多通道雷達信號合成方法研究*

王勇軍 柯 凱

（中國人民解放軍91404部隊 秦皇島 066001）

1 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)場上，敵我雙方配置的大量電子裝備令戰(zhàn)場輻射源異常密集，這些輻射源信號復雜多變，而且調(diào)制類型種類繁多，進一步增加了戰(zhàn)場電磁環(huán)境的復雜度［1］。因此現(xiàn)代電子裝備論證、研制、生產(chǎn)和試驗過程中，必須考慮裝備所處的電磁信號環(huán)境，為了逼真模擬真實戰(zhàn)場電磁信號環(huán)境，需使用相關(guān)系統(tǒng)或裝備模擬產(chǎn)生復雜電磁環(huán)境，確保電子裝備的可靠性和有效性［2］。雷達信號環(huán)境模擬裝備輻射電磁信號是一種模擬戰(zhàn)場電磁環(huán)境行之有效的方式［3］，但因為雷達脈沖信號非常密集，不得不考慮脈沖重疊問題，本文提出了一種多通信信號合成方法，結(jié)合遺傳算法，在不增加信號源的基礎(chǔ)上可以有效降低脈沖重疊概率，有效提高雷達信號環(huán)境模擬裝備的效能。

2 脈沖丟失率分析

雷達信號環(huán)境模擬裝備脈沖丟失的主要原因是脈沖重疊，傳統(tǒng)理論認為脈沖丟失和脈沖重疊概率等同，形成了三種脈沖重疊概率計算方法，分別是脈沖到達信號呈泊松分布、隨機過程概率統(tǒng)計、實驗統(tǒng)計近似表達等［4～5］，本文基于泊松分布理論分析脈沖丟失率。

設(shè)定信號模擬系統(tǒng)模擬產(chǎn)生的雷達信號數(shù)量不小于四部，到達時間呈現(xiàn)泊松分布，對模擬雷達信號的頻率源，在Δt時間內(nèi)，脈沖重合概率即為脈沖丟失率，在Δt時間段內(nèi)出現(xiàn)脈沖數(shù)為n的概率符合泊松分布，其在時間Δt內(nèi)到達n個脈沖的概率分布表達式為

式中，Δt是頻率源占用時間，Δt=τ+Ts，τ是脈沖寬度，λ是脈沖密度，Ts是頻率源頻率轉(zhuǎn)換、脈沖調(diào)制和幅度調(diào)制等所需要的附加時間。

如果考慮M個通道復合利用技術(shù)，則n個脈沖丟失率計算如下式所示：

采用信號產(chǎn)生通道復用技術(shù)，則當n小于頻率源數(shù)M時，認為信號不丟失。

3 多通道信號合成方法設(shè)計

3.1 流程設(shè)計

將多通道信號合成方法應(yīng)用到雷達信號環(huán)境模擬系統(tǒng)中，需要在既有指定雷達信號特性的基礎(chǔ)上，通過對各信號到達時間、信號脈寬的脈沖信號進行交織得到脈沖信號序列［6］。信號交織主要通過合理排布信號到達信號的脈沖來實現(xiàn)，主要的計算方法如圖1所示。

圖1 雷達信號合成算法

根據(jù)戰(zhàn)情設(shè)置提供的輻射源信號參數(shù)，通過圖1所示流程的算法，即可完成輻射信號源戰(zhàn)情編譯數(shù)據(jù)的生成。

設(shè)定雷達信號環(huán)境模擬器包含三個頻段輻射源、最多具備模擬192個具備不同雷達信號形式的雷達背景信號，綜合控制分系統(tǒng)中任務(wù)規(guī)劃軟件完成最多192組目標信號特征編輯，形成場景模擬數(shù)據(jù)下載到雷達信號模擬源中進行初始化。

3.2 信號合成策略

多通道信號合成算法是在通道內(nèi)進行合并每個雷達產(chǎn)生的脈沖序列采取兩兩合成的合成算法，實現(xiàn)全部合成同一通道下所有信號的策略，舍取脈沖參考信號優(yōu)先級。圖2所示為兩組脈沖序列合并原理，圖中目標1脈沖序列的優(yōu)先級較高，算法模塊需要針對各種情況進行分別處理，最后合成一組脈沖序列。

圖2 多目標脈沖合并邏輯

雷達信號源根據(jù)場景軟件中規(guī)劃每一部目標輻射源信號的脈內(nèi)樣式、脈沖載頻、脈沖特性和幅度特性等參數(shù)，獨立產(chǎn)生各自信號的PDW脈沖流序列，再通過優(yōu)選策略（指定優(yōu)先級、幅度優(yōu)選和綜合優(yōu)選）合并方法將多各目標信號的PDW脈沖序列按信號優(yōu)先級順序依次進行兩兩合并，對于存在沖突的脈沖，按優(yōu)選策略舍去低優(yōu)先策略的脈沖，合并后會導致一定的脈沖丟失，脈沖丟失率在合并過程中隨著信號的變化而動態(tài)變化。待全部信號的脈沖流合并完成后，最終形成新的脈沖流，脈沖流中的每個脈沖具有不同的脈內(nèi)樣式、脈沖載頻、脈沖特征和幅度特征，交互交錯表征不同目標信號的脈沖特征。

在進行多輻射源模擬時，多個輻射源的脈沖有可能發(fā)生沖突，可按照一定的優(yōu)先級策略，舍棄沖突脈沖，選擇其中一個脈沖輸出，同時計數(shù)脈沖丟失數(shù)目，對脈沖丟失率進行實時統(tǒng)計。脈沖優(yōu)選策略主要有以下幾種方式。

1）指定優(yōu)先級策略：由人工事先對同一個通道輸出的每個輻射源進行優(yōu)先級分配，當發(fā)生脈沖沖突時，保留高優(yōu)先級脈沖，舍棄低優(yōu)先級脈沖；

2）幅度優(yōu)選策略：由設(shè)備內(nèi)部邏輯對同一個通道輸出的每個輻射源的幅度進行比較，當發(fā)生脈沖沖突時，保留幅度大的脈沖，舍棄幅度低的脈沖；

3）綜合優(yōu)選策略：首先由人工事先對同一個通道輸出的每個輻射源進行優(yōu)先級分配，當發(fā)生脈沖沖突時，如果低優(yōu)先級的脈沖幅度高于高優(yōu)先級脈沖幅度某個門限值（比如6dB）以上，則保留低優(yōu)先級脈沖，舍棄高優(yōu)先級脈沖；反之則保留高優(yōu)先級脈沖，舍棄低優(yōu)先級脈沖。

對發(fā)生沖突的脈沖，根據(jù)脈沖優(yōu)選策略舍去一部分脈沖，就會造成部分目標信號的脈沖丟失，總的脈沖丟失率PL計算公式如下：

式中，Ns為合成后的脈沖數(shù)量，Ni為合成前各目標的脈沖數(shù)量。

3.3 遺傳算法優(yōu)化

通過仿真統(tǒng)計計算不同目標數(shù)量和不同平均占空比，在目標信號脈沖周期符合泊松分布的條件下，目標數(shù)量越多，占空比越高，丟失率也越高；反之，目標數(shù)量越少，占空比越低，丟失率也越低。

本設(shè)計方案采用遺傳算法對時域上沖突的多路信號進行一定時延時間優(yōu)化，盡可能減少脈沖沖突，同時保證信號達到時間滿足要求。

遺傳算法［7～9］是 20世紀70年代提出的一種概率搜索算法，基本思路是模擬群體進化過程，該群體由一些稱為染色體的串組成，通過有組織的隨機信息交換重新結(jié)合適應(yīng)性較好的串，生成比上一代適應(yīng)性更好的群體，常見遺傳算法過程包括編碼、選擇、交叉和變異，應(yīng)用遺傳算法改進信號合成算法步驟如下。

1）編碼：設(shè)置參數(shù)，隨機產(chǎn)生初始化種群S0，采用時延時間編碼序列作為遺傳算法的編碼，隨機產(chǎn)生s個個體的初始種群，并取η的初始值；

2）從種群S0中選擇適應(yīng)度較好的個體，根據(jù)優(yōu)化要求動態(tài)調(diào)整權(quán)值η；

3）選擇：根據(jù)脈沖重疊情況，采用最優(yōu)選擇算法，將群體中適應(yīng)度最大的k個個體直接替換適應(yīng)度最小的k個個體；

4）交叉：根據(jù)交叉概率，將個體隨機兩兩配對，對選擇交配的個體進行基因位交叉操作而生成新個體；

5）變異：根據(jù)變異概率，選擇個體進行基因位變異操作；

6）結(jié)束：當適應(yīng)度函數(shù)值達到預定的期望值時，可獲得最優(yōu)解并終止操作；否則進入下一代，轉(zhuǎn)至步驟3）繼續(xù)遺傳。

3.4 硬件設(shè)計

在硬件設(shè)計中，設(shè)置射頻通道為2路，在數(shù)字中頻上采用8路數(shù)字信號疊加，所采用的硬件示意圖如圖3所示。

圖3 信號產(chǎn)生硬件平臺示意圖

多部雷達模擬信號出現(xiàn)脈沖沖突時，按優(yōu)先級策略進行脈沖篩選，滿足能保留大部分的關(guān)注目標信號的脈沖。在脈沖疊加進行通道選取時首先按照優(yōu)先級在雙通道中進行從高到低依次分配，對分配后的信號可以進行判斷在該通道內(nèi)是否存在沖突，若存在沖突可以及時選擇到另一路通道中進行輸出，可以避免該脈沖串的丟失，如果在另一路通道中仍存在沖突，則按照信號優(yōu)先級進行選擇，丟棄優(yōu)先級較低的脈沖串。采用上述分配方式后，會在一定程度上進一步降低脈沖丟失率。

在大多數(shù)使用場景中，許多背景信號的特征變化較為緩慢［10～11］，可將其設(shè)為較低的優(yōu)先級等級，即便是丟失部分脈沖也不影響目標信號的主要特征的提取，因此系統(tǒng)具備單部射頻源雙通道輸出合成64部雷達信號的能力。需要指出的是模擬多部輻射信號特性在技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)，但是合成后的數(shù)字信號因多個脈沖疊加會引起動態(tài)減小，同時射頻信號存在多種頻率分量會引起有效輻射功率降低。

4 仿真驗證

仿真試驗中，隨機選取典型雷達信號進行模擬，并在此基礎(chǔ)上增加部分脈寬較大的信號進行疊加，如脈寬為100μs，或重頻周期達到5ms的脈沖形式，并對每部雷達信號的頻率設(shè)置了10%的重頻抖動、重頻捷變范圍。遺傳算法本身采用的種群大小和遺傳代數(shù)根據(jù)樣本樣式和樣本范圍可進行靈活設(shè)置［12］，直至滿足脈沖疊加后丟失率滿足要求。仿真試驗中數(shù)字中頻均為單路仿真結(jié)果具體如表1所示。

表1 雷達信號疊加仿真結(jié)果

由表1可知，優(yōu)化算法參數(shù)中種群/代數(shù)越小，迭代次數(shù)越少，優(yōu)化時間越短。信號處理板采用數(shù)字中頻單路和射頻通道單路時具有16部雷達信號疊加脈沖丟失率接近10%的能力，即使32部雷達信號疊加，采用2路射頻通道同樣可以實現(xiàn)脈沖丟失率不大于10%的技術(shù)要求。該結(jié)果也進一步驗證了本文硬件方案設(shè)計可以進一步降低脈沖丟失率。

圖4為采用單射頻通道32部雷達信號脈沖疊加丟失率的優(yōu)化結(jié)果，經(jīng)過長時間仿真計算，當遺傳代數(shù)設(shè)置為200時，優(yōu)化效果不明顯，丟失率為21%左右。圖5為采用2路射頻通道32路雷達信號脈沖疊加丟失率的仿真優(yōu)化結(jié)果，脈沖丟失率可降至10%以內(nèi)，數(shù)字中頻采用8路進行疊加后會進一步降低脈沖丟失率。

圖4 單通道脈沖疊加丟失率優(yōu)化結(jié)果

圖5 雙通道脈沖疊加丟失率優(yōu)化結(jié)果

5 結(jié)語

本文針對雷達信號環(huán)境模擬器中存在的脈沖重疊導致的脈沖丟失問題，提出了一種基于遺傳算法改進的多通道雷達信號合成算法，并進行了對應(yīng)的軟件和硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，仿真結(jié)果表明，該方法可以有效降低脈沖丟失率，提升雷達信號環(huán)境模擬器的效率和逼真度。