雷達(dá)綜合抗干擾效能評估方法指標(biāo)研究

何小鋒

(91404部隊(duì)，河北 秦皇島 066000)

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭是高科技的戰(zhàn)爭，不僅僅是制空權(quán)、制海權(quán)之間的競爭，更是制電磁權(quán)之間的競爭。當(dāng)今幾場局部高科技戰(zhàn)爭如伊拉克戰(zhàn)爭、利比亞戰(zhàn)爭中表現(xiàn)的尤為突出，美國憑借著強(qiáng)大的電磁設(shè)備取得了戰(zhàn)爭的勝利。戰(zhàn)場上電磁環(huán)境復(fù)雜多變，戰(zhàn)爭雙方干擾和反干擾你來我往。由于電磁波看不到摸不著，評估電子裝備的性能非常困難，作戰(zhàn)效果的評估往往采用戰(zhàn)后數(shù)據(jù)的分析。所以，如何準(zhǔn)確、時(shí)效地評價(jià)雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾性能已成為雷達(dá)研制和使用部門人員關(guān)心的重要課題。

戰(zhàn)場上電磁環(huán)境復(fù)雜，干擾類型、干擾功率、干擾密度、雷達(dá)設(shè)備性能、體制、綜合抗干擾措施存在差異，要準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、全面地評估對抗效能是非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程。目前的文獻(xiàn)資料主要介紹了雷達(dá)抗干擾的評估準(zhǔn)則、方法、指標(biāo)體系。歐美以及國內(nèi)專家從理論到工程應(yīng)用方面對雷達(dá)抗干擾效能評估方面作了大量研究工作，取得了大量的理論研究成果。但是，由于抗干效能評估的復(fù)雜性，抗干擾效能評估實(shí)際評估效果報(bào)道幾乎沒有。

抗干擾效能評估方案主要有試驗(yàn)法、仿真法和解析計(jì)算法。解析法結(jié)合仿真及局部試驗(yàn)的方式評估雷達(dá)的干擾抗干擾性能仍是目前主要的方法。本文總結(jié)了關(guān)于抗干擾評估的方法，分析了加權(quán)模型、多層次模糊模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估模型，建立了戰(zhàn)場探測系統(tǒng)綜合評估模型。基于此模型，利用仿真數(shù)據(jù)對3種評估模型雷達(dá)進(jìn)行了演算，比較了3種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對綜合探測抗干擾效能評估提供了一定的借鑒作用。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的局限性，需要進(jìn)一步通過數(shù)據(jù)優(yōu)化模型。

1 評估準(zhǔn)則以及評估方法

抗干擾評估準(zhǔn)則主要有功率準(zhǔn)則、概率準(zhǔn)則和效率準(zhǔn)則[1-2]。功率準(zhǔn)則、概率準(zhǔn)則主要針對噪聲壓制和轉(zhuǎn)發(fā)式干擾。效率準(zhǔn)則也叫戰(zhàn)術(shù)準(zhǔn)則。效率準(zhǔn)則將抗干擾效果和作戰(zhàn)使命聯(lián)系起來，采取抗干擾措施前后的指標(biāo)變化來評估，采用抗干擾措施前后的指標(biāo)變化表征抗干擾效能。利用效率準(zhǔn)則，通過直接比較不同環(huán)境下的指標(biāo)變化檢測數(shù)據(jù)就可以得出雷達(dá)抗干擾評估結(jié)果。目前比較常用的評估方法主要有加權(quán)模型、多層次模糊模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估模型。

1.1 加權(quán)評估

加權(quán)評估模型[3-4]是傳統(tǒng)的評估方法。它首先確定評估指標(biāo)模型，可定義單層和多層評估指標(biāo)模型，根據(jù)評估指標(biāo)模型通過專家打分等形式。本文評估模型見第2節(jié)，確定各層指標(biāo)的重要性判斷矩陣，計(jì)算各指標(biāo)在系統(tǒng)效能評價(jià)體系中的重要性權(quán)重，通過試驗(yàn)計(jì)算評估模型指標(biāo)值，利用各指標(biāo)重要性權(quán)重對各評估指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)得到抗干擾效能。加權(quán)評估流程如圖1所示。原則上講，通過大量對抗試驗(yàn)，加權(quán)評估獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，再根據(jù)效率準(zhǔn)則來評價(jià)雷達(dá)抗干擾效果，得出的結(jié)果是最可靠的。但實(shí)際上，大量對抗實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)往往受到各種因素的制約而難以有效地進(jìn)行，并且加權(quán)評估指標(biāo)采用專家打分的形式，有一定局限性。

圖1 加權(quán)評估流程

1.2 多層次模糊評估

多層次模糊評估[5-7]是通過應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的處理方法，對各因素集建立相應(yīng)的模糊評價(jià)模型，得到最終干擾效果的一個(gè)模糊判決模型。

多層次模糊評估首先建立多層次模糊評估模型，然后確定評估指標(biāo)，計(jì)算指標(biāo)權(quán)重；另一方面，需要計(jì)算評估指標(biāo)值和建立評估集，根據(jù)隸屬度函數(shù)、指標(biāo)計(jì)算結(jié)果和評估集得到評價(jià)模糊矩陣，其流程如圖2所示。

圖2 模糊評估流程

(1) 建立模糊評判模型

首先確定綜合評判模型。對于雷達(dá)抗干擾性能的評估，評估的有關(guān)因素很多，很難合理地給出權(quán)重的分配，即很難真實(shí)地反映各因素在整體評判中的地位。多層次模糊評估考慮采取多級評判，將復(fù)雜的因素分解為較簡單的下一級諸因素。單因素評判便可由下一級諸因素的綜合評判獲得。在雷達(dá)抗干擾性能評估中，因素集就是評估的指標(biāo)體系。

(2) 建立權(quán)重集

各個(gè)因素在評估中具有的重要程度不同。對于重要的因素應(yīng)特別看重。對于不十分重要的因素，雖然應(yīng)當(dāng)考慮，但不必看重。對各個(gè)因素按其重要程度給出不同的權(quán)重，就可以得到因素集權(quán)重。

(3) 確定評估集

確定評估集，用諸如“很好、好、中等、差、很差”的一組模糊語言評價(jià)抗干擾效果的優(yōu)劣。這組語言同時(shí)將抗干擾效果分成對應(yīng)的若干等級。

(4) 計(jì)算模糊綜合評判矩陣

模糊數(shù)學(xué)用0～1之間的數(shù)描述模糊性，表明了兩個(gè)事物與概念相互符合的程度，也就是隸屬度。隸屬度隨指標(biāo)因素變化的函數(shù)就是隸屬函數(shù)。確定隸屬函數(shù)的常用方法有模糊統(tǒng)計(jì)法、三分法、模糊分布、專家打分法等，其中最常用的為模糊分布法。對于評價(jià)級別的劃分，可以采用將[0,1] 區(qū)間分成若干段的方法，每一段對應(yīng)地表示一個(gè)等級。隸屬度評判矩陣解決了指標(biāo)變化引起的權(quán)重變化，例如壓制干擾時(shí)假目標(biāo)剔除率的權(quán)重隨之變化。

(5) 模糊綜合評判

采用極大極小型、乘積取大型、加權(quán)平均型等，均滿足保序性和綜合性，進(jìn)一步給出明確的評估結(jié)果。

1.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估法

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[8-10]是應(yīng)用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。它基于反向傳播學(xué)習(xí)算法的多層網(wǎng)絡(luò)模型，由輸入層、輸出層和隱層(可1層或多層)及其前向連接而成，具有非線性映射能力強(qiáng)、容錯(cuò)能力好、局部尋優(yōu)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由豐富的神經(jīng)元組成，通過迭代訓(xùn)練修正神經(jīng)元的權(quán)值和閾值，可以實(shí)現(xiàn)任意的非線性映射關(guān)系。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為一種抗干擾效能評估的有效手段。典型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖3所示。

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估方法需要大量的學(xué)習(xí)樣本，并且輸入輸出樣本必須具有權(quán)威性。這樣經(jīng)過訓(xùn)練的BP網(wǎng)絡(luò)才能真實(shí)、可靠地反映雷達(dá)的綜合抗干擾能力，對于不是樣本集中的輸入也能給出合適的輸出，克服了人為確定權(quán)重的困難及模糊性和隨機(jī)性的影響。這是一種智能綜合評價(jià)方法。

2 基于多傳感器融合的指標(biāo)模型

建立合理的評估指標(biāo)模型是抗干擾效能評估的依據(jù)和基礎(chǔ)。為了全面反映戰(zhàn)場雷達(dá)綜合抗干擾作戰(zhàn)效能，建立一套多層次的、完整的指標(biāo)模型才能對抗干擾效能做出全面的客觀評估。本節(jié)在文獻(xiàn)[11]的基礎(chǔ)上，引入了信息融合處理的指標(biāo)。指標(biāo)模型主要選取決定雷達(dá)性能的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，更好地反映作戰(zhàn)效能。同時(shí)，選取了單雷達(dá)的固有抗干擾措施指標(biāo)。單傳感器性能指標(biāo)客觀上可反映雷達(dá)的抗干擾性能。主要指標(biāo)包括雷達(dá)威力變化、精度改善、假目標(biāo)剔除率、真目標(biāo)識別率(TTR)，以及航跡質(zhì)量、抗干擾措施。其中，前5個(gè)指標(biāo)不但適用于單雷達(dá)抗干擾，也適用于綜合抗干擾信息融合抗干擾指標(biāo)。建立的指標(biāo)模型如圖4。

圖4 戰(zhàn)場綜合抗干擾效能評估指標(biāo)

(1) 雷達(dá)探測威力

雷達(dá)威力變化指標(biāo)用來表示干擾前后和采取抗干擾措施前后的威力變化程度。采取抗干擾措施前后威力改善程度用于抗干擾效能評估。由于干擾前后和采取抗干擾措施前后的威力變化程度需要錄取數(shù)據(jù)，無法實(shí)時(shí)處理，威力基準(zhǔn)可采用雷達(dá)的性能指標(biāo)，對典型目標(biāo)、RCS錄入數(shù)據(jù)庫，可通過等效換算得到不同距離單元的信噪比。當(dāng)雷達(dá)受到干擾后，通過識別目標(biāo)類型，計(jì)算雷達(dá)威力的變化。

(2) 精度改善

用于抗干擾效能評估時(shí)，測距/測角精度改善因子是指干擾機(jī)開啟，雷達(dá)采取抗干擾措施前后雷達(dá)系統(tǒng)測角和測距的變化。由于精度計(jì)算需要目標(biāo)位置真值，同威力變化，需要錄取數(shù)據(jù)，目標(biāo)裝備GPS，指標(biāo)只能在試驗(yàn)時(shí)得到。為了得到相近的計(jì)算，可根據(jù)目標(biāo)信噪比變化，目標(biāo)航跡的平滑擬合得到假定精度。

(3) 假目標(biāo)剔除率

假目標(biāo)數(shù)是指在一個(gè)波束駐留內(nèi)假目標(biāo)多少。假目標(biāo)數(shù)量減少的越多表示抗干擾效果越好。假目標(biāo)剔除率是指采取抗干擾措施前后檢測到的假目標(biāo)數(shù)的變化，由下式進(jìn)行計(jì)算：

其中，N0表示采取抗干擾措施前覆蓋空域內(nèi)雷達(dá)檢測到的虛警目標(biāo)個(gè)數(shù)，Nk表示采取抗干擾措施后覆蓋空域內(nèi)雷達(dá)檢測到的虛警目標(biāo)個(gè)數(shù)。

(4) 真目標(biāo)識別率(TTR)

真目標(biāo)識別率是指在給定時(shí)間范圍內(nèi)覆蓋空域中真實(shí)目標(biāo)被正確檢測的概率，真目標(biāo)識別率由下式進(jìn)行計(jì)算：

其中，N0表示雷達(dá)受到干擾時(shí)給定時(shí)間范圍內(nèi)覆蓋空域中真實(shí)目標(biāo)的數(shù)量，Nk表示采取抗干擾措施后給定時(shí)間范圍內(nèi)覆蓋空域中能夠檢測到真實(shí)目標(biāo)的數(shù)量。

(5) 航跡質(zhì)量

航跡質(zhì)量一定程度上反映了目標(biāo)檢測的概率。航跡質(zhì)量定義為正常跟蹤的一段時(shí)間內(nèi)接收到的存在有效點(diǎn)跡的幀數(shù)/總幀數(shù)。跟蹤時(shí)間內(nèi)的總幀數(shù)為Nmax，其中有效點(diǎn)跡的幀數(shù)為N，則航跡質(zhì)量K為

(6) 固有抗干擾措施

抗干擾措施是雷達(dá)的固有屬性。目前的抗干擾措施主要有副瓣對消、副瓣匿影、頻率分集、頻率捷變等，根據(jù)雷達(dá)自身的抗干擾措施進(jìn)行打分。

3 仿真分析

根據(jù)第2節(jié)建立的評估模型建立仿真的指標(biāo)體系。假設(shè)戰(zhàn)場包括了3部雷達(dá)，雷達(dá)性能不同，受到干擾的程度不同。建立評價(jià)集，按“優(yōu)、良、一般、較差、差”區(qū)分，設(shè)定評價(jià)集矩陣V=[1，0.8，0.6，0.5，0.4]。根據(jù)文獻(xiàn)建立樣本數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)的加權(quán)評估法，基于層次分析(AHP) 的模糊法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行評估。

表1 列出了對3部雷達(dá)樣本加權(quán)評估、AHP模糊評估和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估對應(yīng)的評估值(已歸一化)。其中，數(shù)據(jù)1為3部雷達(dá)同一試驗(yàn)中不同性能指標(biāo)評價(jià)集，數(shù)據(jù)1、2、3是相同3部雷達(dá)不同試驗(yàn)結(jié)果的評價(jià)集。圖5給出了9組樣本的評估結(jié)果。從圖中可以看到，3種方法對樣本評估基本一致，最大值為第1組數(shù)據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和加權(quán)評估差0.12。加權(quán)評估需要對各指標(biāo)設(shè)定權(quán)重。由于固定性能指標(biāo)忽略了威力、精度的重要性，偏差較大，模糊綜合評估法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的結(jié)論是一致的。

AHP模糊評估建立了指標(biāo)的綜合評判矩陣，能夠得出相對正確的結(jié)論。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法需要通過訓(xùn)練探求輸入輸出之間的內(nèi)在聯(lián)系，找到它們之間的非線性映射關(guān)系。由此對比結(jié)果可以證實(shí)3種方法在特定條件下一致。模糊評估法和加權(quán)法必須有專家的參與。相比之下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法只有在樣本獲取時(shí)尋求了專家的幫助。網(wǎng)絡(luò)一旦訓(xùn)練好就不再需要其他外部條件，降低了主觀因素和隨機(jī)因素的影響。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在這一方面更占優(yōu)勢。表中利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對3部雷達(dá)的綜合效能進(jìn)行了評估。由于3部雷達(dá)共享數(shù)據(jù)，評估結(jié)果更偏重固有性能高的雷達(dá)。

表1 抗干擾性能比較

圖5 3種評估方法評估結(jié)果

4 結(jié)束語

本文根據(jù)文獻(xiàn)總結(jié)了關(guān)于抗干擾評估準(zhǔn)則，分析了加權(quán)模型、多層次模糊模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估模型，建立了戰(zhàn)場探測系統(tǒng)綜合評估模型?；诖四Ｐ?，利用仿真數(shù)據(jù)對3種評估模型雷達(dá)進(jìn)行了演算，比較了3種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。由于目前的文獻(xiàn)資料主要集中在理論研究方面，文獻(xiàn)報(bào)道的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，本文建立的戰(zhàn)場探測系統(tǒng)綜合評估模型對工程應(yīng)用有一定的借鑒意義，但仍需要大量的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析驗(yàn)證。