高頻認知信息系統環境感知與架構設計

漆家輝,陳建文,鮑 拯

(1.空軍預警學院研究生管理大隊,湖北武漢430019;2.空軍預警學院,湖北武漢430019)

高頻認知信息系統環境感知與架構設計

漆家輝1,陳建文2,鮑 拯2

(1.空軍預警學院研究生管理大隊,湖北武漢430019;2.空軍預警學院,湖北武漢430019)

認知雷達作為一種新型雷達概念,可全面提升雷達系統能力,是雷達技術發展的重要方向。針對天波超視距雷達小、慢、低可探測目標檢測和現有軟、硬件系統性能限制等難題,探討了認知天波超視距雷達的高頻認知信息系統實時環境感知機制,仿真分析了天波雷達外部環境的復雜多樣性,分析了提升系統主動適應外部環境非平穩變化能力的方法,給出了層次化的感知與探測一體化系統架構設計,為認知天波超視距雷達智能信息處理系統研制與算法研究提供參考。

認知天波超視距雷達(COTHR);高頻認知信息系統;分層處理結構;系統架構

0 引 言

天波超視距雷達(Skywave Over-the-Horizon Radar,OTHR)是利用電磁波經過電離層折射、后向返回散射實現飛機、大中型海面艦船、巡航導彈、主動段彈道導彈和核爆炸等目標的超視距下視探測的高頻雷達裝備。單個OTHR可對500多萬平方公里電離層以下空、海域進行監視,具有視距以外的遠程預警探測能力和良好的低空、隱身目標探測能力,戰略預警價值突出[1-2],在海洋遙感[3]、緝拿走私[4]、交通管制等領域也有廣泛應用。在相控陣體制基礎上,OTHR發射信號采用線性調頻連續波固定信號形式,經過數十年研究,系統理論已基本完備成熟,但仍然存在發展瓶頸與不足,主要是系統性能嚴重依賴電離層狀態、海況和外部電磁環境,限制了電離層污染和復雜電磁環境下小、慢、低可探測目標檢測性能的提升。環境影響因素與目標本身特性及所處外部環境交織在一起,造成許多重要目標觀測困難,小型空中目標與慢速大中型艦船目標檢測已成為天波超視距雷達檢測難題。OTHR先感知電離層狀態后探測目標的工作模式只能被動地應對環境變化,響應不夠靈活且調整內容相對單一,在外部環境平穩的狀況下,尚可保證目標探測的順利進行,但在電離層狀態非平穩、外部環境變化不規則時,系統探測性能便會大幅下降,導致大中型艦船、小型飛機、巡航導彈等目標檢測困難。因此,從新思路著手,改進當前環境感知與應對機制,降低天波超視距雷達對外部環境的依賴,改善目標探測性能,需對現有天波超視距雷達“被動適應”的系統結構和信息處理機制進行改變,代之以預測環境變化并進行匹配的主動方式。以發射、接收全自適應為手段的認知雷達理論[5-7]為解決該問題提供了思路。

認知天波超視距雷達研究已有報道,文獻[8]提出了認知天波超視距雷達(Cognitive Over-the-Horizon Radar,COTHR)概念,將電離層先驗信息納入系統中,提高了OTHR的環境適應能力。文獻[9]考慮到電離層色散效應的影響,提出認知天波超視距雷達的精細化電離層數學模型。文獻[10]提出了一種混合式網絡系統架構,并基于透鏡原理設計了認知天波超視距雷達信息處理架構以及處理流程。文獻[11]提出了一種基于匹配濾波器輸出最大SINR的準則和相似度條件下設計發射波形算法,并仿真驗證該算法具有干擾抑制的能力。從目前研究進展可以看出,認知天波超視距雷達理論已初見端倪,具有很高的研究價值。本文給出了高頻認知信息系統實時環境感知機制,結合仿真分析了天波雷達外部環境的復雜性,并提出了層次化認知天波超視距雷達的系統架構和信號處理體系。

1 高頻認知信息系統實時環境感知機制

與天波超視距雷達只從回波中提取目標信息不同,認知天波超視距雷達通過接收陣列單元實時感知外部環境信息,從回波中提取到環境信息,如干擾、雜波和電離層信息,在其他輔助感知器的配合下,提取感知環境信息更新綜合知識庫,并實時調整發射波形參數,可極大地提高信號處理性能,增大低可探測目標的發現概率。下面按照干擾、雜波和電離層的順序說明高頻認知信息系統的外部環境實時感知方法。

外部環境的干擾來源于通信干擾、電臺干擾和自然干擾,其表現形式為點干擾,如圖1所示,干擾頻點密集,在5～16 MHz頻段抬高了回波信號基底,阻塞了部分頻段。為了尋找可使用的頻率范圍,減少干擾對系統性能的影響,需要一種能夠實時感知外部干擾的方法。

圖1 高頻段電臺與工業干擾頻譜全景示意圖

不同于天波超視距雷達通過頻率監視系統(FMS)監視外部環境干擾信息,認知天波超視距雷達采用目標探測與環境感知一體化架構,可通過接收陣列時分復用監視外部環境,但由于目標探測與環境感知主通道共用一套接收設備,需要優化目標探測與環境感知的資源分配策略。分析頻譜圖獲知干擾頻點信息,接收陣列收到的電磁波經過信號處理后,在頻譜圖上可以觀測到干擾頻點信息,感知的干擾頻點信息可實時反映外部環境干擾頻點變化趨勢,大大增強了系統對干擾的感知能力。在實時感知干擾信息后,系統通過選擇“干凈”(即沒有干擾的頻率范圍)的頻段,調整發射波形工作頻率,減少干擾對系統性能的影響,另外感知的干擾信息也可作為干擾抑制算法的先驗信息,增強信號處理中干擾抑制算法的有效性。

慢速大中型艦船目標容易被海雜波淹沒,為了檢測出目標,天波超視距雷達在信號處理時,采用雜波抑制算法,但往往因為海雜波信息不符合真實環境海雜波而導致算法失去有效性。因此,雜波抑制處理方法需要準確的雜波信息降低虛警概率。認知天波超視距雷達通過接收端實時感知外部環境,分析回波的雜波分布圖,提取所需雜波信息,實時更新雜波圖,可以使得所感知雜波信息更加接近真實環境。為了進一步提高信息利用效率,首先對雜波信息進行預處理,這里只保留雜波信息,不關心目標信息,下面采取3個步驟提取雜波信息,使得感知的雜波信息貼合實際,完善地/海雜波圖庫。

1)確定主要信息區域。通過消去雜波分布圖中除了海雜波區域的其他區域,確定主要雜波區域,能夠有效地減小數據量和提高檢測準確度,進一步在使用雜波抑制處理方法時減小虛警概率。

2)消除島嶼及固定雜波峰值。島嶼雜波會出現在雜波圖零多普勒或者近零多普勒區域,通過雜波分布圖和地理知識確定來自島嶼的雜波,排除其對目標的影響。特別地,長期感知環境確定島嶼和地面雜波信息,消除其峰值能夠有效地排除假目標,提高目標檢測效率。

3)更新雜波圖。對回波中雜波進行預處理后,通過式(1)更新基于知識的雜波圖,存儲在綜合知識庫中,基于知識的雜波矩陣如下:

電離層污染引起海雜波多普勒展寬,可能會導致雜波淹沒目標的情況,其次,其非平穩變化會影響相干積累效果,降低目標檢測概率。如圖3所示,微小的發射波形參數變化會導致電離層傳播通道發生變化,不同發射角度在電離層中有不同的射線傳播路線,而電離層的多模、多徑效應、時變、非平穩變化及色散特性[12]決定了確定回波路徑的困難性,同時降低了目標檢測的有效性。

電磁波的傳播特性與電離層介質參數(電導率、磁導率和電子濃度)有關,當高頻信號在穿過電離層時,由于電離層電子濃度隨高度和時間不斷發生變化,信號的傳播速度、相位和頻率也隨之改變,這就是電離層的色散效應。本文給出了一種感知電離層色散效應并確定電離層電子濃度的方法,利用電離層色散效應會導致信號回波發生相位變化的現象得到信號的相對時延,再通過式(6)確定電離層電子濃度。與沒有電離層色散效應影響的信號回波相比,色散效應影響的脈沖壓縮信號回波表現出明顯展寬,其平滑差分相位估計也存在明顯的差別,具體如下所示。

圖2 雜波分布圖

圖3 三層拋物線射線路徑圖

忽略電離層相位折射率的高階項時,電離層引入的時延[13]為

式中,f為信號頻率,TEC為沿路徑長度的電子總數,單位e/m2,τ(f)為相位時延。電離層的色散特性與其中電子濃度直接相關,如果能夠從信號的變化中獲得電離層色散特性τ(f),就能獲得電離層的關鍵參數。

因此對式(2)中f求導可得

式中,f0為信號中心頻率。

將式(2)在載頻f0附近泰勒展開,忽略其高階項,有

由式(4)可得

由式(3)、式(5)可得

為了驗證該方法獲取電離層精細結構信息的能力,作如下仿真比較實驗,發射波形采用線性調頻信號,由于電離層色散效應對窄帶信號的影響很小可忽略不計,所以設置信號帶寬為10 k Hz的寬帶信號,分為兩種情況,一種是不存在電離層色散效應的情況,稱為非色散信號,另一種是存在電離層色散效應的情況,稱為色散信號。在不考慮干擾和雜波的影響,如圖4所示,色散信號匹配脈壓后存在明顯展寬。為了進一步說明色散效應對信號相位延遲的作用,比較兩種情況下平滑信號帶寬內差分相位,如圖5所示,非色散信號的差分相位保持不變,而色散信號的差分相位呈下降趨勢,由此可確定電離層相位延遲大小。

確定電離層相位延遲后,如式(6)所示,可計算出電離層電子濃度,并實時更新綜合知識庫的電離層電子濃度信息和電離層色散時延信息,確定傳播通道的穩定性和變化趨勢,并用于全收發自適應信號處理。在發射端,實時更新的電離層信息能夠為發射波形參數調制提供先驗信息,選擇相對平穩電離層通道,提高目標檢測概率,為算法策略選擇提供判斷依據,強化資源管控能力。在接收端,準確的電離層色散時延信息能夠降低信號去污染相位校正的誤差,修正海雜波頻譜展寬淹沒目標的情況。

圖4 信號脈壓圖

圖5 信號帶內差分相位圖

認知天波超視距雷達本質上是一個高頻認知信息系統,通過實時環境感知機制可實時感知外部環境,雖然感知區域較小,主要集中在高頻電磁波傳播通道和電磁波照射區域,但通過其他輔助環境感知器的補充,如頻監系統(FMS)、技偵衛星、電離層監測系統可做到長期監視全部可照射區域的環境情況。而且,研究環境實時感知機制不僅可準確確定外部環境情況,所感知的環境信息也為發射波形參數調整和波形設計提供先驗信息,這也是研究認知天波超視距雷達智能信息處理系統的基礎。

2 認知天波超視距雷達系統架構和信號處理策略

認知天波超視距雷達在電離層診斷和目標探測的基礎上實現了從接收到發射的感知-行動收發閉環結構,并且將接收通道作為環境感知的主通道,其他輔助感知器作為補充,強調了外部環境(電離層、雜波、干擾)與雷達系統(發射機、接收機和信號處理系統)之間的聯系,高頻認知信息實時環境感知機制就是這種聯系的表現形式。如圖6(a)所示,整個系統是以接收-發射的循環閉環方式工作的,一方面接收回波信號后,環境感知分系統提取回波中的環境和目標信息,并發送到綜合知識庫;另一方面,基于目標環境學習和綜合知識庫信息選擇,通過發射波形參數優化選擇和自適應波形設計,實現目標探測,并提升目標檢測性能和跟蹤效率。如圖6(b)所示,認知天波超視距雷達系統架構主要為數字收發前端、顯示器終端和全自適應智能化認知處理三大系統,其中全自適應智能化認知處理分系統由目標探測與環境感知一體化模塊、策略決策模塊、綜合知識庫三大模塊組成,分系統的主要功能包括目標探測與環境感知一體化模塊的“應用”、策略決策的“選擇”和綜合知識庫模塊的“學習”。系統通過接收通道的實時環境感知和環境輔助感知(其他感知器,如技偵、衛星等)獲取外部環境信息,更新綜合知識庫中相應環境信息,調整發射波形參數,自適應主動適應外部環境,而且系統可根據綜合知識庫相應環境知識和任務類型自動選擇優化算法和限制條件,使得設計的波形與外部環境相匹配,提高目標檢測概率。特別地,在每次完成探測或者跟蹤任務后,系統對資源分配情況和目標探測情況進行性能評估,評估結果存儲在綜合知識庫和邏輯決策庫中,為以后的資源分配和模型算法選擇提供參考。

圖6 認知天波超視距雷達系統架構圖

認知天波超視距雷達的核心是“全自適應智能化認知處理”,先進的系統架構和信號處理體系直接決定了系統性能。與傳統天波超視距雷達相比,全自適應智能化處理系統架構最大的不同在于知識運用功能。知識的多樣化和信息處理的復雜性也決定了信號處理架構復雜程度。為了解決這個問題,將信號處理架構進行分層,把復雜的認知信息處理問題分為若干個較小的、單一的問題,并在不同層次上予以解決,分別為物理層、網絡層、策略層、應用層和評估層,如圖7所示。具體說明如下:

1)物理層。先進的硬件架構提供了信息處理的平臺。主要包括接收-發射閉環結構、信息高速處理、感知-探測一體化和存儲技術。物理層是認知天波超視距雷達工作的基礎,特別是近年來快速發展的雷達硬件技術強有力地支撐了認知天波超視距雷達理論研究的進展。

2)網絡層。系統中多種功能與任務之間相互聯系,構成一張控制與轉換的網絡,主要包含各個模塊和子系統之間的信息傳遞和實時反饋。網絡層是認知天波超視距雷達的經脈,通過系統資源與任務調度模塊進行網絡調控,實時反饋各個功能模塊的信息。

3)策略層。系統有針對性地自主選擇發射波形參數和信號處理策略,發射波形參數優化算法、波形設計算法、信號處理算法、干擾與雜波抑制算法和電離層污染校正算法等集合構成策略層所需功能。與常規天波超視距雷達追求算法普適性不同,認知天波超視距雷達可根據外部環境和任務的不同自主地選擇針對性策略,并在策略中通過評估反饋選擇合適的算法和調整算法模型及相關參數,主動適應外部環境。

4)應用層。主要是確定任務需求、分析環境特征、調度系統資源、制定處理策略。應用層是認知天波超視距雷達的大腦和核心,通過確定任務需求和分析環境特征,確定系統資源的調度方法,選擇相應策略。

5)評估層。長期認知環境特征和分析目標特征,評估各類策略匹配環境能力和系統性能。評估層重點體現了認知天波超視距雷達的智能性和可學習性,在長時間的學習和認知外部環境的過程中,建立并逐步完善多種類知識庫,逐步提高系統性能,這是認知天波超視距雷達特有的功能。

一方面,設計的認知天波超視距雷達架構通過環境感知將干擾、雜波、電離層等先驗信息納入系統,可以提高其對外部環境的認知和適應性;另一方面,設計的環境感知與目標探測一體化的系統架構優化了系統結構,將目標探測與環境感知融為一體,并通過波形優化設計和接收信號的智能處理,可同時對雷達發射和接收端進行聯合全自適應處理,形成閉合回路,從而解決現階段天波超視距雷達受復雜環境限制等問題。可以預見,在天波超視距雷達領域引入認知雷達概念,必將有助于天波超視距雷達系統性能的大幅提升。

圖7 認知天波超視距雷達分層處理信息流圖

3 結束語

認知天波超視距雷達作為新一代天波超視距雷達發展方向之一,可有效提高天波超視距雷達在復雜環境下低可探測目標的檢測性能,拓展同時執行多任務的功能。本文分析了常規天波超視距雷達“先感知后探測”被動適應環境的系統結構和信息處理機制存在的問題,詳細討論了天波超視距雷達面臨的小、慢目標檢測,軟、硬件不符合智能系統要求和粗糙的外部環境感知方法等難題,指出了認知天波超視距雷達具有實時感知外部環境、收發全自適應處理和智能化運行等特點,提出了高頻認知信息系統實時環境感知機制,通過實時感知外部環境獲得相應的外部環境信息,包括外部干擾、海雜波和電離層等信息,分析了系統感知外部環境方法和處理方法。由于系統的復雜性和知識多樣性,再給出其系統架構后,提出了層次化的信號處理策略,將復雜的認知信號處理過程轉化為簡單、模塊化的過程進行實現。本文高頻認知信息系統實時環境感知策略與架構設計對認知天波超視距雷達的設計與研制具有一定的指導意義。

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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)

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.

cognitive over-the-horizon radar(COTHR);high-frequency cognitive information system;hierarchy processing struction;system architecture

TN958.93

A

1672-2337(2017)02-0141-07

10.3969/j.issn.1672-2337.2017.02.006

2016-07-17;

2016-09-20

國家自然科學基金(No.61471391)

漆家輝男,1991年出生,四川綿陽人,空軍預警學院信息與通信工程專業碩士研究生,主要研究方向為目標檢測與識別、天波超視距雷達信號處理。

E-mail:m15527912270@163.com

陳建文男,1964年出生,湖北武漢人,教授、博士生導師,主要研究方向為天波超視距雷達信號處理、陣列信號處理。

鮑 拯男,1977年出生,湖北漢川人,博士、講師,主要研究方向為天波超視距雷達信號處理、陣列信號處理。