雷達接收信號循環平穩特性控制研究

(中國人民解放軍66350部隊 技術室，河北 保定 071000)

0 引言

雷達接收到的信號并不只是一個輻射源發射的，而是由多個獨立的輻射源發射相關信號，所有信號被雷達接收后組成混合信號，因此，在實際應用環境中，混合信號保持循環平穩特性是一個值得研究的問題[1]。在被動雷達接收到的混合信號中，獨立的混合信號循環譜密度函數等于各個信號自身循環譜密度函數疊加之和；在主動雷達接收到的混合信號中，對兩個相干信號同時入射的情況加以分析[2]。傳統采用信號參數估計控制方法，利用特定循環頻率處的譜相關函數實現對雷達接收信號循環平穩特性控制研究，由于幅度調制信號循環頻率是載頻處循環頻率的兩倍、編碼信號循環頻率與信號碼速率譜相關函數一致，導致雷達接收到的混合信號出現時延；當參數滿足一定條件時，混合信號循環相關函數在循環頻率處不再具有明顯的非零屬性，造成信號循環平穩特性無法得到有效控制。因此，采用遺傳算法對雷達接收信號循環平穩特性控制展開研究。

1 雷達信號接收原理

天線、接收機、和信號處理器組成雷達，發射機的主要任務是對外發射信號，來自不同輻射源又反射后的回波信號由雷達接收機接收，再經過信號處理器進行信號處理，這是一套大致的步驟。磁波源是由各種通信信號組成，主要是通過上述設備反射回來的。這主要由于雷達無法發射主動性質的電磁波。實現目標探測[3]，雷達信號接收原理如圖1所示。

圖1 雷達信號接收原理圖

輻射源發送的信號是具有獨立性的，彼此之間并無關聯，如果雷達同時接收多個由輻射源發射的信號，那么將這些信號統稱為混合信號，該信號分量是相干的。

2 混合雷達信號循環平穩特性控制分析

根據上述雷達信號接收原理，對混合信號循環平穩特性控制展開分析。針對混合信號的接收方式有兩種，分別是被動雷達接收和主動雷達接收。其中，被動雷達可接收來自不同輻射源發射的獨立信號，主動雷達可接收來自不同設備發射的電磁波信號[4]。在獨立信號接收過程中，采用感應控制方式，可實現對信號循環平穩特性的控制；而在不同設備發射的電磁波信號接收過程中，會出現時延問題，為了解決該問題，提出了遺傳算法對雷達接收信號循環平穩特性進行控制。

2.1 構建非線性規劃數學模型

以實時采集到的雷達接收信號數據為基礎，以主動雷達混合信號延誤時間為目標，構建非線性規劃模型[5]。采用Webster延誤方法，計算每次接收到的混合信號平均延誤：

(1)

根據上述內容構建非線性規劃數學模型，即為總的延誤時間：

(2)

公式(2)中：pij為第i個相位的第j接收器處的信號流量；cij為第i個相位的第j接收器處的信號飽和度；λi為第i個相位的有效接收信號時長與周期時長的比值。

2.2 約束條件設立

根據構建的非線性規劃數學模型，設定約束條件：

1)充分考慮通過接收器時的信號接收安全需求，將每個相位的最短接收時間設置為大于等于某值e，因此，每一個相位配時需滿足：

e≤ti≤z-T-10×3,i=1,2,3,4

(3)

公式(3)中，ti為第i個相位的有效接收信號時長；T為總延時耗費的時長。

2)充分考慮飽和度限值約束條件，將某個時間段內的周期在合理信號配時條件下，各個相位的飽和度都不大于1.0，避免造成某個接收器接口處出現信號擁堵的現象。假定各個接收器接收端口飽和度都不大于0.9，那么飽和度約束條件為：

(4)

公式(4)中：p為實際信號流通量；N為信號通行能力；s為飽和流量；ge為有效接收信號時長。

2.3 采用遺傳算法控制信號時延

遺傳算法是一種通過模擬自然進化過程搜索的最優控制時延方法。每個個體實際上是染色體帶有特征的實際信號[6]。染色體作為遺傳物質的主要載體，其內部表現出來的是某個信號的成分，它決定了信號頻率大小，因此，在一開始需要實現從信號頻率變量到控制信號大小的映射，也就是編碼工作。由于仿照信號編碼的工作很復雜，往往進行簡化，初代種群產生之后，按照適者生存和優勝劣汰的原理，逐代演化產生出越來越好的近似解，在每一代，根據問題域中個體的適應度大小選擇個體，并借助于自然遺傳學的遺傳算子進行組合交叉和變異，產生出代表新的解集種群。這個過程將導致種群像自然進化一樣的后代種群比前代更加適應環境，末代種群中的最優個體經過解碼，可以作為最優解來實現信號時延的有效控制[7-9]。

2.3.1 變量編碼

利用實數對變量進行編碼，編碼的長度即為變量的個數。在雷達接收裝置中，對一個4相位接收端口，設a1、a2、a3、a4為變量，其中a1、a2、a3分別為第1、2、3相位的有效接收信號時長，在固有的損失時間基礎上，第4相位的有效接收信號時長可表示為：a4=T-a1-a2-a3，那么編碼可表示為：a1、a2、a3。

2.3.2 遺傳操作

(1)選擇操作。

保留2個進化與當代為止最優的信號，采用雙親與后代競爭方式，利用輪盤選擇算子，將所有待選擇的信號按照適應程度由高頻率到低頻率排序，第i個信號個體生存概率為：

P(i)=F(1-F)i-1

(5)

公式(5)中：F為選擇壓力。

在每個信號生存概率求出后，可計算個體選擇概率，按照輪盤賭博方式進行選擇，進而產生后代。

(2)交叉。

交叉概率對種群中所有信號進行隨機配對，如果信號數量為奇數，那么可隨機去掉一個信號個體[10]。每一個在[0，1]范圍內的配對信號都會產生一個隨機數r，如果r小于交叉概率，那么配對的信號需要進行交叉操作，交叉規則如下所示：

(6)

(3)變異。

變異概率對種群中任何一個信號個體，在[0，1]范圍內的配對信號都會產生一個隨機數r，如果r小于變異概率，那么配對的信號需要進行變異操作[11]。如果生成的個體為非正常個體，那么需要重新配對，直到獲取合法個體為止。采用遺傳算法對雷達接收信號循環平穩特性控制過程，具體描述如下所示：

1)將雷達接收的混合信號進行初始化處理，設定信號種群數目、染色體長度、迭代總數、交叉概率和變異概率，根據上述編碼結果，可獲取變量個數，即為：a1、a2、a3；

3)以該染色體數目計算個體函數適應值；

4)將父—子代產生的所有信號個體進行重新排列，構造出具有秩序的新種群。

5)按照交叉概率對上述隨機產生的信號個體進行交叉處理；

6)按照變異概率對上述隨機產生的信號個體進行變異處理；

7)驗證調整幅度信號循環頻率與載頻處循環頻率是否保持一致，如果沒有，則需轉到步驟(3)，重新計算個體函數適應值；如果保持一致，則需輸出最佳信號配時方案。

在控制研究過程中，構建非線性規劃數學模型，根據每次接收到的混合信號平均延誤時間計算總的延誤時間。設立約束條件，根據總的延誤時間，調整幅度信號循環頻率與載頻處循環頻率保持一致，實現信號循環平穩特性的有效控制，并改善了主動雷達接收信號出現的時延問題。

3 實驗結果與分析

為了驗證采用遺傳算法雷達接收信號循環平穩特性控制研究的合理性，需將實驗分成被動雷達信號與主動雷達信號的循環平穩控制兩部分進行，并對實驗控制效率結果總結。實驗的方法步驟主要分為：

1)分別采用改進控制方法和傳統控制方法對被動雷達接收信號循環譜密度函數包絡情況進行測試，得到實驗對比結果如圖2所示；

2)分別采用改進控制方法和傳統控制方法對主動雷達接收信號循環譜密度函數包絡情況進行測試，得到實驗對比結果如圖3所示；

具體實驗過程描述，以及實驗結果分析如下：

3.1 被動雷達信號

被動雷達信號依靠第三方輻射源對目標發射電磁波，接收回波信號，獲取目標信息。以相互獨立的等功率信號對控制研究結果進行驗證，設雷達接收信號載頻為1000 Hz，帶寬為20%，碼率為500 Hz。將傳統控制方法與采用遺傳算法的控制方法信號循環譜密度函數包絡情況進行對比，結果如圖2所示。

圖2 兩種控制方法被動信號循環譜密度函數包絡情況

由圖2可知：傳統控制方法循環譜密度所呈現的線型為直線，雖有包絡凸起，但是基本與原始包絡為“一線”狀態，最高循環譜密度達到3.5×10-5左右，而采用遺傳算法循環譜密度所呈現的線型為曲線，凸起的包絡呈分散狀態。從對比結果來看，采用遺傳算法有限采樣限制了信號接收強度，促使控制信號循環譜密度偏差較小。

根據兩種控制方法的信號循環譜密度函數包絡情況，將傳統方法與遺傳算法對控制程度展開對比分析，結果如表1所示。

表1 兩種方法在被動雷達信號下的控制程度對比

由表1可知：當循環密度為0.5×10-5時，采用傳統方法控制程度達到95%，同樣采用遺傳算法控制程度也可達到95%，隨著循環密度的變大，采用傳統方法控制程度逐漸下降，而遺傳算法控制程度也有小幅度下降趨勢。當循環密度為3.5×10-5時，采用傳統方法控制程度下降到60%，而遺傳算法控制程度下降到87%。由此可知，當循環密度達到最大時，兩種對循環平穩特性的控制程度相差27%，在被動雷達信號狀態下，采用遺傳算法控制能力較強。

3.2 主動雷達信號

主動雷達依靠自身定向輻射電磁波，接收目標反射回波進行探測，獲取目標的方位、距離等信息，還可以通過回波中的多普勒頻移，計算出目標徑向速度等信息。主動雷達接收信號載波頻率可達到1000 Hz、相對帶寬為20%，使用相同功率信號時，會出現時延。當信號在循環頻率為2 000 Hz時，將傳統控制方法與遺傳算法控制的信號循環譜密度函數包絡情況進行對比，結果如圖3所示。

圖3 兩種控制方法主動信號循環譜密度函數包絡情況

由圖3可知：采用傳統方法具有明顯失真現象，在頻率為0 Hz處功率達到最大，但是無論頻率增或減，功率都會大大降低，且呈對稱性；而采用遺傳算法在頻率為1 000 Hz時，具有明顯非零循環函數調動現象，有可能會出現大幅度降低，但是由于信號時延，促使信號與信號之間的傳遞也出現時延，此時將兩個循環頻率處的頻譜密度函數信息結合加以利用，可有效改善控制的平穩性。

將傳統方法與遺傳算法對控制程度在相同信號頻率下展開對比分析，結果如表2所示。

表2 兩種方法在主動雷達信號下的控制程度對比

由表2可知：當頻率為0 Hz時，采用傳統方法與遺傳算法控制程度都可達到95%以上，但是信號頻率一旦增強，兩種方法控制程度都有所下降。當頻率為2000 Hz時，傳統方法控制程度下降到45%，而遺傳算法控制程度仍然較高，為88%，兩者相差43%。由此可知，在主動雷達信號狀態下，采用遺傳算法控制能力較強。

3.3 實驗結論

根據上述實驗內容，可得出實驗結論：

1)傳統控制方法循環譜密度所呈現的線型為直線，而遺傳算法循環譜密度所呈現的線型為曲線，當循環密度為0.5×10-5時，兩種方法控制程度達到了最佳狀態，但是隨著循環密度變大，兩種方法控制程度出現了較大差距，遺傳算法控制程度比傳統方法控制程度高出27%，由此可知，在被動雷達信號狀態下，采用遺傳算法控制能力較強。

2)當頻率為0 Hz時，兩種方法控制程度都可達到99%；當頻率為2000 Hz時，兩種方法控制程度相差最大，且遺傳算法控制達到平穩狀態，不再下降，由此可知，在主動雷達信號狀態下，采用遺傳算法控制能力較強。

無論是在被動雷達信號狀態下，還是主動雷達信號狀態下，采用遺傳算法控制能力都比傳統方法控制能力強。

4 結論與成果

在實際雷達接收信號循環平穩特性控制過程中，實時采集信號流的相關數據，發送至信號處理器中進行相關步驟的處理，采用遺傳算法調整幅度信號循環頻率與載頻處循環頻率，保持兩者頻率大小一致，實現信號循環平穩特性的有效控制。為了確保控制結果的合理性，充分考慮接收器的接收端口飽和度限值，以各個相位進出口總延時作為目標展開研究，該研究方式不僅使被動雷達信號接收的循環平穩特性得到了有效控制，還改善了主動雷達信號接收出現的時延問題。該項目的研究體現了理論與實際的結合，并通過實驗得到了證明。但是，在進行實驗過程中，由于時間存在差異，導致結果的比較也只是定性評價，如果想要定量評價，還需模擬真實環境，降低結果產生的誤差。