認(rèn)知雷達(dá)參數(shù)化波形設(shè)計(jì)

喬 凱 蔡興雨 董 國 王 旭

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

傳統(tǒng)體制雷達(dá)通常以相對固定的工作模式來發(fā)射固定的波束、電磁波形式，同時以相對固定的模式來接收處理回波信號[1]。然而，隨著雷達(dá)作戰(zhàn)環(huán)境越來越復(fù)雜，雷達(dá)所需探測的地面和空中目標(biāo)愈加多樣，同時隨著電子戰(zhàn)技術(shù)的飛速發(fā)展，雷達(dá)所面臨的電磁環(huán)境也更加復(fù)雜，傳統(tǒng)雷達(dá)很難滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭對雷達(dá)系統(tǒng)的需求[2]。而認(rèn)知雷達(dá)可利用目標(biāo)和環(huán)境的先驗(yàn)信息，通過算法優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)射波形，合理分配雷達(dá)發(fā)射資源，同時可自適應(yīng)優(yōu)化接收處理，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)接收到發(fā)射的閉環(huán)，能夠很好地提升雷達(dá)的探測性能和陣地適應(yīng)能力。

目前，對于認(rèn)知雷達(dá)的研究主要體現(xiàn)在對認(rèn)知雷達(dá)架構(gòu)及參數(shù)化模型的建立、對認(rèn)知雷達(dá)資源管理調(diào)度、對認(rèn)知雷達(dá)關(guān)于對環(huán)境及目標(biāo)先驗(yàn)信息的處理算法這幾個方面[3]。本文則從認(rèn)知雷達(dá)架構(gòu)入手，對認(rèn)知雷達(dá)架構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，闡述認(rèn)知雷達(dá)參數(shù)化理念和參數(shù)化的必要性；從雷達(dá)方程入手，結(jié)合認(rèn)知雷達(dá)一般調(diào)度需求，確定參數(shù)化波形的結(jié)構(gòu)及具體參數(shù)，建立起一個完整的參數(shù)化波形，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。通過對認(rèn)知雷達(dá)的參數(shù)化波形進(jìn)行建模研究，可有效解決認(rèn)知雷達(dá)在工作時資源調(diào)度不全、參數(shù)化波形不能很好地表征雷達(dá)整體控制的問題；可為雷達(dá)資源管理提供支撐，解決雷達(dá)資源調(diào)度時應(yīng)該怎樣調(diào)度雷達(dá)參數(shù)的問題；也可為雷達(dá)波形庫的建立提供支撐。

1 認(rèn)知雷達(dá)參數(shù)化概述

1.1 認(rèn)知雷達(dá)概述

與傳統(tǒng)雷達(dá)相比，認(rèn)知雷達(dá)不僅僅是簡單的發(fā)射與接收，而是實(shí)現(xiàn)了“發(fā)射機(jī)-綜合電磁環(huán)境-接收機(jī)-發(fā)射機(jī)”的自適應(yīng)閉環(huán)處理流程[4]。其不僅接收回波信息來獲取目標(biāo)信息，還可獲取干擾、噪聲、雜波等綜合環(huán)境信息，自適應(yīng)處理可通過環(huán)境信息和回波信息并結(jié)合先驗(yàn)信息來進(jìn)行運(yùn)算，決定下一次的發(fā)射最優(yōu)波形和雷達(dá)控制參數(shù)，形成“發(fā)射波形-接收回波-發(fā)射波形”的閉環(huán)[5]。

1.2 認(rèn)知雷達(dá)架構(gòu)

認(rèn)知雷達(dá)架構(gòu)最早由Haykin S教授在2006年提出；之后Haykin在2012年對認(rèn)知雷達(dá)架構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，加入模型庫與波形庫的概念[6]；文獻(xiàn)[7]給出了認(rèn)知雷達(dá)的詳細(xì)體系架構(gòu)；綜合文章中的論述，對認(rèn)知雷達(dá)智能調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)改進(jìn)，認(rèn)知雷達(dá)的架構(gòu)及工作模式如圖1所示。

圖1 認(rèn)知雷達(dá)結(jié)構(gòu)及工作模式

圖1中對認(rèn)知雷達(dá)架構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的表述，并對認(rèn)知雷達(dá)工作中的信息流進(jìn)行了簡要表示。雷達(dá)根據(jù)任務(wù)類型初步選擇一系列參數(shù)化波形并通過高性能射頻前端發(fā)射；接收后根據(jù)回波信息進(jìn)行自適應(yīng)處理，智能調(diào)度系統(tǒng)通過處理后的信息獲取到雷達(dá)的周圍環(huán)境信息和目標(biāo)信息，自適應(yīng)選擇其下一組發(fā)射參數(shù)和處理參數(shù)，并將下一組控制信息發(fā)送于信息處理機(jī)與前端，進(jìn)行下一輪發(fā)射。雷達(dá)操控者也可通過人機(jī)交互系統(tǒng)自行選擇雷達(dá)的控制參數(shù)。

1.3 認(rèn)知雷達(dá)參數(shù)化波形概念

參數(shù)化即用參數(shù)來表征模型[8]。對于雷達(dá)來說，雷達(dá)參數(shù)化即用參數(shù)來表征雷達(dá)各部分模型，參數(shù)化波形即用一系列參數(shù)表示雷達(dá)所需要控制的各種資源，是對雷達(dá)一系列控制參數(shù)的描述。雷達(dá)通過計(jì)算，選擇最優(yōu)的參數(shù)化波形，再通過對參數(shù)化波形的實(shí)時調(diào)度，即可實(shí)現(xiàn)不同功能。

參數(shù)化波形在雷達(dá)資源調(diào)度系統(tǒng)中使用，而雷達(dá)可調(diào)度的資源可分為軟件資源和硬件資源，參數(shù)化波形則需要做到在硬件條件滿足的情況下，對雷達(dá)所有的參數(shù)資源都能描述到，這樣才可最大限度地滿足雷達(dá)的靈活性要求。從雷達(dá)模塊的角度來說，對雷達(dá)資源的描述也可以從前端參數(shù)、處理參數(shù)、檢測參數(shù)這三個方面來描述。從雷達(dá)參數(shù)類型角度來說，雷達(dá)控制參數(shù)可從時域參數(shù)、頻域參數(shù)和空域參數(shù)這三個類型來進(jìn)行描述。

圖2 雷達(dá)參數(shù)化資源分類

認(rèn)知雷達(dá)中對雷達(dá)進(jìn)行參數(shù)控制是十分重要且必要的一環(huán)，通過從時域、頻域、空域這三個方面對雷達(dá)資源進(jìn)行描述、對雷達(dá)進(jìn)行控制，可有效實(shí)現(xiàn)認(rèn)知雷達(dá)閉環(huán)結(jié)構(gòu)中通過判斷回波對雷達(dá)的再控制過程，本文之后將從這三個方面對雷達(dá)參數(shù)產(chǎn)生進(jìn)行具體分析。

2 雷達(dá)參數(shù)化波形建模

2.1 雷達(dá)基本參數(shù)

雷達(dá)方程的一種基本形式為

(1)

式(1)表明了雷達(dá)最大作用距離與雷達(dá)各個參數(shù)以及目標(biāo)特性之間的關(guān)系。其中，Rmax為雷達(dá)的最大作用距離，Pt為雷達(dá)發(fā)射功率，G為雷達(dá)天線增益設(shè)定，λ為波長，σ為目標(biāo)的雷達(dá)截面積，Smin為最小可檢測信號的功率。式(1)中給出了雷達(dá)各參數(shù)與作用距離的定量關(guān)系，但并沒有考慮雷達(dá)在正常工作狀態(tài)下因環(huán)境因素帶來的損耗和誤差。

對于雷達(dá)而言，σ和Smin在實(shí)際中不可準(zhǔn)確估量，但對于參數(shù)化波形建模來說，并不需要考慮雷達(dá)的實(shí)際損耗和不可估量的因素，只需對雷達(dá)可控制的參數(shù)進(jìn)行分析建模。而一般情況下雷達(dá)發(fā)射最大功率一定，發(fā)射增益則與雷達(dá)天線設(shè)置有關(guān)，接收機(jī)增益一般可控，雷達(dá)工作波長則在雷達(dá)前期論證時已經(jīng)確定。則

s(t)={NStc;}

(2)

式(2)中，NStc為雷達(dá)的接收增益曲線編號，可對雷達(dá)的不同距離段的接收增益進(jìn)行控制。

2.2 雷達(dá)波形分析

雷達(dá)發(fā)射信號通常為窄帶信號，用復(fù)信號可表示為

st(t)=u(t)ej2πf0t

(3)

其中，u(t)為信號的復(fù)包絡(luò)，f0為載頻。

u(t)=a(t)ejψ(t)

(4)

a(t)為信號的幅度調(diào)制，ψ(t)為信號的相位調(diào)制項(xiàng)。

對于線性調(diào)頻矩形脈沖信號，其信號的表達(dá)式為

(5)

其中，T為脈沖時寬，μ=B/T為調(diào)頻斜率，B為調(diào)頻帶寬。

對于信號接收后的處理過程來說，還需要考慮采樣率、頻域脈沖壓縮時FFT的點(diǎn)數(shù)、加窗方式等參數(shù)，才可完整地表述一個信號的接收處理過程。

因此，對于一般信號，可對其參數(shù)化為

s(t)={T;B;f0;fshift;fs;P;W;}

(6)

其中，fshift為頻偏，采用頻偏則是為了提高雷達(dá)抗干擾能力，fs為采樣率，P為脈壓方式，其中可包含脈壓方式、脈壓點(diǎn)數(shù)等參數(shù)；W為加窗方式。雷達(dá)通過DDC、數(shù)字采樣等技術(shù)，對以上參數(shù)進(jìn)行集成控制，可表示雷達(dá)的波形發(fā)射與處理的過程，通過改變其中的參數(shù)，可改變雷達(dá)的不同發(fā)射與接收配置。

2.3 時域參數(shù)分析

普通脈沖多普勒雷達(dá)是通過測量發(fā)射信號傳播到目標(biāo)并返回來的時間來測定目標(biāo)距離的。雷達(dá)對于時域的控制參數(shù)可影響到雷達(dá)的探測距離、脈沖發(fā)射盲區(qū)、距離分辨率。一般情況下，在發(fā)射信號的PRF確定時的最大不模糊距離為

(7)

其中，fr為雷達(dá)的脈沖重復(fù)頻率。因此，雷達(dá)的脈沖重復(fù)周期決定著雷達(dá)的最大不模糊距離，在進(jìn)行雷達(dá)設(shè)計(jì)時，應(yīng)使其滿足雷達(dá)的工作需求。在對其進(jìn)行控制時，可實(shí)時改變雷達(dá)的最大不模糊距離，適應(yīng)其工作模式需求。同時，雷達(dá)一般采用多脈沖的發(fā)射方式，可控制其脈沖重復(fù)數(shù)，用Np表示。

對于雷達(dá)接收來說，為充分利用雷達(dá)前端和處理資源，可設(shè)置AD采樣起始時間、AD采樣波門寬度這兩個參數(shù)，分別用TADS和TADG表示，控制雷達(dá)前端AD采樣的開始與結(jié)束時間；設(shè)置接收起始時刻和接收波門寬度，分別用TST和TGW表示，可控制雷達(dá)后端處理的起止時間。在對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置時，應(yīng)充分考慮雷達(dá)信號脈寬、雷達(dá)作用距離、雷達(dá)最大不模糊距離等因素，結(jié)合雷達(dá)具體需求，對參數(shù)進(jìn)行控制。綜上，雷達(dá)時域參數(shù)可描述為

f(t)={TPRI;NP;TST;TGW;TADS;TADG}

(8)

圖3 雷達(dá)發(fā)射接收時序圖

2.4 空域參數(shù)分析

方向圖用于描述天線陣列產(chǎn)生的電磁場及其空間內(nèi)能量分布的情況。其具有指向性，可理解為對相控陣?yán)走_(dá)天線輻射的方向性描述[9]。對于平面相控陣天線來說，其水平放置的陣元如圖4所示。各個天線單元排列在平面內(nèi)的矩形柵格內(nèi)，整個陣面在XY平面上，共有M×N個天線陣元，單元間距分別為d1和d2，方位角為φ，俯仰角為θ，當(dāng)天線均勻照射時，其方向圖函數(shù)為

圖4 雷達(dá)陣元分布圖

(9)

其中：κ=2π/λ，為波數(shù)。

cosαx=cosθcosφ
cosαy=cosθsinφ

(10)

當(dāng)波束指向?yàn)殛嚵蟹ň€方向，即ΔφBα=ΔφBβ=0時，平面陣列的幅值方向圖函數(shù)可表示為式(11)。

(11)

通常情況下，雷達(dá)為了更好地實(shí)現(xiàn)兩位相掃，平面相控陣將天線的各個陣元垂直排列在yoz平面內(nèi)，如圖5所示。

圖5 雷達(dá)陣列垂直排列

與式(11)相同，可得到其方向圖函數(shù)為

(12)

其中ΔφBα與ΔφBβ分別表示z軸和y軸方向內(nèi)的陣內(nèi)相位差。

一般雷達(dá)中陣元數(shù)與陣元間距固定，波數(shù)與波長相關(guān)，則方向圖與俯仰角θ和方位角φ相關(guān)。通過控制這兩個參數(shù)，可控制波束指向與雷達(dá)方向圖參數(shù)。

雷達(dá)在進(jìn)行波束掃描時，可賦予雷達(dá)初始的方位俯仰指向和期望的方位俯仰指向，則可描述雷達(dá)波束掃描過程，即雷達(dá)空域掃描參數(shù)可表示為

f(s)={SIA;SIE;SEA;SEE}

(13)

其中，SIA、SIE為雷達(dá)初始方位與俯仰指向，SEA、SEE為雷達(dá)的期望方位與俯仰指向。

對于數(shù)字陣列雷達(dá)，雷達(dá)整個陣面的波束結(jié)構(gòu)、波束賦形又可由用戶自由定義，因此，對雷達(dá)波束的具體描述可表示為

f(b)={BBS;BFX}

(14)

其中，BBS為雷達(dá)的波束結(jié)構(gòu)參數(shù)，BFX為雷達(dá)的賦形參數(shù)，可由用戶自行定義，從雷達(dá)參數(shù)庫中調(diào)用。

綜上，認(rèn)知雷達(dá)的參數(shù)化波形可描述為

s(t)={T;B;f0;fs;P;W;TPRI;
NP;TST;TGW;TADS;TADG;
SIA;SIE;SEA;SEE;BBS;BFX}

(15)

其中，脈壓方式、波束結(jié)構(gòu)、賦形參數(shù)可預(yù)先設(shè)置雷達(dá)參數(shù)庫，當(dāng)系統(tǒng)需要根據(jù)環(huán)境配置新的參數(shù)化波形時，可僅僅配置其在庫中的編號即可，雷達(dá)則根據(jù)編號從庫中讀取具體參數(shù)。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 信號頻域仿真

對于雷達(dá)發(fā)射信號，信號形式取線性調(diào)頻信號，參數(shù)取T=100μs，認(rèn)知雷達(dá)采用DDS，雷達(dá)進(jìn)入前端之前信號通常采用零中頻，取B=2MHz,f0=-B/2，fshift=5MHz，fs=10MHz，發(fā)射信號仿真如圖6所示。

圖6 信號1仿真結(jié)果

對于認(rèn)知雷達(dá)來說，發(fā)射一種波形很難滿足雷達(dá)對于不同距離段、不同任務(wù)的探測需求，則可再配置一種波形參數(shù)，滿足雷達(dá)近區(qū)探測需求和抗干擾需求，其參數(shù)可設(shè)置為：T=50μs，B=2MHz，f0=B/2，fshift=-5MHz,fs=10MHz。

對于接收處理，脈壓方式P=1，脈壓方式為雷達(dá)系統(tǒng)自行定義，可包含脈壓方式和脈壓點(diǎn)數(shù)等參數(shù)。本文仿真中，當(dāng)脈壓方式為“1”時，脈壓方式為頻域脈壓，脈壓點(diǎn)數(shù)為2048點(diǎn)，目標(biāo)距離R=20km,RCS=1，信號1的回波信號及脈壓結(jié)果仿真如圖7和圖8所示。

圖7 回波信號仿真圖

圖8 回波信號脈壓結(jié)果

根據(jù)接收回波的結(jié)果分析，目標(biāo)在20km處，可根據(jù)目標(biāo)距離對雷達(dá)下次發(fā)射的波形進(jìn)行自適應(yīng)選擇。其參數(shù)可設(shè)置為：

信號1：T=20μs，B=2MHz，f0=B/2，fshift=5MHz,fs=10MHz，仿真圖如圖9所示。

圖9 信號1 仿真結(jié)果

信號2：T=20μs，B=2MHz，f0=B/2，fshift=-5MHz,fs=10MHz。

同時也應(yīng)根據(jù)回波信號對雷達(dá)的發(fā)射時域參數(shù)和空域參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)選擇。本文著重于對認(rèn)知雷達(dá)參數(shù)化波形的參數(shù)類型進(jìn)行設(shè)計(jì)，不再對認(rèn)知雷達(dá)的認(rèn)知算法及調(diào)度后的參數(shù)選擇進(jìn)行深入研究。

3.2 時域仿真

時域上，取TPRI=1000μs，NP=10，根據(jù)處理時間，取TST=152μs，TGW=750μs，TADS= 150μs,TADG=850μs，一個脈沖內(nèi)發(fā)射兩個碼片，其時序圖如圖10所示。

圖10 雷達(dá)時序圖

3.3 空域仿真

在空域上，方位俯仰維陣元數(shù)都為8，取SIA=0,SIE=0,SEA=30,SEE=30,方向圖掃描范圍為-30°～30°，方向圖仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 雷達(dá)方向圖

4 結(jié)束語

認(rèn)知雷達(dá)是雷達(dá)向更加智能化發(fā)展的必要階段，對其參數(shù)化波形進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，可有效推動認(rèn)知雷達(dá)的發(fā)展。參數(shù)化波形可有效對雷達(dá)資源進(jìn)行表征描述，本文對參數(shù)化波形進(jìn)行設(shè)計(jì)，有效建立起一種全面的參數(shù)化波形，對雷達(dá)各部分資源進(jìn)行表征描述，可供雷達(dá)進(jìn)行調(diào)度，對雷達(dá)資源調(diào)度和波形庫的建立有幫助意義，提升雷達(dá)的靈活性和可重構(gòu)性。