图1 高频段电台与工业干扰频谱全景示意图
漆家辉1,陈建文2,鲍 拯2
(1.空军预警学院研究生管理大队,湖北武汉430019;2.空军预警学院,湖北武汉430019)
摘 要:认知雷达作为一种新型雷达概念,可全面提升雷达系统能力,是雷达技术发展的重要方向。针对天波超视距雷达小、慢、低可探测目标检测和现有软、硬件系统性能限制等难题,探讨了认知天波超视距雷达的高频认知信息系统实时环境感知机制,仿真分析了天波雷达外部环境的复杂多样性,分析了提升系统主动适应外部环境非平稳变化能力的方法,给出了层次化的感知与探测一体化系统架构设计,为认知天波超视距雷达智能信息处理系统研制与算法研究提供参考。
关键词:认知天波超视距雷达(COTHR);高频认知信息系统;分层处理结构;系统架构
天波超视距雷达(Skywave Over-the-Horizon Radar,OTHR)是利用电磁波经过电离层折射、后向返回散射实现飞机、大中型海面舰船、巡航导弹、主动段弹道导弹和核爆炸等目标的超视距下视探测的高频雷达装备。单个OTHR可对500多万平方公里电离层以下空、海域进行监视,具有视距以外的远程预警探测能力和良好的低空、隐身目标探测能力,战略预警价值突出[1-2],在海洋遥感[3]、缉拿走私[4]、交通管制等领域也有广泛应用。在相控阵体制基础上,OTHR发射信号采用线性调频连续波固定信号形式,经过数十年研究,系统理论已基本完备成熟,但仍然存在发展瓶颈与不足,主要是系统性能严重依赖电离层状态、海况和外部电磁环境,限制了电离层污染和复杂电磁环境下小、慢、低可探测目标检测性能的提升。环境影响因素与目标本身特性及所处外部环境交织在一起,造成许多重要目标观测困难,小型空中目标与慢速大中型舰船目标检测已成为天波超视距雷达检测难题。OTHR先感知电离层状态后探测目标的工作模式只能被动地应对环境变化,响应不够灵活且调整内容相对单一,在外部环境平稳的状况下,尚可保证目标探测的顺利进行,但在电离层状态非平稳、外部环境变化不规则时,系统探测性能便会大幅下降,导致大中型舰船、小型飞机、巡航导弹等目标检测困难。因此,从新思路着手,改进当前环境感知与应对机制,降低天波超视距雷达对外部环境的依赖,改善目标探测性能,需对现有天波超视距雷达“被动适应”的系统结构和信息处理机制进行改变,代之以预测环境变化并进行匹配的主动方式。以发射、接收全自适应为手段的认知雷达理论[5-7]为解决该问题提供了思路。
认知天波超视距雷达研究已有报道,文献[8]提出了认知天波超视距雷达(Cognitive Over-the-Horizon Radar,COTHR)概念,将电离层先验信息纳入系统中,提高了OTHR的环境适应能力。文献[9]考虑到电离层色散效应的影响,提出认知天波超视距雷达的精细化电离层数学模型。文献[10]提出了一种混合式网络系统架构,并基于透镜原理设计了认知天波超视距雷达信息处理架构以及处理流程。文献[11]提出了一种基于匹配滤波器输出最大SINR的准则和相似度条件下设计发射波形算法,并仿真验证该算法具有干扰抑制的能力。从目前研究进展可以看出,认知天波超视距雷达理论已初见端倪,具有很高的研究价值。本文给出了高频认知信息系统实时环境感知机制,结合仿真分析了天波雷达外部环境的复杂性,并提出了层次化认知天波超视距雷达的系统架构和信号处理体系。
与天波超视距雷达只从回波中提取目标信息不同,认知天波超视距雷达通过接收阵列单元实时感知外部环境信息,从回波中提取到环境信息,如干扰、杂波和电离层信息,在其他辅助感知器的配合下,提取感知环境信息更新综合知识库,并实时调整发射波形参数,可极大地提高信号处理性能,增大低可探测目标的发现概率。下面按照干扰、杂波和电离层的顺序说明高频认知信息系统的外部环境实时感知方法。
外部环境的干扰来源于通信干扰、电台干扰和自然干扰,其表现形式为点干扰,如图1所示,干扰频点密集,在5～16 MHz频段抬高了回波信号基底,阻塞了部分频段。为了寻找可使用的频率范围,减少干扰对系统性能的影响,需要一种能够实时感知外部干扰的方法。
图1 高频段电台与工业干扰频谱全景示意图
不同于天波超视距雷达通过频率监视系统(FMS)监视外部环境干扰信息,认知天波超视距雷达采用目标探测与环境感知一体化架构,可通过接收阵列时分复用监视外部环境,但由于目标探测与环境感知主通道共用一套接收设备,需要优化目标探测与环境感知的资源分配策略。分析频谱图获知干扰频点信息,接收阵列收到的电磁波经过信号处理后,在频谱图上可以观测到干扰频点信息,感知的干扰频点信息可实时反映外部环境干扰频点变化趋势,大大增强了系统对干扰的感知能力。在实时感知干扰信息后,系统通过选择“干净”(即没有干扰的频率范围)的频段,调整发射波形工作频率,减少干扰对系统性能的影响,另外感知的干扰信息也可作为干扰抑制算法的先验信息,增强信号处理中干扰抑制算法的有效性。
慢速大中型舰船目标容易被海杂波淹没,为了检测出目标,天波超视距雷达在信号处理时,采用杂波抑制算法,但往往因为海杂波信息不符合真实环境海杂波而导致算法失去有效性。因此,杂波抑制处理方法需要准确的杂波信息降低虚警概率。认知天波超视距雷达通过接收端实时感知外部环境,分析回波的杂波分布图,提取所需杂波信息,实时更新杂波图,可以使得所感知杂波信息更加接近真实环境。为了进一步提高信息利用效率,首先对杂波信息进行预处理,这里只保留杂波信息,不关心目标信息,下面采取3个步骤提取杂波信息,使得感知的杂波信息贴合实际,完善地/海杂波图库。
1)确定主要信息区域。通过消去杂波分布图中除了海杂波区域的其他区域,确定主要杂波区域,能够有效地减小数据量和提高检测准确度,进一步在使用杂波抑制处理方法时减小虚警概率。
2)消除岛屿及固定杂波峰值。岛屿杂波会出现在杂波图零多普勒或者近零多普勒区域,通过杂波分布图和地理知识确定来自岛屿的杂波,排除其对目标的影响。特别地,长期感知环境确定岛屿和地面杂波信息,消除其峰值能够有效地排除假目标,提高目标检测效率。
3)更新杂波图。对回波中杂波进行预处理后,通过式(1)更新基于知识的杂波图,存储在综合知识库中,基于知识的杂波矩阵如下:
式中
为当前时刻基于知识的杂波矩阵估计
为前一个时刻基于知识的杂波矩阵估计
为当前时刻感知的杂波矩阵估计。α为更新系数,经验值为0.95。图2为杂波分布图,其中图2(a)为当前时刻感知的杂波图,可以明显地看到海杂波、地杂波和岛屿的存在,由于舰船检测中目标速度较慢,其多普勒频率位于零或近零多普勒区域,因此对感知的海杂波进行预处理,如图2(b)所示,确定杂波的主要区域,并指出岛屿和地杂波区域。
电离层污染引起海杂波多普勒展宽,可能会导致杂波淹没目标的情况,其次,其非平稳变化会影响相干积累效果,降低目标检测概率。如图3所示,微小的发射波形参数变化会导致电离层传播通道发生变化,不同发射角度在电离层中有不同的射线传播路线,而电离层的多模、多径效应、时变、非平稳变化及色散特性[12]决定了确定回波路径的困难性,同时降低了目标检测的有效性。
电磁波的传播特性与电离层介质参数(电导率、磁导率和电子浓度)有关,当高频信号在穿过电离层时,由于电离层电子浓度随高度和时间不断发生变化,信号的传播速度、相位和频率也随之改变,这就是电离层的色散效应。本文给出了一种感知电离层色散效应并确定电离层电子浓度的方法,利用电离层色散效应会导致信号回波发生相位变化的现象得到信号的相对时延,再通过式(6)确定电离层电子浓度。与没有电离层色散效应影响的信号回波相比,色散效应影响的脉冲压缩信号回波表现出明显展宽,其平滑差分相位估计也存在明显的差别,具体如下所示。
图2 杂波分布图
图3 三层抛物线射线路径图
忽略电离层相位折射率的高阶项时,电离层引入的时延[13]为
式中,f为信号频率,TEC为沿路径长度的电子总数,单位e/m2,τ(f)为相位时延。电离层的色散特性与其中电子浓度直接相关,如果能够从信号的变化中获得电离层色散特性τ(f),就能获得电离层的关键参数。
因此对式(2)中f求导可得
式中,f0为信号中心频率。
将式(2)在载频f0附近泰勒展开,忽略其高阶项,有
由式(4)可得
由式(3)、式(5)可得
为了验证该方法获取电离层精细结构信息的能力,作如下仿真比较实验,发射波形采用线性调频信号,由于电离层色散效应对窄带信号的影响很小可忽略不计,所以设置信号带宽为10 k Hz的宽带信号,分为两种情况,一种是不存在电离层色散效应的情况,称为非色散信号,另一种是存在电离层色散效应的情况,称为色散信号。在不考虑干扰和杂波的影响,如图4所示,色散信号匹配脉压后存在明显展宽。为了进一步说明色散效应对信号相位延迟的作用,比较两种情况下平滑信号带宽内差分相位,如图5所示,非色散信号的差分相位保持不变,而色散信号的差分相位呈下降趋势,由此可确定电离层相位延迟大小。
确定电离层相位延迟后,如式(6)所示,可计算出电离层电子浓度,并实时更新综合知识库的电离层电子浓度信息和电离层色散时延信息,确定传播通道的稳定性和变化趋势,并用于全收发自适应信号处理。在发射端,实时更新的电离层信息能够为发射波形参数调制提供先验信息,选择相对平稳电离层通道,提高目标检测概率,为算法策略选择提供判断依据,强化资源管控能力。在接收端,准确的电离层色散时延信息能够降低信号去污染相位校正的误差,修正海杂波频谱展宽淹没目标的情况。
图4 信号脉压图
图5 信号带内差分相位图
认知天波超视距雷达本质上是一个高频认知信息系统,通过实时环境感知机制可实时感知外部环境,虽然感知区域较小,主要集中在高频电磁波传播通道和电磁波照射区域,但通过其他辅助环境感知器的补充,如频监系统(FMS)、技侦卫星、电离层监测系统可做到长期监视全部可照射区域的环境情况。而且,研究环境实时感知机制不仅可准确确定外部环境情况,所感知的环境信息也为发射波形参数调整和波形设计提供先验信息,这也是研究认知天波超视距雷达智能信息处理系统的基础。
认知天波超视距雷达在电离层诊断和目标探测的基础上实现了从接收到发射的感知-行动收发闭环结构,并且将接收通道作为环境感知的主通道,其他辅助感知器作为补充,强调了外部环境(电离层、杂波、干扰)与雷达系统(发射机、接收机和信号处理系统)之间的联系,高频认知信息实时环境感知机制就是这种联系的表现形式。如图6(a)所示,整个系统是以接收-发射的循环闭环方式工作的,一方面接收回波信号后,环境感知分系统提取回波中的环境和目标信息,并发送到综合知识库;另一方面,基于目标环境学习和综合知识库信息选择,通过发射波形参数优化选择和自适应波形设计,实现目标探测,并提升目标检测性能和跟踪效率。如图6(b)所示,认知天波超视距雷达系统架构主要为数字收发前端、显示器终端和全自适应智能化认知处理三大系统,其中全自适应智能化认知处理分系统由目标探测与环境感知一体化模块、策略决策模块、综合知识库三大模块组成,分系统的主要功能包括目标探测与环境感知一体化模块的“应用”、策略决策的“选择”和综合知识库模块的“学习”。系统通过接收通道的实时环境感知和环境辅助感知(其他感知器,如技侦、卫星等)获取外部环境信息,更新综合知识库中相应环境信息,调整发射波形参数,自适应主动适应外部环境,而且系统可根据综合知识库相应环境知识和任务类型自动选择优化算法和限制条件,使得设计的波形与外部环境相匹配,提高目标检测概率。特别地,在每次完成探测或者跟踪任务后,系统对资源分配情况和目标探测情况进行性能评估,评估结果存储在综合知识库和逻辑决策库中,为以后的资源分配和模型算法选择提供参考。
图6 认知天波超视距雷达系统架构图
认知天波超视距雷达的核心是“全自适应智能化认知处理”,先进的系统架构和信号处理体系直接决定了系统性能。与传统天波超视距雷达相比,全自适应智能化处理系统架构最大的不同在于知识运用功能。知识的多样化和信息处理的复杂性也决定了信号处理架构复杂程度。为了解决这个问题,将信号处理架构进行分层,把复杂的认知信息处理问题分为若干个较小的、单一的问题,并在不同层次上予以解决,分别为物理层、网络层、策略层、应用层和评估层,如图7所示。具体说明如下:
1)物理层。先进的硬件架构提供了信息处理的平台。主要包括接收-发射闭环结构、信息高速处理、感知-探测一体化和存储技术。物理层是认知天波超视距雷达工作的基础,特别是近年来快速发展的雷达硬件技术强有力地支撑了认知天波超视距雷达理论研究的进展。
2)网络层。系统中多种功能与任务之间相互联系,构成一张控制与转换的网络,主要包含各个模块和子系统之间的信息传递和实时反馈。网络层是认知天波超视距雷达的经脉,通过系统资源与任务调度模块进行网络调控,实时反馈各个功能模块的信息。
3)策略层。系统有针对性地自主选择发射波形参数和信号处理策略,发射波形参数优化算法、波形设计算法、信号处理算法、干扰与杂波抑制算法和电离层污染校正算法等集合构成策略层所需功能。与常规天波超视距雷达追求算法普适性不同,认知天波超视距雷达可根据外部环境和任务的不同自主地选择针对性策略,并在策略中通过评估反馈选择合适的算法和调整算法模型及相关参数,主动适应外部环境。
4)应用层。主要是确定任务需求、分析环境特征、调度系统资源、制定处理策略。应用层是认知天波超视距雷达的大脑和核心,通过确定任务需求和分析环境特征,确定系统资源的调度方法,选择相应策略。
5)评估层。长期认知环境特征和分析目标特征,评估各类策略匹配环境能力和系统性能。评估层重点体现了认知天波超视距雷达的智能性和可学习性,在长时间的学习和认知外部环境的过程中,建立并逐步完善多种类知识库,逐步提高系统性能,这是认知天波超视距雷达特有的功能。
一方面,设计的认知天波超视距雷达架构通过环境感知将干扰、杂波、电离层等先验信息纳入系统,可以提高其对外部环境的认知和适应性;另一方面,设计的环境感知与目标探测一体化的系统架构优化了系统结构,将目标探测与环境感知融为一体,并通过波形优化设计和接收信号的智能处理,可同时对雷达发射和接收端进行联合全自适应处理,形成闭合回路,从而解决现阶段天波超视距雷达受复杂环境限制等问题。可以预见,在天波超视距雷达领域引入认知雷达概念,必将有助于天波超视距雷达系统性能的大幅提升。
图7 认知天波超视距雷达分层处理信息流图
认知天波超视距雷达作为新一代天波超视距雷达发展方向之一,可有效提高天波超视距雷达在复杂环境下低可探测目标的检测性能,拓展同时执行多任务的功能。本文分析了常规天波超视距雷达“先感知后探测”被动适应环境的系统结构和信息处理机制存在的问题,详细讨论了天波超视距雷达面临的小、慢目标检测,软、硬件不符合智能系统要求和粗糙的外部环境感知方法等难题,指出了认知天波超视距雷达具有实时感知外部环境、收发全自适应处理和智能化运行等特点,提出了高频认知信息系统实时环境感知机制,通过实时感知外部环境获得相应的外部环境信息,包括外部干扰、海杂波和电离层等信息,分析了系统感知外部环境方法和处理方法。由于系统的复杂性和知识多样性,再给出其系统架构后,提出了层次化的信号处理策略,将复杂的认知信号处理过程转化为简单、模块化的过程进行实现。本文高频认知信息系统实时环境感知策略与架构设计对认知天波超视距雷达的设计与研制具有一定的指导意义。
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Research on High-Frequency Environment Sensing Cognitive Information System and its Architecture Design
QI Jiahui1,CHEN Jianwen2,BAO Zheng2
(1.Department of Graduate Management,Air Force Early Warning Academy,Wuhan430019,China;2.Air Force Early Warning Academy,Wuhan430019,China)
Abstract:As a new type of radar concept,the cognitive radar can improve the system adaptability.It is an important direction of the development for radar technology.Aimed at such problems in OTHR that it is difficult to detect small or slow speed targets and the hardware and software impose restrictions on its performance,we discuss the high-frequency real-time environment sensing cognitive information system for cognitive OTHR.Then the methods which can make system automatically adapt to the non-stationary changing environment is analysed.The system architecture design that integrate sensing and detection in layering model is presented,which can provide reference for cognitive OTHR system.
Key words:cognitive over-the-horizon radar(COTHR);high-frequency cognitive information system;hierarchy processing struction;system architecture
中图分类号:TN958.93
文献标志码:A
文章编号:1672-2337(2017)02-0141-07
DOI:10.3969/j.issn.1672-2337.2017.02.006
收稿日期:2016-07-17;
修回日期:2016-09-20
基金项目:国家自然科学基金(No.61471391)
作者简介:
漆家辉男,1991年出生,四川绵阳人,空军预警学院信息与通信工程专业硕士研究生,主要研究方向为目标检测与识别、天波超视距雷达信号处理。
E-mail:m15527912270@163.com
陈建文男,1964年出生,湖北武汉人,教授、博士生导师,主要研究方向为天波超视距雷达信号处理、阵列信号处理。
鲍 拯男,1977年出生,湖北汉川人,博士、讲师,主要研究方向为天波超视距雷达信号处理、阵列信号处理。