祝 歡，孫 俊，楊予昊，王 寧，陳 翼

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司智能感知技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210039；2.南京電子技術(shù)研究所， 南京 210039)

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基于環(huán)境感知的認(rèn)知雷達(dá)抗干擾技術(shù)

祝 歡1，2，孫 俊1，2，楊予昊1，2，王 寧1，2，陳 翼1，2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司智能感知技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210039；2.南京電子技術(shù)研究所， 南京 210039)

隨著電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，傳統(tǒng)雷達(dá)固定的工作模式無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境的影響。認(rèn)知雷達(dá)的感知環(huán)境并反饋到發(fā)射，聯(lián)合優(yōu)化發(fā)射和接收的能力使得其在復(fù)雜電磁環(huán)境中的生存能力更強(qiáng)。文中首先介紹了認(rèn)知雷達(dá)概念的出現(xiàn)和認(rèn)知雷達(dá)理論發(fā)展的歷程，并分析了認(rèn)知雷達(dá)在復(fù)雜電磁環(huán)境中探測(cè)目標(biāo)的潛在能力。然后介紹了基于環(huán)境感知的認(rèn)知雷達(dá)抗干擾原理，并通過(guò)仿真分析了認(rèn)知波形優(yōu)化、認(rèn)知頻譜管理和認(rèn)知發(fā)射方向圖置零技術(shù)在對(duì)抗復(fù)雜電磁干擾的有效性，為未來(lái)雷達(dá)的抗干擾設(shè)計(jì)提供了一個(gè)方向。

認(rèn)知雷達(dá)；環(huán)境感知；波形優(yōu)化；頻譜管理；發(fā)射置零

0 引 言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，雷達(dá)具有極其重要的戰(zhàn)略地位，但是日益復(fù)雜的電子干擾環(huán)境嚴(yán)重威脅著雷達(dá)系統(tǒng)的生存及其效能的正常發(fā)揮，因此雷達(dá)抗干擾的能力的提升顯得愈發(fā)重要。而在現(xiàn)實(shí)中，人為的和自然的、敵方和我方的、對(duì)抗和非對(duì)抗的各種電磁信號(hào)充斥于整個(gè)作戰(zhàn)空間，綜合形成了一個(gè)信號(hào)密集、種類(lèi)繁多、對(duì)抗激烈、動(dòng)態(tài)多變的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境，并且愈來(lái)愈呈現(xiàn)出復(fù)雜性的特點(diǎn)，使得雷達(dá)面臨嚴(yán)重的干擾影響。

作為一種傳感器，雷達(dá)是通過(guò)與環(huán)境、目標(biāo)相互作用來(lái)獲取信息的。在復(fù)雜的背景下，固定的工作模式和不變的發(fā)射波形很難取得滿(mǎn)意的性能，這是傳統(tǒng)雷達(dá)的不足，也是雷達(dá)進(jìn)一步發(fā)展所必須解決的問(wèn)題。

在整體能量、時(shí)間、頻譜等資源有限的情況下，如何根據(jù)目標(biāo)、環(huán)境變化合理分配和有效利用這些資源是下一代雷達(dá)發(fā)展必須面對(duì)的挑戰(zhàn)。認(rèn)知雷達(dá)可以根據(jù)目標(biāo)和外部環(huán)境特性智能地選擇發(fā)射信號(hào)和工作方式以及進(jìn)行資源最優(yōu)分配，被認(rèn)為是未來(lái)雷達(dá)發(fā)展的重要方向之一[1]。

1 認(rèn)知雷達(dá)的發(fā)展

受蝙蝠回聲定位系統(tǒng)的啟發(fā)， S. Haykin[2]在2006年首次提出了認(rèn)知雷達(dá)概念，并描述了認(rèn)知雷達(dá)從發(fā)射到接收閉環(huán)的架構(gòu)流程：

圖1 S.Haykin的認(rèn)知雷達(dá)閉環(huán)架構(gòu)流程圖

基于環(huán)境的感知、發(fā)射和接收的自適應(yīng)以及知識(shí)輔助處理，J. R. Guerci[3]提出了如下的認(rèn)知雷達(dá)架構(gòu)：

圖2 含有環(huán)境動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)并具備自適應(yīng)發(fā)射特性的認(rèn)知雷達(dá)框圖

該認(rèn)知雷達(dá)架構(gòu)有以下特征：

(1)實(shí)現(xiàn)了“發(fā)射機(jī)-天線發(fā)射-空間(信道)-天線接收-接收機(jī)-KA協(xié)處理-發(fā)射機(jī)”的自適應(yīng)閉環(huán)。這種反饋也是圖Haykin關(guān)于認(rèn)知雷達(dá)架構(gòu)的必要組成部分。

(2)包含了環(huán)境和感興趣目標(biāo)信息的環(huán)境動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)(EDDB)。這些信息由來(lái)自機(jī)內(nèi)的信息源-傳感器的觀測(cè)記錄，也有來(lái)自機(jī)外的信息源-包括SAR、地理信息、編隊(duì)信息等。EDDB中的信息不斷動(dòng)態(tài)更新的。

(3)自適應(yīng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的知識(shí)輔助處理。

J.R.Guerci等人[4]在以上理論的基礎(chǔ)上，又進(jìn)一步將認(rèn)知雷達(dá)的概念發(fā)展為認(rèn)知全自適應(yīng)雷達(dá)(COFAR)。該系統(tǒng)具有全自適應(yīng)發(fā)射，接收、實(shí)時(shí)通道估計(jì)和控制調(diào)度功能。其架構(gòu)組成如圖3所示。

認(rèn)知雷達(dá)的上述架構(gòu)為復(fù)雜電磁環(huán)境中的目標(biāo)探測(cè)問(wèn)題的解決提供了可能性。 從認(rèn)知雷達(dá)架構(gòu)研究中的自適應(yīng)發(fā)射和接收發(fā)展到全自適應(yīng)發(fā)射和接收，環(huán)境動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)展到實(shí)時(shí)通道估計(jì)器，對(duì)環(huán)境的感知和對(duì)發(fā)射的反饋以及自適應(yīng)調(diào)整都成為認(rèn)知雷達(dá)區(qū)別于傳統(tǒng)雷達(dá)最核心的標(biāo)志。認(rèn)知雷達(dá)通過(guò)MIMO陣列進(jìn)行環(huán)境的實(shí)時(shí)估計(jì)，為自適應(yīng)發(fā)射和接收處理提供了依據(jù)。

需要說(shuō)明的是，COFAR是雷達(dá)未來(lái)的發(fā)展方向，目前尚處于概念和理論研究階段，需要探索和解決的問(wèn)題很多，距離全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)尚有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走。不過(guò)并不妨礙將階段性成果在裝備中先行應(yīng)用，為最終真正實(shí)現(xiàn)COFAR架構(gòu)打下基礎(chǔ)[5]。

圖3 認(rèn)知全自適應(yīng)雷達(dá)架構(gòu)圖

2 電磁環(huán)境感知技術(shù)

電磁環(huán)境的感知，主要包括對(duì)干擾源方向和載波頻率信息的獲取。波達(dá)方向的估計(jì)方法有很多種，既有傳統(tǒng)的單脈沖比相測(cè)角、單脈沖比幅測(cè)角，也有分辨率更高的MUSIC(多重信號(hào)分類(lèi))算法。而載波頻率的獲取可以通過(guò)現(xiàn)代測(cè)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)。主要包括頻率取樣法和變換法等。

2.1 測(cè)向

利用陣列信號(hào)處理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)同一個(gè)波束寬度內(nèi)的多個(gè)信號(hào)源的DOA估計(jì)，MUSIC就是實(shí)現(xiàn)角度超分辨的經(jīng)典方法。MUSIC基本原理是：首先根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)估計(jì)得到X(t)的協(xié)方差矩陣R，再對(duì)R進(jìn)行特征分解，構(gòu)造信號(hào)子空間和噪聲子空間，將導(dǎo)向矢量與噪聲子空間之間的投影距離定義為MUSIC譜，通過(guò)在角度域上進(jìn)行搜索，譜峰對(duì)應(yīng)信源方向。MUSIC算法具有分辨率高、性能穩(wěn)定及精度高等特點(diǎn)，對(duì)小于陣元數(shù)的信源良好的DOA估計(jì)性能，得到了廣泛的應(yīng)用。

利用MUSIC方法進(jìn)行仿真，仿真條件為接收陣列為32陣元的等距線陣，陣元間距為半波長(zhǎng)，干擾源個(gè)數(shù)為4， 角度設(shè)置分為全部來(lái)自副瓣和全部來(lái)自主瓣兩種情況，第一種情況角度分別為(-46°，-28°，32°，57°)，干噪比JNR為10 dB；第二種情況角度分別為(-3°，-1°，1°，3°)，干噪比20 dB。

圖4 MUSIC算法對(duì)副瓣干擾的方向估計(jì)

圖5 MUSIC算法對(duì)主瓣干擾的方向估計(jì)

比較了MUSIC、CAPON、DBF三種角度分辨方法對(duì)副瓣干擾和主瓣密集干擾分辨性能，見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 三種算法對(duì)副瓣干擾的方向估計(jì)

圖7 三種算法對(duì)主瓣干擾的方向估計(jì)

從上圖可以看到，相比傳統(tǒng)波束形成和Capon方法，利用MUSIC方法可以得到的干擾源DOA估計(jì)更加可信，干擾源的數(shù)目和方向都能準(zhǔn)確得到，窄帶相控陣?yán)走_(dá)的測(cè)頻測(cè)向可用該方式進(jìn)行。

2.2 測(cè)頻

對(duì)于寬帶信源和寬帶陣列，有兩種測(cè)頻方法：一是基于窄帶系統(tǒng)，頻率依次搜索，實(shí)現(xiàn)全頻段電磁環(huán)境感知；二是基于寬帶系統(tǒng)，采用寬帶信道化接收機(jī)實(shí)現(xiàn)頻域子帶化，對(duì)每個(gè)子帶進(jìn)行高分辨測(cè)向。前者原理簡(jiǎn)單、系統(tǒng)復(fù)雜度不高，但需要耗費(fèi)較多的時(shí)間資源；后者可快速完成全頻段測(cè)頻，但寬帶系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜得多。

信道化接收機(jī)利用頻率分路器將待測(cè)頻段進(jìn)行分路，路數(shù)越多，則分成的頻段越窄，頻率分辨力和測(cè)頻精度越高。早期的信道化接收機(jī)都采用模擬方法，基本原理是利用波段分路器將系統(tǒng)的頻率覆蓋范圍分成多路，從各個(gè)波段分路器輸出的信號(hào)分別經(jīng)過(guò)多組變頻器和中放，將信號(hào)變?yōu)閹捿^窄的基帶信號(hào)，再利用基帶濾波檢波陣列進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)的濾波。最終經(jīng)過(guò)信道綜合頻率測(cè)量處理機(jī)，進(jìn)行門(mén)限檢測(cè)、邏輯判決等，輸出信號(hào)頻率的測(cè)量結(jié)果，通過(guò)編碼器編出信號(hào)頻率的分波段碼字。在實(shí)際應(yīng)用中，由于頻率分路器的路數(shù)不能任意增多，并且微波領(lǐng)域無(wú)法獲得頻帶極窄的信道。但是隨著超高速大規(guī)模集成電路的發(fā)展，可以利用數(shù)字式接收機(jī)實(shí)現(xiàn)高性能的測(cè)頻接收機(jī)。

通過(guò)對(duì)射頻信號(hào)的直接或間接采樣，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，然后充分利用數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)點(diǎn)，盡可能多地提取信號(hào)的信息。如利用FFT算法組成的數(shù)字快速傅里葉變換處理機(jī)，不僅能解決截獲概率和頻率分辨力之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)對(duì)同時(shí)到達(dá)信號(hào)的濾波，而且測(cè)頻精度高。

圖8 基于多相濾波結(jié)構(gòu)的數(shù)字信道化接收機(jī)原理框

3 認(rèn)知抗干擾技術(shù)

3.1 認(rèn)知波形優(yōu)化技術(shù)

通過(guò)環(huán)境感知,可以獲得干擾在頻譜上的分布。然后根據(jù)干擾分布，優(yōu)化發(fā)射波形，對(duì)干擾進(jìn)行反匹配，可以達(dá)到抑制干擾的效果。下圖仿真了多徑干擾及最優(yōu)的發(fā)射波形，從圖中可以看出，最優(yōu)發(fā)射波形與干擾分布反匹配，抗干擾性能優(yōu)于線性調(diào)頻(LFM)。

圖9 認(rèn)知波形設(shè)計(jì)

3.2 認(rèn)知頻譜管理技術(shù)

微波頻段受到民用無(wú)線電的影響，變得十分擁擠。特別是無(wú)意通信干擾，調(diào)制類(lèi)型復(fù)雜多樣，且功率較強(qiáng)，對(duì)雷達(dá)的影響較大。大部分通信信號(hào)帶寬較窄，可以通過(guò)感知通道感知干擾的頻譜分布，在頻譜上干擾較小的區(qū)域優(yōu)選頻點(diǎn)和帶寬，如10圖所示。

圖10 選頻選帶寬

3.3 認(rèn)知發(fā)射方向圖置零技術(shù)

在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，面臨的干擾源多時(shí)，由于接收段自由度有限，常規(guī)處理性能會(huì)急劇下降。由于接收端的空域自由度是有限的，當(dāng)干擾源較多或雜波自由度過(guò)高時(shí)，STAP處理性能將大幅降低。常規(guī)雷達(dá)是在接收端的處理，對(duì)發(fā)射端的利用極其有限。如果能將發(fā)射端的自由度加以利用，則能抑制的干擾源個(gè)數(shù)將會(huì)增加，處理性能會(huì)大幅提升。通過(guò)感知通道感知到干擾的強(qiáng)度和角度信息，然后采用發(fā)射方向圖置零的方法將干擾抑制。具體的流程如圖11所示。

圖11 基于感知信息的發(fā)射方向圖置零算法流程

設(shè)發(fā)射陣列為16陣元均勻線陣，陣元間距為半波長(zhǎng)；在-35°、10°、和25°分別形成發(fā)射方向圖零點(diǎn)。對(duì)比靜態(tài)和最優(yōu)的發(fā)射方向如圖12所示。

圖12 發(fā)射方向圖置零仿真

4 結(jié) 語(yǔ)

雷達(dá)面臨的電磁環(huán)境日漸嚴(yán)峻，干擾的形式也更加復(fù)雜。認(rèn)知雷達(dá)能夠感知外界環(huán)境，自適應(yīng)優(yōu)選頻點(diǎn)和帶寬、調(diào)整發(fā)射波形和發(fā)射方向圖，具備比常規(guī)雷達(dá)更強(qiáng)的抗干擾能力的能力，為未來(lái)雷達(dá)的反干擾提供了新的方向[8]。

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Interference Suppression in Cognitive Radar Based on Environment Perception

ZHU Huan1，2，SUN Jun1，2，YANG Yu-hao1，2，WANG Ning1，2，CHEN Yi1，2

(1.Key Laboratory of IntelliSense Technology，CETC， Nanjing 210039，China；2.Nanjing Research Institute of Electronics Technology， Nanjing 210039，China)

With the increasing complexity of electromagnetic environment, the traditional radar with the fixed mode is unable to adapt to the effects of complex electromagnetic environment. The abilities to perceive the environment, to feed back to transmitter, and to optimize the transmitter and receiver jointly increase the survival ability of cognitive radar in the complex electromagnetic environment. This paper firstly introduces the emergence and development of the concept of cognitive radar and the history of cognitive radar, and analyzes the potential of cognitive radar detecting targets in complex electromagnetic environment, and then introduces the anti-jamming principle of cognitive radar based on environment perception. The cognitive waveform optimization, cognitive spectrum management and cognitive transmit nulling techniques are analyzed through simulations. These techniques are proved to be effective against the complex electromagnetic interference, which provide a direction for the future design of radar anti-jamming.

cognitive radar；environment perception；waveform optimization；spectrum management；transmit nulling

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.06.003

2016-08-20

2016-09-15

祝 歡(1983—)，男，河南人，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾麦w制雷達(dá)技術(shù), 雷達(dá)信號(hào)處理；

E-mail：zhuhuan_nriet@163.com

孫 俊(1974—)，男，四川人，博士，研究員，主要研究方向?yàn)樾麦w制雷達(dá)技術(shù)，雷達(dá)信號(hào)處理；

楊予昊(1983—)，男，江蘇人，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾麦w制雷達(dá)技術(shù)，雷達(dá)信號(hào)處理；

王 寧(1986—)，男，山東人，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)抗干擾技術(shù)；

陳 翼(1984—)，男，江蘇人，博士，工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)抗干擾技術(shù)。

TN973.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1673-5692(2016)06-577-05