一種抗轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的低截獲波形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

顧 兵

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中雷達(dá)面臨日趨復(fù)雜的電磁環(huán)境威脅，各種軍用有意干擾、民用無意干擾大量涌入雷達(dá)接收機(jī)，導(dǎo)致雷達(dá)探測(cè)性能下降[1]。尤其是多部雷達(dá)之間的同頻干擾[2]和射頻采樣存儲(chǔ)技術(shù)[3]的發(fā)展，采用全脈沖復(fù)制、切片復(fù)制、部分復(fù)制形式密集存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，有相參處理增益，干擾效率大大提高[4]。多相編碼雷達(dá)信號(hào)，其信號(hào)形式復(fù)雜，具備低截獲優(yōu)勢(shì)，同樣長(zhǎng)度的多相編碼信號(hào)比二相編碼信號(hào)擁有更高的匹配濾波主副比[4]。

本文利用多相編碼信號(hào)復(fù)雜波形帶來的低截獲優(yōu)勢(shì)，正交波形的互相關(guān)低峰值特性，設(shè)計(jì)一種有效對(duì)抗轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾的低截獲雷達(dá)波形。多相編碼信號(hào)結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，能夠有效降低電子戰(zhàn)設(shè)備的截獲概率或者延長(zhǎng)截獲時(shí)間，用遺傳算法優(yōu)化出多組正交多相編碼子脈沖信號(hào)，將這些子脈沖信號(hào)按照一定的形式拼接成雷達(dá)發(fā)射波形。雷達(dá)在處理時(shí)進(jìn)行分段分時(shí)處理，當(dāng)前處理信號(hào)段大概率與轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)正交，具備較好的抗轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾能力。

1 遺傳算法

遺傳算法是模擬自然界生物在繁殖過程中遺傳和進(jìn)化過程而發(fā)展出的一種高效、并行、全局搜索的數(shù)學(xué)算法，在函數(shù)優(yōu)化領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用，尤其是一些多模型、非線性的優(yōu)化問題。

遺傳算法是一個(gè)典型的迭代優(yōu)化過程，其主要步驟有：

(1) 對(duì)參數(shù)集合域選擇適當(dāng)?shù)牟呗赃M(jìn)行編碼，使其轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的位串結(jié)構(gòu)空間；

(2) 設(shè)定衡量各個(gè)樣本個(gè)體優(yōu)劣尺度的適應(yīng)度函數(shù)；

(3) 確定遺傳策略及參數(shù)，包括種群大小、進(jìn)化次數(shù)、交叉和變異概率、初始種群數(shù)、復(fù)制、交叉、變異方法等；

(4) 隨機(jī)產(chǎn)生規(guī)定量的初始種群；

(5) 計(jì)算出初始種群中所有個(gè)體的適應(yīng)度評(píng)價(jià)值；

(6) 根據(jù)確定的遺傳策略，對(duì)初始種群進(jìn)行復(fù)制、交叉、變異等操作進(jìn)而形成下一代種群；

(7) 判斷進(jìn)化后的群體是否滿足判斷條件，或者已經(jīng)達(dá)到所設(shè)定的進(jìn)化代數(shù)，若滿足則停止進(jìn)化，若不滿足則重新進(jìn)行進(jìn)化并計(jì)算適應(yīng)度評(píng)價(jià)值。

其算法流程如圖1所示。

圖1 遺傳算法流程圖

2 正交多相碼

二相編碼信號(hào)具有理想的相關(guān)特性，但是由于可選擇的序列有限，使得二相編碼信號(hào)形式相對(duì)簡(jiǎn)單，難以滿足雷達(dá)低截獲波形的設(shè)計(jì)要求，構(gòu)造出具有理想相關(guān)特性的多相編碼雷達(dá)信號(hào)，突破了二相編碼的局限性[5-6]。

設(shè)一個(gè)正交多相碼序列中有L個(gè)信號(hào)，其中每個(gè)信號(hào)中包含K個(gè)子脈沖，那么這個(gè)正交多相編碼信號(hào)模型如下：

{fl(x)=a(x)ejφl(k),k=1,2,…,K},l=1,2,…,L

(1)

(2)

式中：τ為子脈沖時(shí)寬；φl(k)(0≤φl(k)≤2π)為第l個(gè)信號(hào)中第k個(gè)子脈沖的相位。

如果信號(hào)采用N相編碼，則子脈沖的編碼相位從下面集合中選取：

φl(k)∈{φ1，φ2，…，φN}=

(3)

對(duì)于一個(gè)編碼信號(hào)個(gè)數(shù)為L(zhǎng)，編碼長(zhǎng)度為K的多相位編碼集合可用K×L相位矩陣來表示：

(4)

L個(gè)多相位編碼信號(hào)的自相關(guān)表達(dá)式如下：

P(φl,m)=

(5)

式中：l=1,2,…,L。

L個(gè)多相位編碼信號(hào)的互相關(guān)表達(dá)式如下：

Q(φa,φb,m)=

(6)

式中：a≠b,a,b=1,2,…,L。

3 波形設(shè)計(jì)

在雷達(dá)的時(shí)寬持續(xù)時(shí)間內(nèi)利用基于遺傳算法優(yōu)化出的正交多相編碼子脈沖進(jìn)行拼接，設(shè)計(jì)出具備低截獲、抗轉(zhuǎn)發(fā)式干擾能力的雷達(dá)發(fā)射波形，其結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。

圖2 波形結(jié)構(gòu)示意圖

波形的具體優(yōu)化方法如圖3所示。

(1) 根據(jù)雷達(dá)的實(shí)際需要確定雷達(dá)信號(hào)的整體參數(shù)、重頻和脈寬；

(2) 確定各子脈沖的數(shù)量和持續(xù)時(shí)間，子脈沖持續(xù)時(shí)間之和為雷達(dá)信號(hào)的時(shí)寬，持續(xù)時(shí)間可選取相同值，也可選取不同值，具體可結(jié)合預(yù)計(jì)的截獲時(shí)間和轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間進(jìn)行確定；

(3) 根據(jù)需要的信號(hào)復(fù)雜度確定多相編碼的相位數(shù)量；

(4) 設(shè)置遺傳算法的初始種群數(shù)量、適應(yīng)度函數(shù)、交叉概率、變異概率、進(jìn)化代數(shù)等參數(shù)；

(5) 利用遺傳算法對(duì)多個(gè)多相位編碼信號(hào)進(jìn)行正交優(yōu)化，優(yōu)化選擇出1組正交多相位編碼序列；

(6) 利用優(yōu)化出的正交多相編碼序列生成相應(yīng)的信號(hào)；

(7) 對(duì)各子脈沖信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)處理和互相關(guān)處理，可進(jìn)行加權(quán)處理，并提取自相關(guān)處理和自相關(guān)處理絕對(duì)峰值、主副比、各子脈沖隔離度等數(shù)據(jù)；

(8) 根據(jù)實(shí)際需要對(duì)生成的信號(hào)是否滿足抗干擾要求進(jìn)行判決，若滿足要求則輸出信號(hào)梳理，若不滿足要求返回第2步重新進(jìn)行優(yōu)化，直至優(yōu)化出所需要的滿足要求的波形并將信號(hào)數(shù)據(jù)輸出。

4 仿真分析

計(jì)算機(jī)Matlab仿真選取5個(gè)等長(zhǎng)子脈沖，采用四相編碼，其相位值為0，π/4, π/2, 3π/4之一，自相關(guān)加權(quán)采用自適應(yīng)低副瓣優(yōu)化權(quán)值。

仿真參數(shù)設(shè)定：信號(hào)帶寬B=3 MHz，信號(hào)時(shí)寬T=50 μs，采樣率fs=4 MHz，信號(hào)波長(zhǎng)為0.03 m，子脈沖數(shù)量為5，子脈沖碼長(zhǎng)等長(zhǎng)L=150，相位數(shù)量為4，交叉概率為0.7，變異概率為0.12，最大進(jìn)化代數(shù)為500，初始種群數(shù)為80。

圖4 遺傳算法適應(yīng)度進(jìn)化曲線

仿真結(jié)果：遺傳算法適應(yīng)度進(jìn)化曲線如圖4所示。利用遺傳算法優(yōu)化出5個(gè)子脈沖的正交四相編碼相位變化如圖5所示。圖6～圖15為利用優(yōu)化出的5組正交四相編碼序列產(chǎn)生的信號(hào)的自相關(guān)結(jié)果和利用自適應(yīng)低副瓣加權(quán)進(jìn)行適配濾波的結(jié)果。

表1給出了5個(gè)子脈沖的自相關(guān)處理和自適應(yīng)加權(quán)后處理后的自相關(guān)峰值、自相關(guān)主副比、失配后的主副比數(shù)據(jù)結(jié)果。表2給出了5個(gè)子脈沖相關(guān)處理后的峰值數(shù)據(jù)結(jié)果。表3給出了5個(gè)子脈沖相關(guān)處理后的主副比數(shù)據(jù)結(jié)果。表4給出了5個(gè)子脈沖的隔離度數(shù)據(jù)結(jié)果。

信號(hào)段1和5、2和5、3和5、4和5互相關(guān)仿真結(jié)果如圖16～圖19所示。

圖5 優(yōu)化的正交四相編碼相位變化

圖6 信號(hào)段1自相關(guān)處理結(jié)果

圖7 信號(hào)段1失配濾波處理結(jié)果

表1 自相關(guān)與失配濾波處理結(jié)果

表2 相關(guān)處理峰值數(shù)據(jù)結(jié)果

圖8 信號(hào)段2自相關(guān)處理結(jié)果

圖9 信號(hào)段2失配濾波處理結(jié)果

圖10 信號(hào)段3自相關(guān)處理結(jié)果

圖11 信號(hào)段3失配濾波處理結(jié)果

圖12 信號(hào)段4自相關(guān)處理結(jié)果

圖13 信號(hào)段4失配濾波處理結(jié)果

圖14 信號(hào)段5自相關(guān)處理結(jié)果

圖15 信號(hào)段5失配濾波處理結(jié)果

圖16 信號(hào)段1和5互相關(guān)結(jié)果

圖17 信號(hào)段2和段5互相關(guān)結(jié)果

圖18 信號(hào)段3和5互相關(guān)結(jié)果

圖19 信號(hào)段4和5互相關(guān)結(jié)果

由以上仿真數(shù)據(jù)結(jié)果可知，采用多子脈沖拼接的雷達(dá)波形，每個(gè)子脈沖自相關(guān)有良好的主副比性能，進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)處理后主副比進(jìn)一步降低。各子脈沖之間隔離度好，互相關(guān)無明顯峰值。

5 結(jié)束語

本文提出了一種有效抗轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的雷達(dá)波形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，利用多相編碼的低截獲優(yōu)勢(shì)，降低雷達(dá)信號(hào)被截獲的概率或增加截獲時(shí)間。利用遺傳算法優(yōu)化出正交性能良好的子波形，電子戰(zhàn)設(shè)備截獲并轉(zhuǎn)發(fā)欺騙式干擾需要一定時(shí)間，雷達(dá)采用分段分時(shí)處理策略，轉(zhuǎn)發(fā)的波形有很大概率與待處理段波形正交，從而使雷達(dá)具備較好的抗轉(zhuǎn)發(fā)式干擾能力。

表3 相關(guān)處理主副比數(shù)據(jù)結(jié)果

表4 信號(hào)段1～5的隔離度