認知雷達搜索跟蹤一體化工作模式設計

錢喬龍，陳舒敏(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

在過去的100多年里，雷達技術作為一種有效的探測方式，取得了長足的進步。雷達的探測威力不斷提高，測量精度也不斷提升，整體性能也越來越強。在戰爭中，作為主要探測手段的雷達具有決定性的作用，因此研究先進的雷達技術是鞏固國防安全所必需的[1-2]。

戰場的電磁環境異常復雜，有敵我雙方不同設備的電磁干擾，有地海雜波的不同背景環境，現代雷達要能夠適應戰場復雜的電磁環境，必須在不同的環境下都能夠探測到目標[3]。傳統雷達工作模式單一，不能根據作戰環境不同而改變工作方式，不能有效滿足現代作戰要求。

要解決上述問題，就要改變雷達的工作體制。首先，雷達的信號處理功能要足夠強大，只有這樣，才能在不同作戰環境下都有足夠的資源完成處理任務。其次，雷達要使用相控陣體制，通過對不同發射組件的相位精確控制，產生不同的發射波形，根據環境、目標的不同，改變發射波形。最后，雷達在架構上必須要滿足閉環條件，即根據后端信號處理的結果反饋控制前段發射波形，實現認知雷達處理的智能化。

Simon Haykin教授設計出一種新型雷達系統，人們稱之為認知雷達系統[4-5]。認知雷達系統和傳統雷達的區別在于增加了后端處理到前端發射的反饋控制。環境場景分析器分析處理接收回波，根據處理結果，選擇最合適的工作模式和發射波形，反饋給環境場景激勵器，調整系統的發射資源，控制前端發射，使雷達匹配工作環境，優化整體性能[6]。

圖1給出了認知雷達系統結構，簡要顯示了其功能。

圖1 認知雷達架構

1 認知雷達系統架構

作為現代雷達發展的一個熱點，認知雷達可以依據當前相參處理間隔(CPI)的處理結果控制下一個CPI的發射波形，智能分配雷達系統的發射和處理資源。所以認知雷達系統的設計需要考慮智能化判斷及復雜的信號處理任務。

認知雷達和傳統雷達不同，其中加入了處理端對發射端的反饋控制，并且雷達工作方式復雜可變，處理運算量大。認知雷達的主要特點如下：

(1) 在認知雷達剛開機工作時，先對環境進行探測，分析周邊工作環境的特點，智能選擇適應環境的工作模式；

(2) 根據環境不同，認知雷達切換不同的工作模式，所以也必須根據工作模式的不同切換信號處理的處理任務，選擇不同的處理模塊。

根據以上認知雷達系統的特點可以看出，認知雷達要求智能化選擇判斷，要求各個工作模塊之間的高速數據傳輸。要達到認知雷達的性能，在雷達系統的收發模塊、處理模塊、顯控模塊之間必須要進行大容量的高速數據交互。所以，使用基于總線數據交互的雷達架構是認知雷達系統設計的最優選擇。

所設計的雷達系統架構如圖2所示，有以下4個優點：

(1) 基于高速串行總線PCIE或SRIO的雷達系統，數據交換方式靈活，各個模塊之間數據傳輸方便，提高了雷達系統數據交換的效率。

(2) 基于數據交換的雷達系統，預留標準的數據接口，擴展性好，可以方便地進行板卡升級、功能升級，從而提高認知雷達系統性能。

(3) 雷達系統采用統一的時鐘源發給各個工作模塊，保證了相控陣雷達系統的相參性。

(4) 采用數據流模式的工作方式，而不是使用傳統的定時工作方式，可以實時地根據模式的變化做出切換，提高了模式切換的效率。

圖2 基于總線交換的認知雷達系統

2 全向探測模式

認知雷達有2種工作模式，第1種工作模式是全向探測模式。在雷達開機工作后，首先工作在全向探測模式，發射一個寬波束，覆蓋全空域。全空域接收回波后，處理模塊處理回波，給出處理結果。顯控系統顯示周圍環境，并分析環境特性，根據環境特性，自適應調整工作模式。

在當前工作模式下，發射的信號樣式為脈沖信號，采用正交連續相位編碼方式，在空域形成全向的方向圖。圖3顯示了原始方向圖。

圖3 發射方向圖(原始)

圖4顯示了認知雷達發射模塊和接收模塊示意圖，從圖中可以看出，通過多個發射天線，認知雷達發射正交信號，進行全向探測。接收模塊通過多天線接收，進行匹配濾波處理[7]。

圖4 認知雷達發射接收示意圖

2.1 發射波形

全向探測模式下，認知雷達發射正交連續相位編碼信號。設正交連續相位編碼信號為S，式(1)為S的表達式：

S=exp(jΦ)=

{sl(n)=ejφl(n),n=1,2,…,N,l=1,2,…,L}

(1)

式中：N為碼長；L為碼元個數；Φ為S的相位矩陣；φl(n)∈Φ，為信號sl的第n個子脈沖的相位。

當φl(n)∈[0,2π]時，波形S就是正交連續相位編碼信號。

使用Matlab進行仿真分析，設L為16，N為200，仿真出16路正交連續相位編碼信號。連續相位編碼信號時域圖如圖5所示。

圖5 連續相位編碼信號時域圖

當前模式下，認知雷達的發射信號在全空域相互正交，式(3)為相關矩陣：

(2)

正交編碼信號在全空域形成全向的方向圖，可以實現對全空域的快速探測，而不需要進行相掃或機掃那樣的掃描探測。但是因為功率分散到全空域，其探測威力比窄波束時下降。經過天線輻射，實際發射方向圖如圖6所示，覆蓋陣面方位角-45°～45°。

圖6 實際發射方向圖

2.2 脈沖綜合處理

全向探測模式下，同時形成16個接收波束，處理端同時處理16個波束，按照并行處理方式進行處理，獲取目標及環境的特征參數。傳統雷達一般進行脈沖壓縮處理，每一個波束匹配濾波系數相同。但是因為認知雷達發射16路正交連續相位編碼信號，每個天線發射的信號樣式不同，所以匹配濾波系數也不相同。

處理端在同時對16路不同空間方向的回波進行脈沖壓縮處理時，匹配濾波系數與回波的空間方位有關，所以稱為脈沖綜合處理，也可以稱為空時匹配濾波。

16路波束的濾波器系數具體的獲得方法是把每一路發射信號的導向矢量乘以發射信號矩陣，把乘法結果做共軛翻轉即可。

圖7顯示了多波束情況下的脈沖綜合處理流程，數字波束形成(DBF)板先完成接收波束合成，再進行空時匹配濾波處理，最后完成信號處理常規模塊如動目標檢測(MTD)、恒虛警率(CFAR)檢測等處理。

圖7 空時匹配濾波處理示意圖

設發射信號為X，發射導向矢量為at(θ)，θ為目標角度，設xt為到達目標的信號，表示為：

xt=atT(θ)X

(3)

雷達接收信號為：

Y=βar(θ)xt+V

(4)

式中：β為該目標的復散射系數；V為干擾和噪聲。

DBF板完成接收波束合成，wr為合成時的權，合成后的結果為：

(5)

合成之后，第1項參數包含xt即發射信號，對合成結果進行脈沖綜合處理，可以得到每一路發射信號。

本文設計采用4片TMS320C6678完成脈沖綜合處理，每片數字信號處理(DSP)有8個獨立的處理核，其資源可以同時處理4個波束，同時進行脈沖綜合、MTD、CFAR、聚心處理，處理流程如圖8所示。

2.3 Matlab仿真及DSP實現

對脈沖綜合處理流程進行Matlab仿真，發射信號為連續相位編碼信號，碼元個數設為200，目標個數設為4個，目標多普勒頻移設為1/10重頻，4/10重頻，6/10重頻，8/10重頻，目標距離設為16 km，21 km，26 km，29 km。圖9為回波信號的實部圖和虛部圖。圖10為回波的脈沖綜合結果圖。

圖9 回波實部和虛部

圖10 單個脈沖的脈壓結果仿真圖

4片DSP處理16個波束，每片DSP處理4個波束，本文設計脈沖綜合采用的方法是快速傅里葉變換-逆快速傅里葉變換(FFT-IFFT)。圖11顯示單個脈沖DSP處理結果、Matlab仿真結果、2種處理方式的誤差，可以看出誤差很小，量級在10-4，說明DSP處理結果正確。

圖11 脈沖綜合處理結果

3 三波束搜索跟蹤模式

認知雷達開機后，工作在全向探測模式，在對環境進行探測的同時，也探測到目標，當判斷目標存在后，雷達轉為搜索跟蹤一體化工作模式。

三波束搜索跟蹤模式常用波束資源有3個，根據全向探測模式的處理結果，依照一定的準則，選擇2個重點目標，發射跟蹤波束，進行跟蹤。比較簡單的基本準則是選擇回波幅度最大的2個運動目標，或者由作戰人員手動選擇目標。根據目標強度分配跟蹤波束的能量，基本準則是目標回波幅度越大，分配的波束能量越弱。

在跟蹤的同時，發射1個波束進行搜索，采用相掃的方式進行常規搜索。這就實現了搜索跟蹤一體化的作戰任務。

3.1 發射波形

圖12所示為搜索波束和跟蹤波束這3個波束的能量相同，最右邊為搜索波束，在-45°～45°之間相掃，當前指向-39°方向。左邊2個為2個跟蹤波束，中間指向0°，左邊指向39°，跟蹤重點目標。這種發射波束能量沒有進行動態分配，一般用于剛開始跟蹤目標時，還沒有開始資源調整。

圖12 波束能量相同

圖13所示為搜索波束和跟蹤波束這3個波束的能量不相同。最左邊為搜索波束，能量最弱，當前指向-29°。右邊2個為跟蹤波束，中間指向9°方向，跟蹤回波幅度較大的目標，右邊波束指向24°，波束能量最強，跟蹤幅度較小的目標。

圖13 波束能量不同

3.2 脈沖綜合處理

搜索跟蹤一體化工作模式下，接收處理方式如上文2.2中所介紹的脈沖綜合處理算法。搜索波束方向接收合成1個波束，2個跟蹤波束方向接收各合成和差波束，用于進行跟蹤處理，所以在該模式下，發射3個波束，接收合成5個波束，處理流程如圖14所示。

圖14 信號處理流程圖

該工作模式下，信號處理在DSP中的實現方式與全向探測模式類似。

4 結束語

本文介紹了認知雷達系統的架構，描述了認知雷達系統的特點，即根據當前的探測結果決定下一次的工作模式，改變發射波形。在三波束搜索跟蹤模式下，實現了1搜索+2跟蹤的三波束工作方式，達到了同時完成搜索跟蹤的目的。

[1] 楊濤.MIMO雷達波形設計與實時處理系統研究[D].西安:西安電子科技大學,2014.

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[7] 張雷，張兵，李廣強，等.一種簡單有效的火控雷達搜索時間模型[J].艦船電子對抗，2012，35(1)：45-48.