基于PDW快速跟踪的雷达侦察信息敏捷处理技术

邬 诚,董春曦,伍光新,李 归

(1. 西安电子科技大学 电子工程学院, 陕西 西安 710071)

(2. 南京电子技术研究所, 江苏 南京 210039)

0 引 言

在现代信息化作战过程中,对雷达辐射源目标信息及电磁环境态势的快速感知,为雷达电子干扰提供实时、精确的干扰信息保障,是雷达侦察信息处理的一项核心功能,是对雷达实施有效“软火力杀伤”的关键[1-4]。

为提升现代雷达在信息化战场中的生存能力,增强自身在复杂干扰环境中的作战能力,新的技术体制、抗干扰手段以及作战样式不断涌现,并广泛应用于实战。雷达为同时兼顾自身解模糊处理、相参处理等处理性能及抗干扰性能,往往具备形式多样的脉组频率捷变或自适应抗干扰跳频工作方式[5-9]。面对此类雷达辐射源信号样式,传统的干扰信息保障通常采用“信号接收-脉冲检测-信号分选-识别威判-策略生成-目标引导”串行信息处理方式,在“敏捷性”方面能力不足,造成干扰有效性大幅下降。一方面,在信息处理过程中,雷达辐射源目标信息更新需要经过信号分选处理,信号分选算法[10-16]往往需要对一定数量的脉冲描述字(PDW)进行统计分析后,才能分离相应的雷达脉冲序列并完成雷达频率等参数估计,用于干扰引导频率信息更新,信息处理时间偏长。在干扰引导频率信息更新完成之前,多个雷达脉冲因干扰频率不匹配而被“漏干扰”,或干扰引导频率等信息更新调整完成之后,雷达可能已跳变到下一组工作频点,造成干扰“跟不上”的问题。另一方面,在信息处理过程中,信号分选、决策生成等处理环节过多,增加了信息处理反应时间,导致干扰引导信息更新实时性下降,干扰信号参数更新不及时,“漏干扰”及“跟不上”等问题进一步加剧。当然,当信息处理无法满足干扰信息引导实时性要求时,另一种传统做法是采用超宽瞬时干扰带宽进行频带覆盖或频点控守[17-18],这对干扰系统装备的干扰带宽、干扰功率提出了较高要求,研制设备量大、成本高,很难满足未来干扰系统装备高效费比要求。

近年来,国内外学者在雷达侦察信息处理方面提出了一些新的方法[13-16,19-21],但是主要集中在信号的检测与分选方面,对处理敏捷性提升的方法并不多见。文献[21]提出了一种脉冲重复间隔(PRI)特征提取的流式处理方法。该方法改变传统分选算法分批次处理PDW方式,采用流式处理方式对PDW进行到达时间差直方图统计,在一定程度上缩短了信息处理的时间,但是该方法依然未脱离直方图统计分选方法的范畴。

本文从减少信息处理环节、缩短信息处理时间角度出发,提出了一种基于PDW快速跟踪的雷达侦察信息敏捷处理技术。首先构建PDW快速跟踪的雷达侦察信息敏捷处理架构,在此架构基础上,建立PDW快速跟踪信息处理模型,在干扰实施过程中不经过传统信号分选、识别威判、决策生成等处理环节,基于少量PDW实现对频率捷变雷达辐射源参数变化的快速跟踪和干扰信息引导更新,有效提升干扰信息保障过程中的雷达侦察信息处理的敏捷性。

1 处理架构设计

为有效提升雷达侦察信息处理的敏捷性,尽可能减少信息处理环节,缩短信息处理时间,实现目标干扰引导信息的快速、准确更新,在典型的“脉冲检测-信号分选-识别威判-策略生成-目标引导”串行雷达侦察信息处理架构的基础上,优化构建基于PDW快速跟踪的雷达侦察信息敏捷处理架构,如图1所示。

图1 基于PDW快速跟踪的雷达侦察信息敏捷处理架构

基于PDW快速跟踪的雷达侦察信息敏捷处理架构包括常规侦察信息处理和PDW快速跟踪处理两路处理通道。两路信息处理通道在干扰实施前后协同配合,有序交接,实现对被干扰雷达辐射源信息的“敏捷”处理和干扰引导信息的快速更新。

1)常规侦察信息处理通道

主要负责在干扰实施前,对战场电磁环境进行全面的感知和分析,生成雷达辐射源目标及电磁态势信息,并对重点及高威胁雷达辐射源目标进行干扰决策和目标引导,为干扰信号产生和PDW快速跟踪处理通道提供干扰引导信息。常规侦察信息处理通道主要包括信号接收、脉冲检测、信号分选、识别威判、策略生成和目标引导六个功能模块。信号接收模块接收空间雷达辐射源信号进行数字化处理,数字信号经脉冲检测模块完成脉冲检测及参数测量形成PDW信息,PDW信息经信号分选后形成辐射源描述字(EDW)信息。在雷达威胁数据库支持下,EDW信息经识别威判模块完成辐射源识别和威胁等级判断,生成雷达辐射源目标信息及电磁态势。策略生成模块基于雷达辐射源目标信息及电磁态势对重点、高威胁目标干扰方案进行决策,生成干扰决策方案,驱动目标引导模块生成干扰引导信息,引导干扰信号产生,实施干扰。常规侦察信息处理通道同步将干扰引导信息和实时PDW信息发送给PDW快速跟踪处理通道,以供PDW快速跟踪处理通道在干扰实施过程中高效运行。干扰引导信息中包含干扰目标频率、到达角、脉宽、幅度等多维参数的详细信息,可用于PDW快速跟踪处理通道进行PDW快速精准匹配处理和确认跟踪。

2)PDW快速跟踪处理通道

主要负责在干扰实施过程中,对指定被干扰雷达辐射源目标参数变化进行快速跟踪感知,并根据辐射源目标参数变化情况实施相应的干扰引导信息快速更新。PDW快速跟踪处理通道仅设计PDW快速跟踪一个功能模块,以尽可能地减少处理环节,提升处理效率。当接收到常规侦察信息处理通道发出的干扰引导信息后,PDW快速跟踪模块激活运行。此时,系统将原来由常规侦察信息处理通道中信号分选、识别威判、决策生成三个模块共同承担的目标辐射源信息更新、干扰引导信息更新功能授权委托给PDW快速跟踪模块执行。PDW快速跟踪模块提取干扰引导信息中相应干扰目标多维参数的详细信息,对常规侦察信息处理通道中脉冲检测模块实时检测生成的少量PDW进行目标频率、到达角、脉宽、幅度等参数的快速精准匹配,并利用匹配成功的PDW对干扰目标辐射源参数变化情况进行确认跟踪,快速生成频率、角度干扰引导更新信息,驱动常规侦察信息处理通道中的干扰引导模块完成干扰引导信息指令的更新,引导干扰信号产生,及时更新干扰信号参数和干扰波束指向,实现对雷达辐射源目标信号“频率瞄得准、波束指得准、时间对得准”的实时精准干扰。

2 PDW快速跟踪处理模型设计

基于PDW快速跟踪的雷达侦察信息敏捷处理架构,对PDW快速跟踪处理进行模型设计,处理模型框图如图2所示。

图2 PDW快速跟踪处理模型框图

图2模型框图中,P(t)、I为模型输入,C(t)为模型输出,t为信号时间变量。

P(t)定义为常规侦察信息处理通道脉冲检测功能模块输出的PDW信息向量流。I定义为常规侦察信息处理通道脉冲目标引导功能模块输出的干扰引导信息中所包含的干扰目标多维参数的详细信息向量集。C(t)定义为引导更新信息向量。

PDW信息向量P(t)全时间信息流数学解析表达式为

(1)

式中:N为接收机检测脉冲的个数;δ(t)为单位冲击函数;tn为第n个脉冲检测到达时刻(n=1,2,…,N);g(tn)为第n个脉冲检测到达时刻tn时的脉冲参数测量值。

g(tn)=(ftnDOAtnPWtnPAtn)T

(2)

式中:ftn为脉冲频率测量值;DOAtn为脉冲到达角测量值;PWtn为脉冲宽度测量值;PAtn为脉冲幅度测量值;T为矩阵转置。

干扰目标多维参数的详细信息向量集I,由常规侦察信息处理通道决策生成模块,基于辐射源分选识别结果并考虑测量误差等因素综合生成,由目标引导模块通过干扰引导信息下发,用于提供初始干扰引导信息、指定干扰目标参数变化范围及容差参数。

I=(PIPminPmaxPΔ)

(3)

PI为初始干扰频率、角度、脉冲宽度、幅度引导信息。

PI=(fI0DOAI0PWI0PAI0)T

(4)

Pmin为指定干扰目标频率、到达角、脉冲宽度、脉冲幅度参数下限值向量。

Pmin=(fminDOAminPWminPAmin)T

(5)

Pmax为指定干扰目标频率、到达角、脉冲宽度、脉冲幅度参数上限值向量。

Pmax=(fmaxDOAmaxPWmaxPAmax)T

(6)

PΔ为模型处理所需的频率、到达角、脉冲宽度、脉冲幅度指定容错参数。

PΔ=(fΔDOAΔ00)T

(7)

式中:0表示脉冲宽度、脉冲幅度无处理容差要求。

引导更新信息向量C(t)包括当前频率引导信息fI(t)、当前角度引导信息DOAI(t)、当前脉宽引导信息PWI(t)和当前幅度引导信息PAI(t),即

C(t)=(fI(t)DOAI(t)PWI(t)PAI(t))T

(8)

PDW快速跟踪模型处理分为脉冲匹配、确认跟踪两个处理子模型。

1)脉冲匹配处理子模型

指定干扰目标辐射源当前角度引导信息为DOAI(t),由确认跟踪子模型更新。Pmin、Pmax中的DOAmin、DOAmax随DOAI(t)的更新而更新。

DOAmin=DOAI(t)-DOAΔ

(9)

DOAmax=DOAI(t)+DOAΔ

(10)

DOAΔ为到达角容差参数,从式(7)中获取。干扰引导信息下发时,DOAI(t)为初始引导信息,即

DOAI(t)=DOAI0

(11)

设t时刻脉冲匹配子模型处理输出值为Y(t),对输入的P(t)进行流水匹配处理。 当P(t)=0,即P(t)为零向量时,则Y(t)=-1。当P(t)≠0,即P(t)为非零向量时,则有如下两种结果:

(1) 若P(t)-Pmin≥0且P(t)-Pmax≤0时,则Y(t)=1。

由式(1)可知,当且仅当t=tn(n=1,2,…,N)时,P(t)为非零向量,则

P(t)-Pmin≥0

(12)

P(tn)-Pmin≥0

(13)

(14)

g(tn)-Pmin≥0

(15)

同理

P(t)-Pmax≤0

(16)

P(tn)-Pmax≤0

(17)

(18)

g(tn)-Pmax≤0

(19)

即当式(15)、式(19)同时成立,则Y(t)=1。

(2) 其他情况,则Y(t)=0。

由上可知,当Y(t)=1时,表示指定干扰雷达辐射源目标脉冲PDW匹配成功。

2)确认跟踪处理子模型

确认跟踪处理子模型根据Y(t)输入驱动,记Y(t)=1时的t=t′,则按照脉冲匹配输出顺序将Y(t)=1的匹配输出结果及对应时间标识的P(t)抽取处理,形成新的序列Y(t′)和P(t′)。对P(t′)按长度L进行步进为1的滑窗,对滑窗内P(t′)数据进行分析处理,输出引导更新信息向量C(t),最新进入窗内的数据时刻为t,如图3所示。

图3 滑窗内P(t′)数据处理示意图

图3中,对于P(t′),记L长度滑窗内的L个PDW为

P(mq)=(fmqDOAmqPWmqPAmq)T

(20)

式中:q=1,2,…,L。对滑窗内P(mq)数据进行分析处理的具体处理步骤设计如下:

(1) 步骤1:跳频模式判断

设阈值Kc,Kc可取(L/2,L]间的整数。指定干扰目标辐射源当前频率引导信息为fI(t)。干扰引导信息下发时,fI(t)为初始频率引导信息,即

fI(t)=fI0

(21)

P(mq)中任意两个P(mi)、P(mj)的脉冲频率测量值为fmi、fmj(i、j∈[1,2,…,L],且i≠j),记同时满足|fmi-fmj|≤fΔ、|fmi-fI(t)|>fΔ、|fmj-fI(t)|>fΔ的P(mq)个数为K(K≤L)。对应的K个P(mq)可表示为P(mqk)(k=1,2,…,K)。fΔ为频率容差参数,从式(7)中获取。

若K≥Kc,则确认目标发生成组跳频或自适应抗干扰跳频,进入步骤2。否则判为目标未发生成组跳频或自适应抗干扰跳频,步进滑窗继续步骤1。

(2)步骤2:参数变化跟踪

同时更新fI(t)、DOAI(t)、PWI(t)和PAI(t),实现对雷达辐射源频率、角度、脉冲宽度和幅度参数变化的快速跟踪。

(22)

(23)

(24)

(25)

(3)步骤3:引导信息更新

依据式(22)～式(25)更新值,输出引导更新信息向量C(t)。其中,fI(t)用于快速完成干扰频点引导信息更新,DOAI(t)用于快速完成干扰波束指向的引导信息更新。完成更新后,返回步骤1步进滑窗处理。

PDW快速跟踪处理模型中滑窗长度L的取值与战场电磁态势信号环境复杂度相关。在确保低于一定虚警率的前提下,应尽可能地取小。容差参数fΔ和DOAΔ则需根据侦察测量误差指标,结合工程经验进行选取。

3 数字仿真

为有效验证基于PDW快速跟踪的雷达侦察信息敏捷处理技术设计的有效性,指导装备系统工程化设计和应用,依据PDW快速跟踪处理模型,在模拟电磁环境及指定干扰雷达辐射源参数条件下,分别针对脉组频率捷变雷达、自适应抗干扰跳频雷达两类频率捷变雷达,利用仿真软件进行了数字仿真。

1)仿真场景1

(1)指定干扰雷达辐射源模拟

模拟生成脉组频率捷变雷达辐射源PDW,具体模拟仿真参数设置如表1所示。

表1 脉组频率捷变雷达辐射源模拟仿真参数表

考虑仿真真实性,生成雷达PDW模拟数据时,在频率添加均值为0、方差为1 MHz的高斯分布随机误差,在方位到达角添加均值为0、方差为1°的高斯分布随机误差,以模拟PDW测量误差。

(2)电磁环境模拟

在8 GHz～12 GHz频段内,模拟生成20万/秒脉冲密度的PDW电磁环境背景,具体模拟仿真参数设置如表2所示。

表2 电磁环境模拟仿真参数表

(3)仿真验证结果

图4为数字仿真模拟的脉组频率捷变雷达辐射源PDW(红色)和电磁环境PDW(蓝色)分布情况,图中从上到下依次为脉冲频率测量值、到达角度测量值、脉宽测量值及幅度测量值。

图4 脉组捷变雷达PDW与环境PDW

基于PDW快速跟踪的雷达侦察信息敏捷处理技术的仿真处理结果如图5、图6所示。考虑雷达主要变化参数为频率值,同时工程应用中PDW角度测量误差相对较大,重点对频率、方位引导信息更新结果进行展示。图5为频率引导信息更新仿真结果。其中,由于受密集电磁环境PDW影响,匹配成功的PDW序列频率值出现若干虚警点(红色),但经过确认跟踪子模型处理后,引导信息无虚警。图6为方位引导信息更新仿真结果。仿真过程中雷达共跳频24次,每次跳频时,模型均在不大于3 200 μs的时间内完成干扰频率、方位引导信息的更新。按雷达800 μs仿真重频参数计算,最大不超过4脉冲,可实现对雷达频率捷变的快速跟踪和干扰频率、方位引导信息更新。干扰频率、方位引导处理反应时间如图7所示。

图5 频率引导信息更新仿真结果

图6 方位引导信息更新仿真结果

图7 干扰频率、方位引导处理反应时间

2)仿真场景2

(1)指定干扰雷达辐射源模拟

模拟生成自适应抗干扰跳频雷达辐射源PDW,具体模拟仿真参数设置如表3所示。

表3 自适应抗干扰跳频雷达辐射源模拟仿真参数表

考虑仿真真实性,生成雷达辐射源PDW数据时,同样添加与仿真场景1相同的随机误差,以模拟PDW测量误差。

(2)电磁环境模拟

在8 GHz～12 GHz频段内,模拟生成20万/秒脉冲密度的PDW电磁环境背景,具体模拟仿真参数与仿真场景1相同,详见表2所示。

(3)仿真验证结果

图8为仿真模拟的自适应抗干扰跳频雷达辐射源PDW(红色)和电磁环境PDW(蓝色)分布情况,图中从上到下依次为脉冲频率测量值、到达角度测量值、脉宽测量值及幅度测量值。

图8 自适应抗干扰跳频PDW与环境PDW

图9、图10为雷达侦察信息敏捷处理仿真结果。仿真过程中雷达共跳频24次,雷达仿真重频参数800 μs,每次跳频时,模型均在不大于3 200 μs的时间内完成干扰频率、方位引导信息更新,干扰频率、方位引导处理反应时间如图11所示。可见,对于自适应抗干扰跳频雷达信号,本文所提技术同样可在高密度复杂电磁环境背景下,在最大不超过4脉冲时间内,实现雷达辐射源频率、方位引导信息的快速、准确、稳定更新。

图9 自适应抗干扰跳频雷达频率引导信息更新仿真结果

图10 自适应抗干扰跳频雷达方位引导信息更新仿真结果

图11 自适应抗干扰跳频雷达干扰频率、方位引导处理反应时间

上述数字仿真结果验证了本文所提技术的有效性。

4 结束语

基于PDW快速跟踪的雷达侦察信息敏捷处理技术,较传统的雷达侦察信息处理方法,有效减少信息处理环节、缩短信息处理时间,在干扰保障过程中,可实现对脉组频率捷变、自适应抗干扰跳频等捷变雷达参数变化的快速、实时跟踪和更新,大幅提升侦察信息处理的敏捷性。仿真试验验证了技术的有效性。