一種基于遺傳算法的自適應雜波環境PRT組優化方法

常 城，曲圣杰

（中國電子科技集團公司第38研究所，安徽 合肥 230088）

在地物、海面、云雨、箔條等雜波環境下，為實現目標的有效探測，現代雷達一般會利用目標與雜波徑向速度的區別，通過引入MTI或MTD濾波器實現雜波的抑制。但是由于雷達發射期間一般不能接收目標回波、雜波改善因子受限等因素，某些處于距離－多普勒速度盲區的目標無法檢測，影響雷達的發現概率。

為減小雷達檢測盲區，文獻[1]研究了常規機載PD雷達的波形設計問題，并采用遺傳算法進行了仿真驗證，文獻[2]在此基礎上提出了全局尋優能力更強的差分進化算法進行優化。文獻[3]針對地面中重頻PD雷達在地雜波條件下利用遺傳算法對脈沖重復周期組進行了優化，文獻[4]發現僅考慮地雜波優化得到的波形參數，當存在雨雜波時，雷達檢測盲區比例急劇上升。

本文針對地面多普勒雷達，分別就地雜波和雨雜波對雷達檢測盲區的影響進行了分析，提出了一種對不同雜波環境下具有較好適應性的脈沖重復周期組優化方法。通過仿真分析，驗證了在不同的雜波環境下自適應優化算法的合理性。

1.雜波與雷達檢測盲區

1.1 地雜波與雷達檢測盲區

針對低重復頻率雷達，目標距離不模糊，設目標雷達斜距為R，雷達方位、俯仰波束寬度分別為azθ、θel，雷達、目標高度分別為hr、ht，雷達主波束增益為G(θ)，副瓣平均增益為SL，雷達帶寬為B，波長為λ，地雜波后向散射系數為gσ，地球等效半徑為er（re=8500km），光速為c，則地雜波總雷達反射截面積（RCS）σc、主波束雜波RCS、副瓣雜波RCS可以分別表示為[5]：

針對中、高重復頻率雷達，由于存在距離模糊，存在雜波折疊，與目標檢測對抗的雜波較低重復頻率雷達要大一個數量級[5]。

地雜波由大量具有隨機幅相的散射體組成，其功率譜函數可以用高斯譜來描述[6]：

圖1(a)給出了某中重復頻率雷達的信雜比仿真結果，圖1(b)給出了地雜波條件下雷達檢測盲區示意圖。由圖1可知，地雜波條件下，雷達檢測盲區由發射盲區（雷達發射期間不能接收目標回波）、雜波距離遮擋盲區（受系統改善因子限制，濾波后目標信雜比不滿足檢測要求）以及雜波速度盲區（目標被同頻雜波遮蔽，無法檢測）三部分組成。

圖1 中重復頻率雷達信雜比及檢測清晰區示意圖

1.2 雨雜波與雷達檢測盲區

針對低重復頻率雷達，雨雜波RCSσc可以表示為[6]：

表1 不同降雨條件下的雨雜波反射系數

雨雜波條件下，雷達檢測盲區同樣由發射盲區、雜波距離遮擋盲區以及雜波速度盲區三部分組成。

2.基于遺傳算法的PRT組優化方法

如圖1（b）所示，單一脈沖重復頻率的雷達檢測盲區較多，無法滿足目標的穩定跟蹤要求。但不同的脈沖重復頻率檢測盲區位置不同，因此可以通過設計M（ 1M>）個脈沖重復頻率，使用檢測準則的方法來減少檢測盲區。

受使用要求限制，雷達掃描周期ST一般為一常數，為方便討論，這里以機掃雷達為例，設第m（m=1，2，…，M）個脈組的相干脈沖數為1mk，填充脈沖數為2mk，脈沖重復周期為mT，雷達每個波位的駐留時間BWT可以表示為：

因此，雜波條件下脈沖重復周期組的優化問題可以概括為：在雷達工作參數（掃描周期ST、距離探測范圍minR～Rmax、徑向速度探測范圍 maxrV± 、虛警概率FP、發射占空比ud、波長λ、帶寬B、地雜波改善因子gI、雨雜波改善因子rI等）和外界環境參數（地雜波后向散射系數為gσ、雨雜波反射系數η、雨雜波平均徑向速度rrV等）一定的情況下，通過優化M、N以及脈沖重復周期為mT（m=1，2，…，M），使得系統總的清晰區CL取得最大值。將雷達距離-徑向速度兩維探測范圍按距離分辨單元和徑向速度分辨單元進行離散，定義搜索向量，即最優搜索向量S應該滿足

遺傳算法作為一種進化算法，其原理是把需要優化的參數編碼成染色體，利用迭代的方式進行選擇、交叉、變異等運算，仿效適者生存的演化法則，最終生成符合優化目標的染色體[7]，如圖2所示。

圖2 遺傳算法流程圖

將搜索向量S=[M,N,T1,T2,…TM],編碼成染色體；初始化一個一定數量的染色體種群，其中每個染色體代表最優化問題的一個解；利用式(8)～(9)對每個染色體計算個體適應度，即系統總的清晰區CL，通過若干次迭代（選擇、交叉、變異）后，得到搜索向量S的工程最優解。

3.仿真分析

以C波段相控陣雷達為例，設雷達高度rh=3m，天線轉速12轉/分鐘，發射占空比ud=5%，波長λ=0.055m，地雜波改善因子gI=60dB，雨雜波改善因子rI=45dB。目標RCSσt=0.01m2，距離范圍3～50km、徑向速度范圍±1000m/s。

在不同的雜波條件下，進行兩組仿真試驗：

仿真條件1：僅考慮存在地雜波的情況下，取地雜波后向散射系數為gσ=-20dB，地雜波速度的標準偏差gvσ=0.32m/s；

仿真條件2：同時考慮地雜波和雨雜波存在，地雜波參數同仿真條件1，取降雨率r=1mm/h，雨雜波速度的標準偏差rvσ=4m/s，雨雜波平均徑向速度rrV=8m/s。

設置遺傳算法種群數量為200個染色體，迭代次數為50次，交叉概率為70%，變異概率為10%，限定脈組M的搜索范圍為3～6組，2NM≤ ≤ ，脈沖重復周期mT（ 1,2,mM= … ）的搜索范圍為100～400us。

仿真分析得到的雷達檢測清晰區如圖3所示，僅考慮地雜波條件時，搜索得到的最優1S=[4，2，468us，488us，400us，380us]，清晰區比例為99.2%（不考慮探測距離范圍外的盲區，后同）；同時考慮地雜波和雨雜波時，搜索得到的最優2S=[5，2，232us，192us，168us，144us，352us]，清晰區比例為98.3%。可以看出，在僅存在地雜波的情況下，選用低重復頻率較好，在同時存在地雜波和雨雜波的情況下，選用中重復頻率較好。

圖3 不同雜波條件下的雷達檢測清晰區

將兩組優化參數應用到不同的雜波環境下，得到的清晰區比例對比如表2所示。可以看出，僅針對地雜波進行優化的參數1S在應用到有雨雜波的條件下時，清晰區比例大幅下降，不能滿足系統使用要求，而同時考慮地雜波和雨雜波優化的參數可以大幅提升在兩種雜波同時存在時的雷達清晰區。

表2 兩組優化參數清晰區比例對比

4.結語

由于發射區間、雜波改善因子受限等因素，某些處于距離-多普勒速度盲區的目標無法檢測，影響雷達的發現概率。本文針對地面多普勒雷達，分別就地雜波和雨雜波雷達檢測盲區的影響以及不同雜波環境下脈沖重復周期組的優化方法進行了仿真分析，仿真結果表明：相對于僅考慮地雜波的情況，同時考慮地雜波和雨雜波得到的脈組參數可以大幅提升在兩種雜波同時存在時的雷達清晰區。