基于射頻層析成像的雷達(dá)探測新技術(shù)

敬 東，王懷軍，張 明

（中國人民解放軍93209部隊，北京 100085）

0 引 言

1935年，英國人和德國人第一次驗證了對飛機(jī)的短脈沖測距。1937年，世界上第一種實用雷達(dá)系統(tǒng)“本土鏈”雷達(dá)在英國建成，主要用于探測來襲的德國飛機(jī)。20世紀(jì)30年代，英國、美國、法國、前蘇聯(lián)、日本等國都致力于雷達(dá)的研制。二戰(zhàn)之后，伴隨著作戰(zhàn)需求和技術(shù)進(jìn)步推進(jìn)，雷達(dá)先后經(jīng)歷了分布式陣列、集中式陣列、反射面、相控陣、分布式陣列的循環(huán)發(fā)展歷程。時至今日，面對未來快速變化的軍事需求挑戰(zhàn)，雷達(dá)探測領(lǐng)域面臨著缺乏創(chuàng)新性理論突破的窘境。

近年來出現(xiàn)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的射頻層析成像（Radio Tomographic Imaging,RTI）技術(shù)。該技術(shù)最早由美國猶他大學(xué)的Wilson 和Patwari 等人提出［1-2］，是借助層析成像重建思路的一種新型無線測量定位技術(shù)，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)范圍廣和可視化測量等特點，具有誘人的發(fā)展前景。從目前研究文獻(xiàn)資料看，關(guān)于RTI的研究內(nèi)容主要分為定位技術(shù)、信號測量、成像算法、圖像重建等，應(yīng)用領(lǐng)域主要有安全監(jiān)控、救援定位、醫(yī)療監(jiān)測等［3-6］，未發(fā)現(xiàn)雷達(dá)探測應(yīng)用研究。RTI不同于傳統(tǒng)雷達(dá)利用目標(biāo)反射回波進(jìn)行探測，而是通過在待探測區(qū)域外部署若干無線傳感器節(jié)點，利用射頻信號直射目標(biāo)引起的多路接收信號強(qiáng)度變化，并借鑒CT（Computed Tomography）成像原理來反演重構(gòu)目標(biāo)位置信息，這為雷達(dá)對空探測提供了新的技術(shù)途徑。

基于RTI 技術(shù)，本文提出一種雷達(dá)探測新技術(shù)、新概念，可稱之為RTI-radar，主要用于空中目標(biāo)預(yù)警探測。文章首先分析了RTI 成像的基本原理，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了雷達(dá)層析成像探測模型，分析了雷達(dá)層析成像探測的主要優(yōu)勢，最后討論了雷達(dá)層析成像探測需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，并進(jìn)行了技術(shù)發(fā)展展望。

1 射頻層析成像原理

1.1 基本原理

RTI技術(shù)以無線通信傳輸衰減模型為基礎(chǔ)，通過分析收發(fā)鏈路信號變化來得到目標(biāo)的位置信息，基本工作原理［7］如下。

RTI 通常需要大量的無線收發(fā)節(jié)點布置在被測區(qū)域的周圍，如圖1所示。在探測區(qū)域內(nèi)，一對發(fā)射和接收節(jié)點之間可以認(rèn)為只有一條傳輸鏈路，當(dāng)傳輸路徑上無障礙物即目標(biāo)遮擋時，鏈路衰減符合自由空間的路徑損耗模型；有目標(biāo)遮蔽時，接收節(jié)點得到的接收信號強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indicator,RSSI）值將發(fā)生較大的衰減，稱為陰影衰落或路徑損耗：

圖1 RTI系統(tǒng)模型

式中，P0為一對收發(fā)節(jié)點之間不存在目標(biāo)時測得的RSSI 值，P為實測的RSSI 值，Δy為目標(biāo)引起的RSSI 值變化。當(dāng)Δy變化較大時，說明發(fā)射、接收節(jié)點之間存在目標(biāo)，如果Δy保持不變則收發(fā)節(jié)點之間沒有目標(biāo)?？恳粚κ瞻l(fā)節(jié)點只能對有無目標(biāo)在鏈路的傳輸路徑上作出判斷，目標(biāo)精確定位需要利用多個節(jié)點構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)。若傳感器網(wǎng)絡(luò)有K個節(jié)點部署在待探測區(qū)域，這些節(jié)點可以構(gòu)成M=K×(K-1) 條無線鏈路。假設(shè)第i（1≤i≤M）條鏈路上RSSI值為Δyi，同時將探測區(qū)域劃分成像素點，假定像素點總數(shù)為N，那么Δyi可以看作是區(qū)域內(nèi)各個像素產(chǎn)生衰減作用的共同結(jié)果，因此可用線性加權(quán)和形式表示：

式中，Δxj為第j（1≤j≤N）個像素對應(yīng)的衰減值，wij為第i條鏈路對應(yīng)第j個像素的加權(quán)值，ni為測量噪聲。將式（2）寫成矩陣形式為

式中，X=[Δx1,Δx2,…,ΔxN]T,Y=[Δy1,Δy2,…,ΔyM]T，n=[n1,n2,…,nM]T，W=[wij]M×N，W為權(quán)重矩陣。

射頻層析成像最終可以歸結(jié)為求解式（3）對應(yīng)的線性方程組，實現(xiàn)目標(biāo)圖像重建。

1.2 權(quán)重模型

RTI 技術(shù)的基本原理是通過權(quán)重矩陣構(gòu)建了RSSI 測量值與目標(biāo)位置之間的關(guān)系，因此，權(quán)重模型是決定RTI圖像重建以及成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素，也是RTI 技術(shù)的一個研究重點。針對權(quán)重矩陣W在不同的文獻(xiàn)中有多種模型，較為典型的是應(yīng)用廣泛的橢圓權(quán)重模型。

對于某條鏈路而言，橢圓權(quán)重模型是以該鏈路收發(fā)節(jié)點為焦點構(gòu)成一個橢圓，橢圓外部的像素點權(quán)值設(shè)為0，橢圓內(nèi)部的像素點權(quán)值為1，如圖2所示。

由于不同鏈路的收發(fā)節(jié)點不同，像素點權(quán)重還應(yīng)除以收發(fā)節(jié)點之間距離的平方根，具體表示如下：

式中，dij(1)和dij(2)分別為區(qū)域中第j個像素到第i條鏈路兩個節(jié)點的距離，di為第i條鏈路兩個節(jié)點之間的直線距離，λ為橢圓模型調(diào)節(jié)參數(shù)。橢圓權(quán)重模型認(rèn)為只有目標(biāo)處于橢圓內(nèi)部時對該鏈路產(chǎn)生衰減作用，橢圓外部的目標(biāo)對該鏈路衰減不產(chǎn)生作用。

1.3 反演重構(gòu)

RTI 技術(shù)通過求解式（3）對應(yīng)的線性方程組進(jìn)行目標(biāo)反演重構(gòu)。由于通常式（3）中M＜N，在已知測量值Y和權(quán)重W的情況下，目標(biāo)位置X的求解是不唯一的，即RTI 反演重構(gòu)是一個欠定問題的求解。Tikhonov 正則化方法是一種處理欠定問題的有效方法，該方法將反演重構(gòu)問題轉(zhuǎn)化為求目標(biāo)函數(shù)的最小化問題。文獻(xiàn)［8］給出了該方程組解的最小均方誤差估計：

假設(shè)X是相互獨立的且協(xié)方差矩陣為

噪聲n同樣滿足零均值正態(tài)分布且協(xié)方差矩陣為

那么X的最小均方誤差估計為

其中δ2=δ2n/δ2x為正則化參數(shù)，使方程組的解不會由噪聲引起劇烈變化。

2 雷達(dá)層析成像探測概念

2.1 探測理念

借鑒延伸射頻層析成像技術(shù)，本文提出雷達(dá)層析成像探測新概念RTI-radar。雷達(dá)層析成像探測理念是在較大區(qū)域范圍的地理立體空域，通過布置一定數(shù)量的發(fā)射/接收節(jié)點，在三維空間建立收發(fā)射線關(guān)系，進(jìn)而獲得關(guān)于空中飛行目標(biāo)的觀測方程，基于層析成像理念反演重構(gòu)目標(biāo)位置信息。

眾所周知，層析成像技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，涉及電磁波（射頻、微波、紅外、X 射線等）、機(jī)械波（聲波、超聲波等）、激光等領(lǐng)域?！皡^(qū)域—網(wǎng)格—射線—感知—重構(gòu)”是層析成像的基本要素。也就是說，區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化，網(wǎng)格化中的收發(fā)射線建立對應(yīng)關(guān)系（射線越多、精度越高），收發(fā)射線對應(yīng)能量關(guān)系發(fā)生變化可建立觀測模型方程，觀測模型方程反演重構(gòu)可解算目標(biāo)定位信息，目標(biāo)定位信息與網(wǎng)格建立對應(yīng)關(guān)系確定目標(biāo)空間。雷達(dá)層析成像探測正是基于上述認(rèn)知，將RTI 技術(shù)由室內(nèi)小區(qū)域二維平面應(yīng)用場景，推廣到更大區(qū)域三維地理空間對空中飛行目標(biāo)進(jìn)行成像探測。

2.2 探測模型

雷達(dá)層析成像探測模型為保證三維地理空間覆蓋，可考慮在地面和空中同時部署多個收發(fā)節(jié)點，進(jìn)而構(gòu)建區(qū)域網(wǎng)格射線，感知目標(biāo)引起的電磁能量變化，實現(xiàn)空中目標(biāo)態(tài)勢重構(gòu)，如圖3所示。

圖3 雷達(dá)層析成像探測模型

圖3中收發(fā)節(jié)點可以采用空中發(fā)射、地面接收或空中接收、地面發(fā)射等部署形式，空中節(jié)點平臺考慮使用浮空氣球或飛艇。考慮到部署難度及成本，地面節(jié)點以密集排布為主，空中節(jié)點則稀疏排布，形成覆蓋整個空間的收發(fā)射線。

雷達(dá)層析成像探測系統(tǒng)構(gòu)成可設(shè)計為如圖4所示，主要包括1 個綜合處理中心、多個分布式收發(fā)節(jié)點傳感器、1 個顯示控制分系統(tǒng)以及相關(guān)供電、組網(wǎng)等配套設(shè)備。發(fā)射節(jié)點和接收節(jié)點對目標(biāo)形成多個射線鏈路，通過層析成像技術(shù)對目標(biāo)進(jìn)行成像探測。綜合處理中心主要用于接收各傳感器單元送來的探測數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行信號、數(shù)據(jù)處理等操作，并進(jìn)行信息融合處理。顯示控制分系統(tǒng)用于生成區(qū)域綜合空情態(tài)勢圖，進(jìn)行可視化展示，對傳感器工作模式、狀態(tài)參數(shù)等進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)傳感器資源的優(yōu)化配置。

圖4 系統(tǒng)組成框圖

2.3 射線構(gòu)造與權(quán)重模型

實現(xiàn)層析成像探測的關(guān)鍵是在區(qū)域內(nèi)形成足夠多的電磁空間射線，圖3如按RTI 方式部署，完全利用直射射線，將需要大量收發(fā)傳感器，這顯然不適用于大區(qū)域應(yīng)用。為此，本文進(jìn)一步提出基于少量收發(fā)節(jié)點，利用雙/多基地構(gòu)型轉(zhuǎn)化和射線路徑等效來實現(xiàn)區(qū)域電磁空間射線形成的方法。

2017年9月19日那天，全市小學(xué)一年級的語文老師在市教研員羅老師的組織下聽了一堂精彩而有意義的講座。主講者是語文出版社湖北省仙桃市教育科學(xué)研究院向愛平老師，向老師幽默的話語引發(fā)了我們更多的思考。他說，成功的語文教學(xué)當(dāng)務(wù)之急應(yīng)領(lǐng)悟新課標(biāo)，彰顯真語文。 經(jīng)過我的反復(fù)思考，覺得上好語文課至少要從解讀《課標(biāo)》入手。

根據(jù)RTI投影模型，需要大量直射式收發(fā)鏈路組合以覆蓋探測區(qū)域。如果減少收發(fā)傳感器部署，相應(yīng)直射收發(fā)鏈路數(shù)量將難以保證區(qū)域覆蓋。為此，可基于雙/多基地雷達(dá)探測機(jī)理，利用折射式收發(fā)鏈路以增加區(qū)域覆蓋密度。圖5中雖然系統(tǒng)只有少量收發(fā)節(jié)點，但通過雙/多基地構(gòu)型可以建立起大量收發(fā)傳輸鏈路，不過其中許多收發(fā)鏈路是折線關(guān)系而非射線關(guān)系，需要基于“射線路徑等效”來進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即將折射方式鏈路按照傳輸路徑長度等效為直射鏈路進(jìn)行處理，如圖5（a）所示?；趫D5（a）的原理，可設(shè)想由單個發(fā)射源進(jìn)行“泛光”式寬波束照射，由若干個接收節(jié)點進(jìn)行接收。每個接收節(jié)點進(jìn)行多波束接收，并以射線路徑等效方式形成覆蓋整個區(qū)域范圍的接收射線。

圖5 射線路徑等效示意圖

對于雷達(dá)層析成像探測而言，由于收發(fā)鏈路經(jīng)過了射線路徑等效，不能直接套用前面提到的橢圓權(quán)重模型。因此，在RTI 橢圓權(quán)重模型基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一種接收圓錐模型進(jìn)行計算。該模型認(rèn)為在接收節(jié)點對應(yīng)接收波束形成的圓錐區(qū)域內(nèi)存在權(quán)重，此區(qū)域外的權(quán)重均為零。定義如下：

式中，φi和θ分別為接收波束指向和波束立體角，φij和dij分別為第j個網(wǎng)格的中心點相對第i條鏈路接收節(jié)點的角度和距離，di為接收節(jié)點在φi指向上的最大覆蓋距離。

2.4 主要優(yōu)勢

雷達(dá)層析成像探測技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)雷達(dá)探測技術(shù)，且具有明顯優(yōu)勢：

1）技術(shù)體制優(yōu)勢。雷達(dá)層析成像探測不同于傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)采用的目標(biāo)反射回波探測原理，而是基于射線理論的層析成像技術(shù)，以多收發(fā)傳感器采集RSSI、空間網(wǎng)格化數(shù)據(jù)計算實現(xiàn)目標(biāo)探測，注重分布式多節(jié)點感知。未來雷達(dá)層析成像探測技術(shù)裝備化后可作為現(xiàn)有防空預(yù)警系統(tǒng)的有效補(bǔ)充，部署于要害或重點地區(qū)，提高系統(tǒng)作戰(zhàn)效能。

2）系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)勢。雷達(dá)層析成像探測系統(tǒng)采用“分布式傳感器+綜合化處理中心+一體化顯控平臺”系統(tǒng)架構(gòu)，前端傳感器僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，更關(guān)注后端處理能力，有利于實現(xiàn)裝備軟件化、智能化。

3）探測能力優(yōu)勢。雷達(dá)層析成像探測技術(shù)主要利用目標(biāo)引起的收發(fā)射線能量變化，通過多接收節(jié)點數(shù)據(jù)聯(lián)合反演重構(gòu)目標(biāo)位置，能實現(xiàn)信號級融合處理，可進(jìn)一步提高目標(biāo)航跡連續(xù)性、測量精度等探測能力，且具有探測“低慢小”及隱身目標(biāo)優(yōu)勢。

4）生存能力優(yōu)勢?，F(xiàn)有雷達(dá)網(wǎng)信息來源大都基于單站雷達(dá)系統(tǒng)，存在易被干擾及摧毀問題。雷達(dá)層析成像探測技術(shù)基于分布式收發(fā)傳感器，以多鏈路層析成像探測目標(biāo)，具有反偵察、抗摧毀強(qiáng)的特點，可提升預(yù)警系統(tǒng)的抗毀生存能力。

3 仿真實驗

圖6 層析成像仿真想定陣列部署

首先，驗證雷達(dá)層析成像的探測精度。當(dāng)探測目標(biāo)位于不同位置時，反演重構(gòu)的目標(biāo)所在區(qū)域也會有較大的差異，算法統(tǒng)計結(jié)果如圖7所示，橫坐標(biāo)是解析的目標(biāo)區(qū)域網(wǎng)格數(shù)，縱坐標(biāo)是歸一化的累加概率?？梢姡邮展?jié)點數(shù)目越多，反演重構(gòu)的精度越高，在7，10個接收單元情形時，分別有80%，95%情形下區(qū)域內(nèi)不超過10 個網(wǎng)格，取區(qū)域中心作為目標(biāo)坐標(biāo)，則絕大多數(shù)情況下在X、Y方向的誤差不超過3個網(wǎng)格，即150 m，滿足常規(guī)預(yù)警情報保障需求。

圖7 反演重構(gòu)的目標(biāo)區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量統(tǒng)計結(jié)果

然后，驗證雷達(dá)層析成像的計算效率。迭代計算次數(shù)越多，重構(gòu)誤差就越小，仿真結(jié)果如圖8所示。分析表明，迭代20 次就能準(zhǔn)確求解出目標(biāo)所在區(qū)域，之后的迭代計算雖然也能在一定程度上降低重構(gòu)誤差，但并不能進(jìn)一步縮減目標(biāo)區(qū)域范圍，本文解析算法使用基本的矩陣加減和點乘操作，便于使用多線程、顯卡硬件加速等技術(shù)，進(jìn)一步提升運算效率。

圖8 重構(gòu)誤差與迭代次數(shù)的關(guān)系

綜合圖7、圖8可以看出，增加接收單元數(shù)量，能一定程度上提高重構(gòu)的精度和魯棒性，但隨著數(shù)量的進(jìn)一步增加，性能提升空間有限。

4 發(fā)展展望

基于RTI 的雷達(dá)探測新技術(shù)為空中目標(biāo)探測提供了新的技術(shù)解決途徑，但在未來應(yīng)用發(fā)展上尚有許多關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決：

1）收發(fā)節(jié)點布陣。實現(xiàn)雷達(dá)層析成像探測的關(guān)鍵是在較大區(qū)域內(nèi)形成足夠多的電磁空間射線，這將需要非常多的收發(fā)節(jié)點。本文初步探討提出了基于雙/多基地構(gòu)型轉(zhuǎn)化和射線路徑等效的解決方法，但如何合理部署收發(fā)節(jié)點是一個需要研究關(guān)鍵技術(shù)問題，特別是應(yīng)用場景由RTI的平面覆蓋拓展為三維空間覆蓋后，更是增加了收發(fā)節(jié)點布陣難度。

2）資源調(diào)度策略。面對雷達(dá)層析成像探測的較大區(qū)域應(yīng)用場景，如何保證成像探測的搜索處理效率是一個需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。對于傳統(tǒng)雷達(dá)探測來說，早期主要通過天線的機(jī)械掃描實現(xiàn)一定空域搜索發(fā)現(xiàn)，后期發(fā)展了相位掃描及凝視探測方式。對于雷達(dá)層析成像探測而言，以何種方式實現(xiàn)區(qū)域搜索，需要結(jié)合收發(fā)節(jié)點布陣方式開展針對性相關(guān)研究。

3）三維空間網(wǎng)格模型。RTI 技術(shù)成像處理時，通常簡單地將平面區(qū)域按照橫縱切分為均勻網(wǎng)格，但對于雷達(dá)層析成像探測需要處理的三維空間，如果也簡單地劃分為均勻網(wǎng)格方式，將得到海量網(wǎng)格單元，會導(dǎo)致后面的反演重構(gòu)處理運算量超大。如何構(gòu)建雷達(dá)層析成像探測的三維空間網(wǎng)格模型是一個需要研究的關(guān)鍵技術(shù)問題。

4）權(quán)重模型。如前所述，RTI 成像處理時權(quán)重矩陣是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，典型權(quán)重模型為橢圓模型。針對雷達(dá)層析成像探測，本文提出了圓錐權(quán)重模型并進(jìn)行了仿真驗證，但后續(xù)還應(yīng)結(jié)合收發(fā)節(jié)點布陣與三維空間網(wǎng)格模型，開展專門權(quán)重模型優(yōu)化設(shè)計。

5）反演重構(gòu)算法。從反演重構(gòu)算法的角度來看，RTI技術(shù)圖像重建是一個反投影或方程求逆過程。由于這類方程組是高階稀疏和奇異的，所以必須采用一些特殊算法進(jìn)行反演重構(gòu)，并需要結(jié)合工程應(yīng)用開展算法的快速實現(xiàn)問題研究。

6）電磁背景監(jiān)測處理。雷達(dá)層析成像探測基于RTI 技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)成像、檢測及跟蹤，主要利用信息是接收信號強(qiáng)度指示RSSI，而RSSI 容易受到大氣環(huán)境、多徑效應(yīng)等因素影響，進(jìn)而影響反演重構(gòu)算法結(jié)果。因此，高效精確地感知探測空間的電磁態(tài)勢，實現(xiàn)探測空間的電磁背景的動態(tài)監(jiān)測，是準(zhǔn)確定位目標(biāo)的前提和基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

針對戰(zhàn)場空中目標(biāo)探測難題，本文提出了RTI-radar 探測新技術(shù)，其借鑒延伸了RTI 技術(shù)理念，將其推廣到雷達(dá)對空探測領(lǐng)域。RTI-radar 探測新技術(shù)將地理立體空域網(wǎng)格化，以多收發(fā)節(jié)點覆蓋待探測空域，利用接收能量變化進(jìn)行網(wǎng)格化區(qū)域重構(gòu)反演計算，通過反演圖像處理實現(xiàn)目標(biāo)定位和跟蹤，拓展了雷達(dá)探測技術(shù)途徑。