雷达信号环境认知理论框架探讨*

许 雄，王 涛，韩 慧，吴若无，陈 翔，曾勇虎，汪连栋

(电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南 洛阳 471003)

0 引言

雷达装备的复杂电磁环境适应性试验需求迫切需要对雷达信号环境进行定量化的描述[1-3]。相关的定量化描述方法应能满足可测量、易操作等要求，且能够利用现有的模拟手段，形成雷达信号环境的定量化模拟方法，以供装备试验与评估过程的应用。

目前，已经有学者提出利用电磁功率密度谱和电磁信号密度组成的这个二维指标空间来定量描述雷达装备所面临的威胁电磁环境，并可进一步推广用于统一描述其所面临的复杂电磁环境[4-5]。用这种方法描述电磁环境具有明显的可操作性和普适性,但是目前还存在不能较好地反映干扰信号质量等一些细节问题。究其原因，主要是为了便于工程应用，这2类指标在较大程度上作了一些简化，进而使指标与雷达之间的关联关系不再是紧耦合，即指标量值与雷达的工作信号样式之间没有紧密的映射关系，因而自然会出现不能很好地反映干扰信号质量等问题。之后学者们又提出了利用压制比和相似度来定量描述雷达导引头所面临的干扰环境[6-7]。这已经考虑到干扰与目标回波的相对性特点了，于是对雷达装备所面临信号环境的认知又前进了一步。但目前的计算主要是针对单目标，尚未考虑多目标的情况。总的来说，这些就是目前人们对雷达信号环境的定量认识，这些认识基础已经在许多方面发挥着重要作用。

然而，要想全面系统地对雷达信号环境进行认知，目前还没有统一的理论框架。针对目前的研究现状，本文拟进一步从雷达装备与电磁环境的相互作用角度出发，分析其所面临的电磁环境要素，在已有认识的基础上，初步提出一种统一的、有效的雷达信号环境的相关性认知理论框架，希望为后续开展雷达装备所面临的复杂电磁环境的定量表征度量及适应性试验等应用提供基础理论支撑。

1 雷达装备面临的信号环境分析

如图1所示，从考虑时空因素来说，可以从场景、技术、战术三个方面来认识和理解复杂电磁环境[5]。这三个方面也常被称为实体、信号和行为，而且从实体和行为的作用结果来看，最终是以信号的变化情况来影响雷达装备。于是，从信号来源和信号用途的角度看，雷达装备所面临的电磁环境通常被分解成三类要素，即目标回波信号、背景电磁环境和威胁电磁环境。其中，目标回波信号包含雷达需要探测的真实目标和其它不相关目标所散射引起的杂波；背景电磁环境主要包括了各种非人为的环境噪声、非对抗性的辐射源信号等；而威胁电磁环境则主要指人为的有意干扰，包括有源压制干扰、有源欺骗干扰、箔条和角反射体干扰，以及各种有源和无源的组合干扰等。

显然，上述的分类方法是从人为的角度进行的。因为对雷达接收机来说，它并不知道其所收到的信号到底是回波还是背景，或是威胁。只有经过一系列复杂的信号处理和数据处理后才有可能分清，而这些正是人为引导的。同时，背景与威胁中的很多信号特性是相似的，如背景噪声和人为噪声并没有太多区别；威胁中的角反射体与有源假目标干扰也是相似的。因此，若采用此种分类，则在试验评估时无法做到各环境要素之间的相对正交性。而若从雷达信号处理的角度来看外部的信号环境的话，环境要素其实可分解为非目标回波信号和类目标回波信号，如图2所示。

这些就是目前人们对雷达信号环境的总体认识，然而要想全面系统地对雷达信号环境进行认知，目前还没有统一的理论框架。

2 雷达信号环境认知的理论框架

根据作者当前的研究经验[8-15]，在上述已有认识的基础上，可分别以雷达和目标为2种参考源，初步建立起雷达信号环境的认知理论框架，如图3所示。这个框架的核心就是相关性认知的概念，其具体内涵包含了受体相关性和目标相关性2个方面。

作者认为，要对雷达信号环境进行全面的、有针对性的认知，应该从以下四个方面问题逐次深入，即单体问题、二体问题、三体问题、多体问题。其中，单体问题是从基本的度量和可视需求方面对其所面临的电磁环境进行统一规范的描述，它是认识和研究上述三方面问题的理论基础；二体问题是将雷达与其它所有辐射源进行区分，可通过简单的相关性计算来初步定性判断可能对雷达有影响的辐射源；三体问题是将雷达与单个目标和干扰源区分开，可通过相关强度比和信号相似度等指标来分析判断干扰源对雷达的影响程度；多体问题则是考虑到现代雷达一般都具有多目标探测、跟踪和识别能力，但同一干扰环境对不同目标的干扰程度却是不一定相同的，所以需要在三体问题上区分不同的目标，对其所面临的电磁环境进行更全面的、有针对性的分析。

下面分别对每个问题进行具体的阐述。

2.1 单体问题

图4所示的是分层认知概念模型对雷达信号环境的描述方法。这里其实是将现有对电磁环境的“时、空、频、能、极化、调制”这“六域”概念描述重新归纳整理，在抽象的物理域和抽象的电磁环境之间形成了一个具备可视化能力的、具有层次化特征的认知结构。这便是电磁环境的分层认知概念模型。“层”是观察电磁信号的一个视角，它与电磁信号环境要素之间的关系可以用图5表示。具体内涵还可以参考文献[13]。

从可测量的物理域的角度来看电磁信号有多个层，而从信号来源角度来看则分为多个要素。通常所要求解的环境参量正是针对若干个具有相类似特性的信号环境要素而言的，因而可以通过相关的层上的物理量来进行定量描述。该分层认知模型是进行雷达信号环境相关性认知的基础。

2.2 二体问题

由于不同的装备所感受的电磁环境不一样，电磁环境对装备来说是具有相对性的。在相关性认知的概念中，二体问题可以理解是受体相关性，即将雷达作为一种受体，从雷达的角度来感受或感知电磁信号环境。于是，可将辐射源信号与雷达的相关性系数定义为：

C=CfCsCp

(1)

式中，Cf为频谱相关系数，Cs为空间相关系数，Cp为极化相关系数。在分层认知模型的前三层上对相关性系数进行计算，可以定性判断可能对雷达有影响的辐射源，如图6所示。黑色实心点所代表的辐射源就是在三个相关系数上都有一定值的源，因而可定性判定其与雷达有关系，即其辐射的电磁波会被雷达接收机所接收，可能会对该雷达装备造成一定的影响。那么在后续的仿真或试验中需要对这些辐射源的状态进行考虑。

2.3 三体问题

在相关性认知的概念中，三体问题可以理解为目标相关性。即不同的雷达装备对信号环境也会产生影响，最终形成一个雷达装备与信号环境相互作用的环路，如图7所示。在这个环路中，既体现了信号环境与雷达装备之间的基本相关性，即频段相关、空间相关和极化相关等内涵；也体现了雷达所发射的电磁波通过目标的散射而最终影响到自己所面临的信号环境，进而就影响到自己对原有信号环境的感知。

那么从目标相关性的角度出发，可以将雷达信号环境要素分解为非目标回波信号和类目标回波信号[12]。如图8所示，为了定量描述，非目标回波信号环境要素可以定义一个称为相关强度比的物理量；而类目标回波信号环境要素可以定义一个被称为信号相似度的物理量。其中，相关强度比的相关对象和信号相似度的相似对象都是以理想的雷达目标回波为参考对象。这也是目标相关性的基本内涵。从这个角度看，这2个物理量正好表达了雷达在不同任务性质下所面临的不同信号环境的相对复杂度。那么对雷达信号环境要素的定量描述过程其实就是对相关强度比和信号相似度这2个物理量的分析和求解过程，而这个过程主要是以分层认知模型为基础进行的。

2.4 多体问题

在三体问题的基础上，不同的实体目标对雷达而言既要体现雷达与目标的相关性，也要体现不同实体目标之间的差异性，如图9所示，这就是相关性认知概念中多体问题的基本内涵。正如某些干扰通常只能干扰雷达的某一扇区，或掩护某几个距离上的目标，并不能对雷达的所有探测区域进行有效抑制。特别是对于多个实体目标位于同一波束的同一距离门内时，其属于不可分辨的群目标，那么相关强度比和信号相似度的计算应该要考虑群目标所呈现出的整体目标散射特性。而若不在同一个距离门，则需要分别考虑各个实体目标的散射特性。如果以雷达能同时截获三种实体目标为前提条件，那么衡量干扰的程度时就需要分别考虑三种实体目标位于不同区域时的组合，以及调制的假目标是与哪一个真实实体目标回波最相似等问题。然后在每一种组合下，再运用三体问题的研究方法进行认知。

这里需要注意的是三体问题与多体问题的差异究竟在什么地方？本来三体问题是针对单目标而言的，是相关性认知的第2种情况，是为了从本质上说明干扰与目标之间的关系而简化出来的模型。而通常的雷达都应该考虑多目标的情况，但目前的认识会混淆这2种情况，所以这里把它们分解成2种问题来对待，即多体问题是在三体问题基础上的发展和完善。而其差异则直观表现在针对不同的目标而言，同一种电磁环境或威胁所表现出来的威胁程度是不一样的，所以从相关性的角度来说，不能只给一种电磁环境估出一个定量描述的值。但是针对具体的多目标情况该如何分析，本文目前还无法给出有效方法。本文目前只能指出需要区别对待。

总的来说，上述四个问题即构成了对雷达类装备所面临的电磁信号环境的相关性认知框架。这样的一套认知理论框架，是以分层认知概念为基础，以相关性认知概念为核心，实现了从六个物理域到各个环境要素的有效衔接和映射。希望能够为人们站在雷达的角度来认知雷达信号环境提供一种有效的思路。当然，单体问题本质上说是不属于相关性认知所涉及的三类问题，但是在三类问题的分析中会用到单体问题的分层认知模型，所以作为理论基础与三类问题共同构成相关性认知的理论框架。在具体应用中，二体问题会用到单体问题中的前三层来判断外界辐射源是否可能会影响雷达装备；三体问题和多体问题则会用到单体问题中的所有五层，但是只会以前三层为基础，而重点是在后两层上分析外界干扰源不同的波形、时序、调制方式等对雷达装备的影响。

3 结束语

正是由于雷达工作时所面临的电磁环境各要素比较多，给分析和度量都带来了一定的困难，因而本文在充分理解该电磁环境的构成及要素分类方法的基础上，提出了这种雷达信号环境的相关性认知方法，给分析和度量提供一种统一的、有效的思路。比如在分析所有辐射源与雷达的基本关联关系时，就把它看作一个二体问题，可以计算各自的相关系数；而在针对单目标跟踪雷达分析其干扰时，就把它看作一个三体问题，可以计算相应的相关强度比和信号相似度；而在针对多目标搜索雷达分析其干扰时，就必须把它看作一个多体问题。同时若与动态的雷达对抗过程相结合并进行深入分析，那么也可为认知雷达、认知电子战中的环境信息感知提供一定的思路参考。不过多体问题目前还没有一种可行的思路，这也是后续研究应该重点攻克的难题。■

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