認(rèn)知概念為核心，實現(xiàn)了從六個物理域到各個環(huán)境要素的有效銜接和映射。希望能夠為人們站在雷達的角度來認(rèn)知雷達信號環(huán)境提供一種有效的思路。當(dāng)然，單體問題本質(zhì)上說是不屬于相關(guān)性認(rèn)知所涉及的三類問題，但是在三類問題的分析中會用到單體問題的分層認(rèn)知模型，所以作為理論基礎(chǔ)與三類問題共同構(gòu)成相關(guān)性認(rèn)知的理論框架。在具體應(yīng)用中，二體問題會用到單體問題中的前三層來判斷外界輻射源是否可能會影響雷達裝備；三體問題和多體問題則會用到單體問題中的所有五層，但是只會以前三層為基礎(chǔ)，而重點是在后兩層上分析外界干擾源不同的波形、時序、調(diào)制方式等對雷達裝備的影響。

3 結(jié)束語

正是由于雷達工作時所面臨的電磁環(huán)境各要素比較多，給分析和度量都帶來了一定的困難，因而本文在充分理解該電磁環(huán)境的構(gòu)成及要素分類方法的基礎(chǔ)上，提出了這種雷達信號環(huán)境的相關(guān)性認(rèn)知方法，給分析和度量提供一種統(tǒng)一的、有效的思路。比如在分析所有輻射源與雷達的基本關(guān)聯(lián)關(guān)系時，就把它看作一個二體問題，可以計算各自的相關(guān)系數(shù)；而在針對單目標(biāo)跟蹤雷達分析其干擾時，就把它看作一個三體問題，可以計算相應(yīng)的相關(guān)強度比和信號相似度；而在針對多目標(biāo)搜索雷達分析其干擾時，就必須把它看作一個多體問題。同時若與動態(tài)的雷達對抗過程相結(jié)合并進行深入分析，那么也可為認(rèn)知雷達、認(rèn)知電子戰(zhàn)中的環(huán)境信息感知提供一定的思路參考。不過多體問題目前還沒有一種可行的思路，這也是后續(xù)研究應(yīng)該重點攻克的難題?！?/p>

[1] 郭齊勝，羅小明，潘高田. 武器裝備試驗理論與檢驗方法[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2013.

[2] 孫鳳榮. 現(xiàn)代雷達裝備綜合試驗與評價[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2013.

[3] 柯宏發(fā)，杜紅梅，趙繼廣，等．電子裝備復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗與評估[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2015.

[4] 戎建剛，王鑫，張衡，等. 復(fù)雜電磁環(huán)境的指標(biāo)體系[J]. 航天電子對抗，2013，29(3)：54-57.

[5] 王鑫，張夫龍，孫希東，等. 武器裝備電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗與評估技術(shù)綜述[J]. 現(xiàn)代防御技術(shù)，2015，43(4)：7-12.

[6] 隋起勝，袁健全，等．反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)場電磁環(huán)境仿真及試驗鑒定技術(shù)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2015.

[7] 隋起勝，張忠陽，景永奇，等.防空導(dǎo)彈戰(zhàn)場電磁環(huán)境仿真及試驗鑒定技術(shù)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2016.

[8] 汪連棟，許雄，曾勇虎，等．復(fù)雜電磁環(huán)境問題的產(chǎn)生與研究[J].航天電子對抗，2013，29(2)：20-22.

[9] 洪麗娜，韓慧，許雄，等．復(fù)雜電磁環(huán)境表征方法[J].航天電子對抗，2013，29(5)：37-40．

[10] 聶皞，汪連棟，曾勇虎，等. 電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2013.

[11] 許雄，汪連棟，曾勇虎，等．裝備復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗問題探討[J].航天電子對抗，2014，30(4)：30-32.

[12] 許雄，汪連棟，曾勇虎，等. 一種雷達導(dǎo)引頭面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境分析方法[J].電子對抗，2015(163)：11-12,31.

[13] 許雄，汪連棟，王國良，等．電磁環(huán)境的分層認(rèn)知概念及應(yīng)用[J]．航天電子對抗，2015，31(4)：29-31.

[14] 汪連棟，申緒澗，韓慧，等．復(fù)雜電磁環(huán)境概論[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2015.

[15] 許雄，吳若無，韓慧，等. 基于相關(guān)性分析的雷達信號環(huán)境定量描述方法探討[C]∥航天電子對抗2016學(xué)術(shù)年會論文集，2016：193-196.