海上編隊(duì)艦載雷達(dá)協(xié)同探測(cè)技術(shù)研究

閆明松，魏旭鴻

(1.海裝上海局，上海 201206；2.中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七○八研究所，上海 200011)

0 引 言

長期以來，艦船編隊(duì)作戰(zhàn)已成為世界各國海軍常用的作戰(zhàn)方式[1-3]，因?yàn)槭艿厍蚯实挠绊懀瑔闻灥耐ㄒ暰嚯x和打擊范圍受限，在面臨超視距攻擊、多批次攻擊的情況下無法有效應(yīng)對(duì)而成為“活靶子”。

現(xiàn)代水面艦船的警戒搜索、目標(biāo)跟蹤、制導(dǎo)、氣象探測(cè)等任務(wù)主要依賴?yán)走_(dá)系統(tǒng)，雷達(dá)系統(tǒng)作為對(duì)空對(duì)海探測(cè)中最重要的傳感器，率先發(fā)現(xiàn)便可先發(fā)制人，性能優(yōu)劣已成為決定現(xiàn)代海戰(zhàn)勝負(fù)的主要因素。對(duì)于艦船編隊(duì)而言，雷達(dá)系統(tǒng)換代升級(jí)的周期長、成本高，故世界各國高度重視現(xiàn)有雷達(dá)系統(tǒng)的效能提升。協(xié)同探測(cè)作為突破口[4-6]，從20世紀(jì)后期開始逐步成為海軍領(lǐng)域的重要研究方向。

雷達(dá)系統(tǒng)通過協(xié)同探測(cè)不僅解決了單部雷達(dá)受地球曲率影響而探測(cè)視距受限的問題，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)艦船超視距協(xié)調(diào)制導(dǎo)。事實(shí)上，當(dāng)前的協(xié)同探測(cè)技術(shù)研究不僅要滿足擴(kuò)大探測(cè)范圍或覆蓋空域，而且要通過信息交互和合作協(xié)同實(shí)現(xiàn)資源的合理規(guī)劃和調(diào)度。

在現(xiàn)代海洋作戰(zhàn)環(huán)境下，困擾艦載雷達(dá)系統(tǒng)使用的主要因素為低空多路徑盲區(qū)、電磁干擾、雷達(dá)截面(RCS)極小的隱身目標(biāo)、多目標(biāo)多層級(jí)襲擊等[7-8]。雷達(dá)通過網(wǎng)絡(luò)化部署進(jìn)行協(xié)同探測(cè)，每部雷達(dá)作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過節(jié)點(diǎn)之間的信息交互實(shí)現(xiàn)友好合作，共同完成探測(cè)任務(wù)。因此，艦船編隊(duì)協(xié)同探測(cè)的過程可簡(jiǎn)單描述為：將各個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)按照一定的方式進(jìn)行組合，充分利用它們不同維度的探測(cè)信息，進(jìn)行信息融合處理，提高在抗電磁干擾、目標(biāo)檢測(cè)等方面的性能。

本文首先分析了協(xié)同探測(cè)技術(shù)的研究背景，然后詳細(xì)闡述了實(shí)現(xiàn)協(xié)同探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，并提出了一種協(xié)同探測(cè)的工作流程，接下來進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真驗(yàn)證與雷達(dá)協(xié)同探測(cè)優(yōu)勢(shì)分析，并總結(jié)本文研究工作。

1 研究背景

進(jìn)入21世紀(jì)以后，伴隨著科技發(fā)展、武器裝備進(jìn)步和世界格局的變化，雷達(dá)系統(tǒng)的作戰(zhàn)環(huán)境愈發(fā)惡劣，生存能力受到嚴(yán)峻考驗(yàn)，往往需要將多部雷達(dá)通過合理有效的協(xié)同工作機(jī)制有機(jī)地組合起來，能夠發(fā)揮出單部雷達(dá)不具備的作戰(zhàn)效能。例如美國航母編隊(duì)依托E-2C預(yù)警機(jī)雷達(dá)、AN/SPY-1警戒雷達(dá)、SPQ-9B近防雷達(dá)、AN/SPS-49對(duì)空搜索雷達(dá)和AN/SPS-67對(duì)海搜索雷達(dá)等傳感器，并結(jié)合艦載武器系統(tǒng)構(gòu)建了多層次全空域的防御圈，能夠應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境下的導(dǎo)彈飽和攻擊。

近年來，得益于光纖傳輸、無線通信和信息處理等技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外科研院所在雷達(dá)協(xié)同探測(cè)領(lǐng)域的研究成果日新月異，主要涉及資源配置、數(shù)據(jù)傳輸、信息融合、融合檢測(cè)等相關(guān)內(nèi)容。

2 協(xié)同探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)

“雷達(dá)組網(wǎng)”即“雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)化”，是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)協(xié)同探測(cè)的重要途徑和關(guān)鍵技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)之間的感知資源與探測(cè)信息共享，能夠?qū)崟r(shí)形成完整準(zhǔn)確的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，以便于艦船編隊(duì)合理分配兵力資源。此外，協(xié)同探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)還包括資源配置技術(shù)和信息融合處理技術(shù)。

2.1 雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù)

“雷達(dá)組網(wǎng)”的關(guān)鍵問題是網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與協(xié)同數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)同數(shù)據(jù)的傳輸與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方式相關(guān)，如果是同一平臺(tái)，則可簡(jiǎn)單地直接通過差分信號(hào)或光纖數(shù)據(jù)完成控制參數(shù)、基帶數(shù)據(jù)傳輸，目前的研究重點(diǎn)是針對(duì)不同的艦船平臺(tái)，通過無線傳輸方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，相比之下難度較大，因?yàn)闊o線傳輸具有帶寬窄、易受干擾以及受時(shí)序影響較大等特點(diǎn)。

由于戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)瞬息萬變，不同艦船平臺(tái)的任務(wù)使命可能發(fā)生變化，導(dǎo)致雷達(dá)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)也需要隨之調(diào)整，這就要求雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)須具備“即插即用”、高效、實(shí)時(shí)、傳輸方式靈活可調(diào)整等特點(diǎn)，目前分布式多雷達(dá)節(jié)點(diǎn)的最佳工作方式是無中心自組網(wǎng)方式，各雷達(dá)節(jié)點(diǎn)均將探測(cè)信息等發(fā)送至編隊(duì)內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 雷達(dá)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)框圖

雷達(dá)組網(wǎng)的任務(wù)是不同雷達(dá)節(jié)點(diǎn)之間須進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)信息交互，在海面復(fù)雜電磁干擾的環(huán)境下，數(shù)據(jù)信息的容量和質(zhì)量在一定程度上直接決定協(xié)同探測(cè)的性能優(yōu)劣。雷達(dá)組網(wǎng)涉及的核心技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)模塊的集成設(shè)計(jì)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化部署技術(shù)和大容量低誤碼率無線通信技術(shù)等[9]。

2.2 資源配置技術(shù)

資源配置技術(shù)作為協(xié)同探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，既包含靜態(tài)的資源分配，也包含資源的動(dòng)態(tài)調(diào)整和優(yōu)化，可根據(jù)當(dāng)前戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和目標(biāo)信息，實(shí)時(shí)地通過頻段、極化、時(shí)間和空域等資源合理調(diào)度，獲取目標(biāo)的多維散射信息，最大程度地提升雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)探測(cè)能力以及復(fù)雜電磁環(huán)境的應(yīng)對(duì)能力[10]，工作流程如圖2所示。

圖2 資源配置工作流程框圖

資源配置需要以特定的探測(cè)任務(wù)為目標(biāo)，靈活地進(jìn)行資源分配和優(yōu)化，以保證雷達(dá)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的性能發(fā)揮到最佳狀態(tài)。

資源配置的實(shí)質(zhì)是各個(gè)雷達(dá)節(jié)點(diǎn)頻段資源、極化資源、時(shí)間資源和空間資源等的合理利用，是雷達(dá)系統(tǒng)協(xié)同探測(cè)的核心內(nèi)容，目前已成為協(xié)同探測(cè)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向[11-13]。

2.3 信息融合處理技術(shù)

信息融合處理是指雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)參與協(xié)同探測(cè)的各個(gè)雷達(dá)節(jié)點(diǎn)獲取的目標(biāo)探測(cè)信息進(jìn)行整合、處理，從而獲得單個(gè)雷達(dá)節(jié)點(diǎn)無法獲取的目標(biāo)信息的過程，作為協(xié)同探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，信息融合處理可以帶來跟蹤穩(wěn)定性提升、檢測(cè)概率提高、探測(cè)距離擴(kuò)大等優(yōu)勢(shì)，提高戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知的完整性[14]。按照信息的層級(jí)可分為2種情況：信號(hào)級(jí)融合處理和數(shù)據(jù)級(jí)融合處理。

2.3.1 信號(hào)級(jí)融合處理技術(shù)

信號(hào)級(jí)融合處理是在門限檢測(cè)前對(duì)各個(gè)雷達(dá)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行融合處理的過程，與數(shù)據(jù)級(jí)融合處理相比，主要優(yōu)勢(shì)是能夠提高目標(biāo)信噪比，尤其是提高對(duì)微弱目標(biāo)的檢測(cè)能力。目前雷達(dá)系統(tǒng)大都采用全相參體制，受限于頻率源的相位穩(wěn)定性，不同雷達(dá)節(jié)點(diǎn)之間的相參性很難保證，故目前的融合處理方式主要為非相參積累檢測(cè)，典型的處理過程如下：

(1) 單部雷達(dá)按照設(shè)定的檢測(cè)單元進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、脈壓、相參/非相參積累等信號(hào)處理后形成目標(biāo)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并發(fā)送至其他雷達(dá)節(jié)點(diǎn)；

(2) 本地雷達(dá)實(shí)時(shí)接收其他雷達(dá)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)狀態(tài)數(shù)據(jù)；

(3) 進(jìn)行目標(biāo)狀態(tài)數(shù)據(jù)融合，包括本地雷達(dá)與其他雷達(dá)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)狀態(tài)數(shù)據(jù)空時(shí)配準(zhǔn)、共同區(qū)域數(shù)據(jù)的幅度校準(zhǔn)、共同區(qū)域數(shù)據(jù)非相參積累等內(nèi)容，然后進(jìn)行門限檢測(cè)后形成數(shù)據(jù)視頻。工作流程如圖3所示。

圖3 信號(hào)級(jí)融合處理的典型工作流程框圖

信號(hào)級(jí)融合處理雖然性能更佳，但具有處理資源消耗多、數(shù)據(jù)量大、對(duì)通信帶寬要求高等特點(diǎn)，經(jīng)歷理論研究，正在逐步轉(zhuǎn)入工程應(yīng)用。

2.3.2 數(shù)據(jù)級(jí)融合處理技術(shù)

數(shù)據(jù)級(jí)融合處理是對(duì)各個(gè)雷達(dá)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立完成目標(biāo)回波信號(hào)處理后形成的點(diǎn)跡或航跡進(jìn)行綜合處理的過程。點(diǎn)跡融合處理作為目前最熱門的研究方向，在航跡處理之前完成，能夠解決單部雷達(dá)由于點(diǎn)跡丟失而帶來的航跡起批失敗問題，還可以通過盲區(qū)互補(bǔ)來提升目標(biāo)跟蹤的穩(wěn)定性。典型的數(shù)據(jù)處理過程如下：

(1) 本地雷達(dá)實(shí)時(shí)接收其他雷達(dá)節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)跡數(shù)據(jù)；

(2) 點(diǎn)跡融合處理，包含異常值剔除、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、時(shí)間配準(zhǔn)、系統(tǒng)誤差修正等內(nèi)容；

(3) 進(jìn)行航跡處理，包括航跡起批、航跡關(guān)聯(lián)和航跡濾波等內(nèi)容，并將航跡信息發(fā)送至所有雷達(dá)，可以實(shí)現(xiàn)不同雷達(dá)的盲區(qū)互補(bǔ)，提高雷達(dá)在該區(qū)域內(nèi)的跟蹤穩(wěn)健性。流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)級(jí)融合處理的典型工作流程框圖

數(shù)據(jù)級(jí)融合處理在工程實(shí)踐中的應(yīng)用前景較為廣泛，具備資源消耗少、數(shù)據(jù)量小、對(duì)通信帶寬要求低等優(yōu)勢(shì)，但融合處理前的目標(biāo)信息已進(jìn)行門限檢測(cè)，微弱目標(biāo)信息可能已經(jīng)丟失，故數(shù)據(jù)級(jí)融合處理無法提高目標(biāo)的檢測(cè)概率，也無法通過融合處理擴(kuò)大目標(biāo)的探測(cè)距離。

綜上所述，信息融合處理可以提升目標(biāo)檢測(cè)和穩(wěn)定跟蹤能力，獲得更加完整準(zhǔn)確的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖，克服單個(gè)傳感器的視距受限、多路徑盲區(qū)互補(bǔ)、微弱目標(biāo)檢測(cè)能力不足等缺陷，有效提升了艦船編隊(duì)的作戰(zhàn)能力。信息融合處理涉及的核心技術(shù)包括空間-時(shí)間配準(zhǔn)技術(shù)、高性能融合算法研究、多層次融合技術(shù)和融合效果評(píng)估技術(shù)等。

3 協(xié)同探測(cè)的工作流程

艦船編隊(duì)協(xié)同探測(cè)建立在不同雷達(dá)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)信息共享與信息交互的基礎(chǔ)上，對(duì)雷達(dá)節(jié)點(diǎn)的頻段、極化、時(shí)間和空域等資源進(jìn)行配置，制定各個(gè)雷達(dá)節(jié)點(diǎn)的工作模式與參數(shù)，然后對(duì)各個(gè)雷達(dá)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)探測(cè)信息進(jìn)行融合處理。本節(jié)提出一種協(xié)同探測(cè)的工作流程，如圖5所示。

圖5 一種協(xié)同探測(cè)工作流程框圖

協(xié)同探測(cè)的工作主要涉及制定作戰(zhàn)任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、資源配置、信息融合、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)評(píng)估等內(nèi)容，簡(jiǎn)單闡述如下：

(1) 首先將當(dāng)前某部雷達(dá)率先獲取的目標(biāo)探測(cè)信息作為先驗(yàn)知識(shí)，進(jìn)行本次作戰(zhàn)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)初步評(píng)估，并制定相應(yīng)的作戰(zhàn)任務(wù)指令發(fā)布至艦船平臺(tái)；

(2) 然后根據(jù)當(dāng)前的作戰(zhàn)需求，進(jìn)行艦船編隊(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的頻段、極化、時(shí)間和空間資源配置，選擇最優(yōu)方案構(gòu)建雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)定參與協(xié)同的各個(gè)雷達(dá)節(jié)點(diǎn)的工作模式和工作參數(shù)；

(3) 接下來對(duì)參與協(xié)同的各個(gè)雷達(dá)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)探測(cè)信息進(jìn)行融合處理，形成新的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖，并根據(jù)各雷達(dá)節(jié)點(diǎn)的探測(cè)性能來判斷該節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量優(yōu)劣；

(4) 根據(jù)當(dāng)前的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，重新制定作戰(zhàn)任務(wù)指令，重復(fù)上述過程，根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)和節(jié)點(diǎn)質(zhì)量，進(jìn)行協(xié)同工作機(jī)制下的資源動(dòng)態(tài)配置。

4 數(shù)據(jù)仿真驗(yàn)證

本節(jié)在理想條件下，不考慮空間、時(shí)間的配準(zhǔn)誤差，通過數(shù)據(jù)仿真首先驗(yàn)證了2部雷達(dá)進(jìn)行回波信號(hào)非相參積累融合后能夠提升信雜比，然后驗(yàn)證了2部不同頻段和極化方向的雷達(dá)通過數(shù)據(jù)融合能夠?qū)崿F(xiàn)低空多路徑盲區(qū)互補(bǔ)，證明了資源配置與信息融合技術(shù)的可行性與重要性，如下所述：

(1) 仿真參數(shù)設(shè)置為：雷達(dá)1和雷達(dá)2的工作頻率均為9 GHz，重頻均為2 kHz，信噪比為50 dB，天線轉(zhuǎn)速60 r/min，設(shè)一靜止點(diǎn)目標(biāo)在 7.5 km 處(相對(duì)雷達(dá)1)，由圖6、圖7可知，目標(biāo)被強(qiáng)海雜波淹沒(海雜波模擬采用韋布爾分布模型)，積累前的單部雷達(dá)信雜比為12 dB，雷達(dá)1的20個(gè)重頻周期回波數(shù)據(jù)如圖6所示，雷達(dá)2的20個(gè)重頻周期回波數(shù)據(jù)(假定已進(jìn)行時(shí)空配準(zhǔn))如圖7所示。

圖6 雷達(dá)1的20個(gè)重頻周期回波數(shù)據(jù)

圖7 雷達(dá)2的20個(gè)重頻周期回波數(shù)據(jù)

2部雷達(dá)進(jìn)行非相參積累融合后的20個(gè)重頻周期回波數(shù)據(jù)如圖8所示，信雜比可提升約1.5 dB，有利于檢測(cè)出淹沒在海雜波中的慢動(dòng)小目標(biāo)。

圖8 2部雷達(dá)進(jìn)行非相參積累融合后的20個(gè)重頻周期回波數(shù)據(jù)

(2) 仿真參數(shù)設(shè)置為：雷達(dá)1的工作頻率為6 GHz，極化方向?yàn)樗綐O化，雷達(dá)2的工作頻率為9 GHz，極化方向?yàn)榇怪睒O化，設(shè)備架高均為20 m，海情為二級(jí)海況。假定目標(biāo)高度在100 m以下，雷達(dá)1的低空多路徑探測(cè)盲區(qū)如圖9所示，雷達(dá)2的低空多路徑探測(cè)盲區(qū)(假定已進(jìn)行時(shí)空配準(zhǔn))如圖10所示。

圖9 雷達(dá)1的低空多路徑探測(cè)盲區(qū)圖

圖10 雷達(dá)2的低空多路徑探測(cè)盲區(qū)圖

2部雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后的低空多路徑盲區(qū)如圖11所示，可以看出盲區(qū)大大減少，在很大程度上改善了低空目標(biāo)的探測(cè)性能。

圖11 2部雷達(dá)數(shù)據(jù)融合后的低空多路徑探測(cè)盲區(qū)圖

綜上所示，本節(jié)通過數(shù)據(jù)仿真驗(yàn)證了艦載雷達(dá)采用協(xié)同探測(cè)技術(shù)后，提高了信雜比率，減小了低空多路徑盲區(qū)，相比雷達(dá)非協(xié)同探測(cè)具有明顯優(yōu)勢(shì)。另外，雷達(dá)協(xié)同探測(cè)后還在資源調(diào)度能力、空域覆蓋能力和復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)能力等方面提升了設(shè)備性能，該部分研究內(nèi)容將在后續(xù)研究中體現(xiàn)。

5 結(jié)束語

艦船編隊(duì)協(xié)同探測(cè)克服了單艘艦船雷達(dá)系統(tǒng)因地球曲率影響而使探測(cè)視距受限的問題，通過采用不同艦船平臺(tái)雷達(dá)系統(tǒng)的協(xié)同工作機(jī)制，艦船編隊(duì)在復(fù)雜自然環(huán)境下的適應(yīng)能力、復(fù)雜電磁環(huán)境試驗(yàn)?zāi)芰σ约拔⑷跄繕?biāo)檢測(cè)能力等方面得到很大提升。作為艦船編隊(duì)空海探測(cè)的主要發(fā)展方向，本文詳細(xì)闡述了協(xié)同探測(cè)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種適用于艦船編隊(duì)的雷達(dá)系統(tǒng)協(xié)同探測(cè)工作流程，理想條件下的數(shù)據(jù)仿真結(jié)果證明，協(xié)同探測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)低空目標(biāo)多路徑盲區(qū)互補(bǔ)以及海面目標(biāo)檢測(cè)概率的提升，在如何充分發(fā)揮艦船編隊(duì)現(xiàn)有雷達(dá)裝備的探測(cè)性能方面具有一定的指導(dǎo)意義。