多通道雷达信号合成方法研究*

王勇军 柯 凯

（中国人民解放军91404部队 秦皇岛 066001）

1 引言

在现代战场上，敌我双方配置的大量电子装备令战场辐射源异常密集，这些辐射源信号复杂多变，而且调制类型种类繁多，进一步增加了战场电磁环境的复杂度［1］。因此现代电子装备论证、研制、生产和试验过程中，必须考虑装备所处的电磁信号环境，为了逼真模拟真实战场电磁信号环境，需使用相关系统或装备模拟产生复杂电磁环境，确保电子装备的可靠性和有效性［2］。雷达信号环境模拟装备辐射电磁信号是一种模拟战场电磁环境行之有效的方式［3］，但因为雷达脉冲信号非常密集，不得不考虑脉冲重叠问题，本文提出了一种多通信信号合成方法，结合遗传算法，在不增加信号源的基础上可以有效降低脉冲重叠概率，有效提高雷达信号环境模拟装备的效能。

2 脉冲丢失率分析

雷达信号环境模拟装备脉冲丢失的主要原因是脉冲重叠，传统理论认为脉冲丢失和脉冲重叠概率等同，形成了三种脉冲重叠概率计算方法，分别是脉冲到达信号呈泊松分布、随机过程概率统计、实验统计近似表达等［4～5］，本文基于泊松分布理论分析脉冲丢失率。

设定信号模拟系统模拟产生的雷达信号数量不小于四部，到达时间呈现泊松分布，对模拟雷达信号的频率源，在Δt时间内，脉冲重合概率即为脉冲丢失率，在Δt时间段内出现脉冲数为n的概率符合泊松分布，其在时间Δt内到达n个脉冲的概率分布表达式为

式中，Δt是频率源占用时间，Δt=τ+Ts，τ是脉冲宽度，λ是脉冲密度，Ts是频率源频率转换、脉冲调制和幅度调制等所需要的附加时间。

如果考虑M个通道复合利用技术，则n个脉冲丢失率计算如下式所示：

采用信号产生通道复用技术，则当n小于频率源数M时，认为信号不丢失。

3 多通道信号合成方法设计

3.1 流程设计

将多通道信号合成方法应用到雷达信号环境模拟系统中，需要在既有指定雷达信号特性的基础上，通过对各信号到达时间、信号脉宽的脉冲信号进行交织得到脉冲信号序列［6］。信号交织主要通过合理排布信号到达信号的脉冲来实现，主要的计算方法如图1所示。

图1 雷达信号合成算法

根据战情设置提供的辐射源信号参数，通过图1所示流程的算法，即可完成辐射信号源战情编译数据的生成。

设定雷达信号环境模拟器包含三个频段辐射源、最多具备模拟192个具备不同雷达信号形式的雷达背景信号，综合控制分系统中任务规划软件完成最多192组目标信号特征编辑，形成场景模拟数据下载到雷达信号模拟源中进行初始化。

3.2 信号合成策略

多通道信号合成算法是在通道内进行合并每个雷达产生的脉冲序列采取两两合成的合成算法，实现全部合成同一通道下所有信号的策略，舍取脉冲参考信号优先级。图2所示为两组脉冲序列合并原理，图中目标1脉冲序列的优先级较高，算法模块需要针对各种情况进行分别处理，最后合成一组脉冲序列。

图2 多目标脉冲合并逻辑

雷达信号源根据场景软件中规划每一部目标辐射源信号的脉内样式、脉冲载频、脉冲特性和幅度特性等参数，独立产生各自信号的PDW脉冲流序列，再通过优选策略（指定优先级、幅度优选和综合优选）合并方法将多各目标信号的PDW脉冲序列按信号优先级顺序依次进行两两合并，对于存在冲突的脉冲，按优选策略舍去低优先策略的脉冲，合并后会导致一定的脉冲丢失，脉冲丢失率在合并过程中随着信号的变化而动态变化。待全部信号的脉冲流合并完成后，最终形成新的脉冲流，脉冲流中的每个脉冲具有不同的脉内样式、脉冲载频、脉冲特征和幅度特征，交互交错表征不同目标信号的脉冲特征。

在进行多辐射源模拟时，多个辐射源的脉冲有可能发生冲突，可按照一定的优先级策略，舍弃冲突脉冲，选择其中一个脉冲输出，同时计数脉冲丢失数目，对脉冲丢失率进行实时统计。脉冲优选策略主要有以下几种方式。

1）指定优先级策略：由人工事先对同一个通道输出的每个辐射源进行优先级分配，当发生脉冲冲突时，保留高优先级脉冲，舍弃低优先级脉冲；

2）幅度优选策略：由设备内部逻辑对同一个通道输出的每个辐射源的幅度进行比较，当发生脉冲冲突时，保留幅度大的脉冲，舍弃幅度低的脉冲；

3）综合优选策略：首先由人工事先对同一个通道输出的每个辐射源进行优先级分配，当发生脉冲冲突时，如果低优先级的脉冲幅度高于高优先级脉冲幅度某个门限值（比如6dB）以上，则保留低优先级脉冲，舍弃高优先级脉冲；反之则保留高优先级脉冲，舍弃低优先级脉冲。

对发生冲突的脉冲，根据脉冲优选策略舍去一部分脉冲，就会造成部分目标信号的脉冲丢失，总的脉冲丢失率PL计算公式如下：

式中，Ns为合成后的脉冲数量，Ni为合成前各目标的脉冲数量。

3.3 遗传算法优化

通过仿真统计计算不同目标数量和不同平均占空比，在目标信号脉冲周期符合泊松分布的条件下，目标数量越多，占空比越高，丢失率也越高；反之，目标数量越少，占空比越低，丢失率也越低。

本设计方案采用遗传算法对时域上冲突的多路信号进行一定时延时间优化，尽可能减少脉冲冲突，同时保证信号达到时间满足要求。

遗传算法［7～9］是 20世纪70年代提出的一种概率搜索算法，基本思路是模拟群体进化过程，该群体由一些称为染色体的串组成，通过有组织的随机信息交换重新结合适应性较好的串，生成比上一代适应性更好的群体，常见遗传算法过程包括编码、选择、交叉和变异，应用遗传算法改进信号合成算法步骤如下。

1）编码：设置参数，随机产生初始化种群S0，采用时延时间编码序列作为遗传算法的编码，随机产生s个个体的初始种群，并取η的初始值；

2）从种群S0中选择适应度较好的个体，根据优化要求动态调整权值η；

3）选择：根据脉冲重叠情况，采用最优选择算法，将群体中适应度最大的k个个体直接替换适应度最小的k个个体；

4）交叉：根据交叉概率，将个体随机两两配对，对选择交配的个体进行基因位交叉操作而生成新个体；

5）变异：根据变异概率，选择个体进行基因位变异操作；

6）结束：当适应度函数值达到预定的期望值时，可获得最优解并终止操作；否则进入下一代，转至步骤3）继续遗传。

3.4 硬件设计

在硬件设计中，设置射频通道为2路，在数字中频上采用8路数字信号叠加，所采用的硬件示意图如图3所示。

图3 信号产生硬件平台示意图

多部雷达模拟信号出现脉冲冲突时，按优先级策略进行脉冲筛选，满足能保留大部分的关注目标信号的脉冲。在脉冲叠加进行通道选取时首先按照优先级在双通道中进行从高到低依次分配，对分配后的信号可以进行判断在该通道内是否存在冲突，若存在冲突可以及时选择到另一路通道中进行输出，可以避免该脉冲串的丢失，如果在另一路通道中仍存在冲突，则按照信号优先级进行选择，丢弃优先级较低的脉冲串。采用上述分配方式后，会在一定程度上进一步降低脉冲丢失率。

在大多数使用场景中，许多背景信号的特征变化较为缓慢［10～11］，可将其设为较低的优先级等级，即便是丢失部分脉冲也不影响目标信号的主要特征的提取，因此系统具备单部射频源双通道输出合成64部雷达信号的能力。需要指出的是模拟多部辐射信号特性在技术上能够实现，但是合成后的数字信号因多个脉冲叠加会引起动态减小，同时射频信号存在多种频率分量会引起有效辐射功率降低。

4 仿真验证

仿真试验中，随机选取典型雷达信号进行模拟，并在此基础上增加部分脉宽较大的信号进行叠加，如脉宽为100μs，或重频周期达到5ms的脉冲形式，并对每部雷达信号的频率设置了10%的重频抖动、重频捷变范围。遗传算法本身采用的种群大小和遗传代数根据样本样式和样本范围可进行灵活设置［12］，直至满足脉冲叠加后丢失率满足要求。仿真试验中数字中频均为单路仿真结果具体如表1所示。

表1 雷达信号叠加仿真结果

由表1可知，优化算法参数中种群/代数越小，迭代次数越少，优化时间越短。信号处理板采用数字中频单路和射频通道单路时具有16部雷达信号叠加脉冲丢失率接近10%的能力，即使32部雷达信号叠加，采用2路射频通道同样可以实现脉冲丢失率不大于10%的技术要求。该结果也进一步验证了本文硬件方案设计可以进一步降低脉冲丢失率。

图4为采用单射频通道32部雷达信号脉冲叠加丢失率的优化结果，经过长时间仿真计算，当遗传代数设置为200时，优化效果不明显，丢失率为21%左右。图5为采用2路射频通道32路雷达信号脉冲叠加丢失率的仿真优化结果，脉冲丢失率可降至10%以内，数字中频采用8路进行叠加后会进一步降低脉冲丢失率。

图4 单通道脉冲叠加丢失率优化结果

图5 双通道脉冲叠加丢失率优化结果

5 结语

本文针对雷达信号环境模拟器中存在的脉冲重叠导致的脉冲丢失问题，提出了一种基于遗传算法改进的多通道雷达信号合成算法，并进行了对应的软件和硬件结构设计，仿真结果表明，该方法可以有效降低脉冲丢失率，提升雷达信号环境模拟器的效率和逼真度。