王 旭 董 國 師志榮 蔡興雨 高 劍

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著現(xiàn)代航空、電子技術(shù)的不斷發(fā)展和作戰(zhàn)方式的不斷演化，作為戰(zhàn)場主要探測傳感器的雷達(dá)需要探測的目標(biāo)類型呈現(xiàn)多樣化的趨勢，不僅需要探測傳統(tǒng)飛行器、隱身飛機，還需要探測各種類型導(dǎo)彈等快速小目標(biāo)，以及近年來快速發(fā)展的無人機等慢速小目標(biāo)等。相應(yīng)地，現(xiàn)代雷達(dá)作戰(zhàn)任務(wù)的拓展和作戰(zhàn)角色的豐富，要求地基雷達(dá)系統(tǒng)架設(shè)于不同位置，面對不同的電磁與氣象環(huán)境、以及各種復(fù)雜地形環(huán)境。因此，地基雷達(dá)工作環(huán)境不僅僅會隨著陣地位置不同發(fā)生變化；即使同一位置，雷達(dá)陣地周圍的環(huán)境也隨雷達(dá)探測區(qū)域而改變，即不同方位、距離、俯仰通常存在不同分布、散射強度、雜波譜特性的雜波。因此，具備復(fù)雜環(huán)境下的探測以及對多樣目標(biāo)類型的探測，成為了地基雷達(dá)性能提升的發(fā)展需求。

傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)在面對這兩種需求時存在如下不足：一是弱目標(biāo)探測性能不足；二是雜波抑制性能的環(huán)境適應(yīng)能力弱。造成以上不足的主要原因在于：工作模式與處理方式較固定；目標(biāo)與雜波在現(xiàn)有特征維度上的可區(qū)分度較差。剩余雜波易對弱小目標(biāo)產(chǎn)生遮掩，造成漏警，而雜波虛警導(dǎo)致目標(biāo)跟蹤過程中點跡誤相關(guān)和航跡中斷現(xiàn)象。實際上，不同環(huán)境雜波適用于不同的雜波抑制技術(shù)、信號處理手段。因此針對陣地環(huán)境進行匹配設(shè)計是一種提高復(fù)雜環(huán)境下目標(biāo)探測性能的合理技術(shù)路徑。

2002年美國國防高級計劃局DARPA開展了KASSPER(Knowledge-Aided Sensor Signal Expert Reasoning)項目，將知識輔助技術(shù)成功應(yīng)用到機載空時自適應(yīng)，并提高了探測性能[1]。2006年Simon Haykin教授提出認(rèn)知雷達(dá)的概念：通過對目標(biāo)和環(huán)境的在線感知，實現(xiàn)從接收到發(fā)射的閉環(huán)反饋，在發(fā)射端實時優(yōu)化雷達(dá)工作參數(shù)以達(dá)到目標(biāo)和環(huán)境的最優(yōu)匹配，接收端利用先驗信息獲得更好的雜波干擾抑制以及目標(biāo)檢測性能[2]。2006年，Benavoli A 等人研究了一種環(huán)境知識輔助跟蹤算法，利用環(huán)境地圖等先驗知識對進行雜波分區(qū)，并對不同分區(qū)設(shè)置不同的跟蹤參數(shù)和策略，改善了目標(biāo)跟蹤性能[3]。2009年,Orguner U 等人提出了利用道路信息輔助的跟蹤算法，其通過考慮道路網(wǎng)信息并結(jié)合粒子濾波研究了其在跟蹤地面運動目標(biāo)中的應(yīng)用[4]。西安電子科技大學(xué)的學(xué)者提出了基于雜波預(yù)測的STAP處理，聯(lián)合預(yù)測的雜波和實測回波進行雜波抑制，提高非均勻環(huán)境下的雜波抑制性能[5]。北京航空航天大學(xué)和電子科技大學(xué)等的研究學(xué)者對知識輔助跟蹤展開了研究，仿真結(jié)果表明能夠改善地面運動目標(biāo)的跟蹤性能[6-7]。

因此基于技術(shù)需求及發(fā)展趨勢，陣地適應(yīng)性設(shè)計對提高地面空情雷達(dá)裝備性能是非常必要的手段。本文關(guān)于雷達(dá)陣地優(yōu)化配置，主要針對特定陣地的環(huán)境條件，通過對陣地周圍雜波進行有效感知探測，結(jié)合陣地環(huán)境先驗信息，對環(huán)境信息進行有效提取，以輔助進行雷達(dá)工作參數(shù)、模式等的優(yōu)選配置，降低周圍環(huán)境的影響，為雷達(dá)裝備的高效雜波抑制和目標(biāo)檢測提供支撐。

1 陣地適應(yīng)性技術(shù)概述

地面空情雷達(dá)主要探測的對象為空中目標(biāo)，而周圍環(huán)境相對穩(wěn)定，而陣地適應(yīng)性技術(shù)主要基于陣地周圍環(huán)境信息為雷達(dá)提供的工作參數(shù)設(shè)置，因此主要涉及陣地環(huán)境信息庫建立、基于陣地環(huán)境信息的工作模式或資源配置技術(shù)、基于雷達(dá)陣地信息的精細(xì)化處理、動態(tài)認(rèn)知探測技術(shù)等方面。

1)陣地環(huán)境信息庫建立

地基雷達(dá)周圍環(huán)境信息，包括地形、地貌、道路網(wǎng)等，以及從雷達(dá)回波中提取的雜波特性信息，這些信息在短時間內(nèi)較為固定，獲取這些信息對地基雷達(dá)信號處理、信息處理技術(shù)的選擇，雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化具有至關(guān)重要的作用。

圖1 陣地適應(yīng)性技術(shù)組成

2)基于雷達(dá)陣地信息的精細(xì)化處理

針對地基雷達(dá)環(huán)境信息庫，如何篩選有效信息，針對不同環(huán)境信息或雜波特性，有針對性地選擇有效的雜波抑制、目標(biāo)檢測以及跟蹤算法(MTI/MTD濾波器、恒虛警技術(shù))是精細(xì)化處理的核心，也是提升雜波背景下目標(biāo)檢測與跟蹤性能的關(guān)鍵。

3)基于陣地信息的工作模式或資源配置技術(shù)

針對地基雷達(dá)環(huán)境信息庫，如何篩選有效信息，針對不同環(huán)境信息或雜波特性，有針對性地設(shè)計/選擇信號形式、重頻、方向圖等參數(shù)，合理配置雷達(dá)資源(時間、空間、頻率)，根據(jù)探測區(qū)域環(huán)境的不同而主動進行工作模式調(diào)整，進而實現(xiàn)與環(huán)境最優(yōu)或次優(yōu)匹配，提升雷達(dá)整體性能。

4)地基雷達(dá)認(rèn)知探測技術(shù)

針對雷達(dá)探測區(qū)域中目標(biāo)、環(huán)境以及干擾的動態(tài)信息，結(jié)合雷達(dá)陣地信息，自適應(yīng)地調(diào)整雷達(dá)發(fā)射的資源與接收的處理方式，實現(xiàn)雷達(dá)的認(rèn)知探測。

以上技術(shù)是陣地適應(yīng)性技術(shù)的主要關(guān)鍵技術(shù)，其中認(rèn)知探測技術(shù)是陣地適應(yīng)性的最終狀態(tài)，目前主要處于理論研究階段，因此本文主要就其他技術(shù)開展陣地適應(yīng)性設(shè)計，地基空情雷達(dá)的陣地適應(yīng)設(shè)計原理框圖如圖2所示。

圖2 陣地適應(yīng)性設(shè)計原理框圖

2 環(huán)境感知與環(huán)境信息庫建立

隨著高速計算和大規(guī)模存儲技術(shù)的發(fā)展，使得從先驗信息以及大量實測數(shù)據(jù)中提取更多有用的雷達(dá)陣地信息(如雜波類型、雜波譜特性等)成為可能。如圖3所示，陣地信息呈現(xiàn)向精細(xì)化、大數(shù)據(jù)以及多維度的發(fā)展趨勢。

精細(xì)化：從GIS(Geographic Information System)和DEM(Digital Elevation Model)等先驗信息[8-9]中獲取的關(guān)于陣地周圍的各種地形、地貌類型信息，從實測數(shù)據(jù)中提取的雜波分辨單元內(nèi)的各種雜波特性(雜波譜、雜波強度、甚至雜波類型等)。

大數(shù)據(jù)：在陣地配置階段通過發(fā)射環(huán)境感知信號，可以在一定時間內(nèi)獲取大量關(guān)于陣地周圍環(huán)境的實測數(shù)據(jù)。

多維度：陣地周圍不同類型雜波在俯仰、方位以及距離具有不同分布，在時間維具有不同的相關(guān)性，雜波譜寬也有一定差異，此外通過人工智能手段還可以提取其他特征，比如方差、波形熵等。

圖3 陣地信息的發(fā)展趨勢

地面空情雷達(dá)可采用多種手段對陣地?zé)o源環(huán)境和有源環(huán)境進行感知，并不斷更新環(huán)境信息，為雷達(dá)的陣地自適應(yīng)提供依據(jù)。

2.1 無源環(huán)境感知

無源環(huán)境感知主要是對戰(zhàn)場周圍的雜波環(huán)境進行感知，主要通過先驗信息提取以及主動感知兩種方式獲?。?/p>

1)先驗信息提取，利用地理信息數(shù)據(jù)(包括數(shù)字高程模型、基于地貌信息的GIS數(shù)據(jù)庫)提取有用信息并生成環(huán)境地理信息庫；

2)主動感知，通過發(fā)射感知波形，從回波數(shù)據(jù)中獲取的環(huán)境信息，包括雜波強度信息、雜波譜信息、氣象信息等。

2.1.1 先驗信息提取與環(huán)境地理信息庫

從地理信息數(shù)據(jù)庫中提取有用信息并生成環(huán)境地理信息庫，包括：陣地高程信息、陣地地貌類型信息、遮蔽與可視信息、擦地角信息等。

從各地理信息數(shù)據(jù)庫中提取以雷達(dá)陣地為中心最大量程范圍內(nèi)的各地理信息數(shù)據(jù)，生成環(huán)境地理信息庫。以雷達(dá)站為中心，沿方位角和水平距離將空間劃分成多個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格構(gòu)成一個環(huán)境地理信息存儲單元，其中方位單元大小為Δθ，與雷達(dá)方位維分辨率一致，距離單元大小為Δr，基本與雷達(dá)距離分辨率相當(dāng)。對于第m個方位角、第n個距離對應(yīng)的地理信息存儲單元，其存儲的地理信息內(nèi)容如下

GI(m,n)={υmn,Ψmn,{Tt1,p1;Tt2,p2;Tt3,p3}，fv}

其中{Tt1,p1;Tt2,p2;Tt3,p3}表示將地理信息存儲單元中比例超過一定值的前三種類別進行存儲，對于少于三種的情況，用0補充；Ψmn擦地角；Tti,i=1,2,3地理信息存儲單元內(nèi)的地形類別，具體為{1:山地,2:樹林,3:城市,4:沙漠,5:農(nóng)田,6:水域,7:道路}；pi,i=1,2,3各地形類別的比例；fv遮蔽情況，具體為{0:遮蔽,1:可視}。

根據(jù)不同方向的高程數(shù)據(jù)信息，計算每個方向上的雷達(dá)的遮蔽角，利用全方位雷達(dá)遮蔽高度數(shù)據(jù)和遮蔽角數(shù)據(jù)，可建立不同目標(biāo)高度全方位雷達(dá)可視區(qū)域，為雷達(dá)參數(shù)配置提供支撐。圖4所示為基于某全方位高程數(shù)據(jù)仿真產(chǎn)生的不同高度下雷達(dá)可視區(qū)域圖。

圖4 不同高度下雷達(dá)空域覆蓋

2.1.2 主動感知

通過輻射主動感知信號，從回波中提取周圍環(huán)境的有用信息是一種有效獲取環(huán)境信息的方式。主動感知可從回波數(shù)據(jù)中提取陣地周圍的雜波強度、譜寬等信息。

對于第m個方位角、第n個距離對應(yīng)的雜波信息存儲單元，其存儲的雜波信息內(nèi)容如下：雜波強度、雜波3dB譜寬、雜波中心頻率、雜波分布類型、雜波距離等。

2.2 有源環(huán)境感知

有源環(huán)境感知主要是對戰(zhàn)場周圍的電磁環(huán)境進行感知。通過輔助設(shè)備或雷達(dá)主陣面可獲取陣地周圍輻射源的中心頻率、脈沖重復(fù)周期、脈寬、帶寬、起始時間、終止時間、脈內(nèi)頻域特征、脈間頻域特征、輻射源角度等信息，這些信息用于輔助頻率選擇、干擾類型的識別以及干擾抑制。

3 環(huán)境評估與分析

通過環(huán)境感知獲得了陣地周圍全方位的環(huán)境信息，對雜波環(huán)境進行屬性標(biāo)識，如地雜波、海雜波、地海交界等。由于海洋與陸地通常連片存在，而且地雜波與海雜波具有不同的特性，因此擬將雷達(dá)陣地周圍環(huán)境粗分為地雜波環(huán)境與海雜波環(huán)境。根據(jù)構(gòu)建的地理信息庫中的地貌信息，統(tǒng)計各個區(qū)域中水域與陸地所占比例。通過環(huán)境感知階段獲得的雜波信息，將地雜波環(huán)境細(xì)分為不同等級；將海雜波環(huán)境細(xì)分為不同等級，初始階段設(shè)置嚴(yán)重海情環(huán)境、中等海情環(huán)境和一般海情環(huán)境；將地?；旌檄h(huán)境細(xì)分為不同等級，初步可設(shè)置為復(fù)雜地海環(huán)境與一般地海環(huán)境等。

陣地優(yōu)化配置之前，根據(jù)典型環(huán)境設(shè)置了典型工作模式與參數(shù)。結(jié)合環(huán)境感知、評估結(jié)果，從典型工作模式與參數(shù)中進行選擇，對于無法適配的環(huán)境，再進行資源與參數(shù)的優(yōu)化。

4 資源與參數(shù)配置

由于雷達(dá)陣地周圍不同探測區(qū)域的雜波環(huán)境不盡相同，為了在有限的時間資源下，有效提高雷達(dá)雜波抑制、目標(biāo)探測性能，需要在不同下環(huán)境配置不同的系統(tǒng)資源、不同的處理技術(shù)、參數(shù)。針對區(qū)域環(huán)境信息以及工作階段獲取的動態(tài)信息，雷達(dá)自適應(yīng)選擇最佳的雷達(dá)參數(shù)。可配置的參數(shù)包括雷達(dá)資源配置、雷達(dá)精細(xì)化參數(shù)配置。

4.1 雷達(dá)資源配置

雷達(dá)資源配置主要包括處理方式選擇、頻率選擇、發(fā)射方向圖設(shè)計、波形設(shè)計等；雷達(dá)根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)和典型場景，需要通過環(huán)境分析、目標(biāo)分析、雷達(dá)效能評估等功能，選擇不同的處理方式，實現(xiàn)雷達(dá)的精細(xì)化處理。

4.1.1 發(fā)射方向圖設(shè)計

根據(jù)各環(huán)境分區(qū)的環(huán)境地理信息，對不同環(huán)境分區(qū)選擇或設(shè)計不同的發(fā)射方向圖。根據(jù)環(huán)境感知階段獲得遮蔽信息，在俯仰上可選擇等高、低空、中低空、下視等不同發(fā)射賦形設(shè)計，實現(xiàn)對不同地形的覆蓋。對于方位維存在嚴(yán)重非均勻性的雜波環(huán)境，采用最大化SCNR的準(zhǔn)則設(shè)計方向圖[10-11]。圖5所示為針對不同地形設(shè)計的賦形方向圖，圖6所示針對旁瓣強雜波抑制的方位維發(fā)射方向圖設(shè)計。

圖5 針對不同地形的俯仰賦形方向圖設(shè)計結(jié)果

圖6 針對旁瓣強雜波抑制的方位維發(fā)射方向圖設(shè)計

4.1.2 波形設(shè)計

根據(jù)各環(huán)境分區(qū)的環(huán)境信息，主要包括雜波類型、雜波強度、雜波譜標(biāo)準(zhǔn)偏差、雜波距離等信息，對不同環(huán)境分區(qū)選擇或設(shè)計不同的波形。

由于雜波背景下進行目標(biāo)檢測時，通常采用MTI/MTD進行雜波抑制，因而位于雜波抑制區(qū)或其周期擴展后的頻率范圍內(nèi)的目標(biāo)是無法檢測的，該區(qū)域即為速度盲區(qū)。對于特定的雜波環(huán)境，速度盲區(qū)與積累點數(shù)、重頻、目標(biāo)大小等因素有關(guān)。為了減小速度盲區(qū)，實現(xiàn)速度補盲，需要設(shè)計多組重頻來覆蓋盲區(qū)。

對于地面空情而言，目標(biāo)與雜波類型均具有多樣和復(fù)雜性，為了實現(xiàn)雜波過濾、低速目標(biāo)抑制，以及不同目標(biāo)的分類，需要在搜索時對點跡速度進行預(yù)估，可采用多個脈組參差來獲取目標(biāo)的速度信息。

基于以上需求，在波形設(shè)計時基于各環(huán)境分區(qū)的雜波類型、譜寬、強度和距離等信息，以減小速度盲區(qū)、保證距離覆蓋和最小解速度模糊余量為目標(biāo)，對多組重頻的重頻、脈沖個數(shù)、脈沖寬度進行優(yōu)化，得到與環(huán)境匹配的優(yōu)選波形。

4.1.3 頻率控制

可以在參數(shù)配置界面對特定扇區(qū)寂靜進行控制。當(dāng)使能寂靜控制，雷達(dá)前端停止輻射，反之，輻射。具有自適應(yīng)變頻使能/禁能控制參數(shù)，禁能時，按照終端顯控下發(fā)的頻點工作；使能時，根據(jù)有源環(huán)境感知的結(jié)果，在允許工作的頻點內(nèi)選擇干擾功率最小的頻點，并將選擇的頻點告知終端顯控。

4.2 雷達(dá)精細(xì)化參數(shù)配置

對于每個區(qū)域的接收回波進行精細(xì)化參數(shù)配置，主要包括信號處理、數(shù)據(jù)處理等方面的參數(shù)配置，各部分可配置的參數(shù)較多，具體涉及：接收波束覆蓋范圍、CFAR處理方式、CFAR門限、雜波圖更新系數(shù)、雜波圖門限、MTD濾波器、測角方式選擇、起航準(zhǔn)則、屏蔽區(qū)設(shè)置、跟蹤參數(shù)設(shè)置、跟蹤區(qū)域參數(shù)等。

圖7 精細(xì)化參數(shù)配置示意圖

4.2.1 信號處理參數(shù)

信號處理參數(shù)主要包括DBF系數(shù)、MTD濾波器組參數(shù)、CFAR參數(shù)、雜波圖參數(shù)、測角算法等，雷達(dá)根據(jù)不同區(qū)域環(huán)境屬性和雜波情況動態(tài)選擇不同參數(shù)。

1)MTD濾波器設(shè)計

陣地優(yōu)化配置階段，對各區(qū)域評估其多普勒譜寬，并根據(jù)譜寬和雜波強度選擇一組多普勒系數(shù)，以實現(xiàn)雜波的最佳抑制。

圖8 具有不同凹口寬度和深度的FIR濾波器

2)CFAR參數(shù)

根據(jù)不同方位雜波分布特性，選擇對應(yīng)的CFAR算法，比如瑞利分布選擇CA-CFAR，K分布選擇OS-CFAR。由于各子區(qū)域內(nèi)地貌特性不盡相同，雜波仍然可能具有非均勻性，此外距離分段邊界處的距離單元，雜波起伏較大。因此在進行CFAR時，利用環(huán)境信息對參考單元數(shù)據(jù)進行選擇，選擇與待檢單元具有相似特性的單元進行CFAR。通過統(tǒng)計各區(qū)域的點跡，以實現(xiàn)自適應(yīng)門限調(diào)整設(shè)置功能。

3)雜波圖參數(shù)

根據(jù)積累方式的不同建立精細(xì)化雜波圖：相參積累區(qū)域，建立4維雜波圖(距離、方位、俯仰、多普勒)；非相參積累區(qū)域，建立3維雜波圖(距離、方位、俯仰)。采用雙門限雜波圖，對各雜波圖單元的均值和方差同時進行更新，若當(dāng)前雜波圖單元幅度超過該雜波圖單元均值一定門限時，選擇慢更新系數(shù)；若當(dāng)前雜波圖單元幅度小于該雜波圖單元均值一定門限時，選擇快更新系數(shù)，否則正常更新系數(shù)。

4.2.2 數(shù)據(jù)處理參數(shù)

由于受周圍環(huán)境的影響，地面空情雷達(dá)探測全域范圍內(nèi)呈現(xiàn)不同的區(qū)域檢測結(jié)果，如清潔區(qū)、雜波區(qū)、目標(biāo)密集區(qū)。不同區(qū)域環(huán)境下，雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件通過對探測環(huán)境實時感知，動態(tài)優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法模型與參數(shù)，提高雷達(dá)目標(biāo)航跡濾波、雜波抑制、抗干擾、全域自動錄取等核心能力。

在陣地優(yōu)化配置階段，依據(jù)環(huán)境感知信息，將雷達(dá)探測區(qū)域劃分為雜波區(qū)、清潔區(qū)、重點區(qū)域、機場以及航線；依據(jù)雷達(dá)工作時獲取的點跡、航跡數(shù)據(jù)，劃分目標(biāo)密集區(qū)。對雜波區(qū)、清潔區(qū)以及目標(biāo)密集區(qū)等區(qū)域選擇不同的航跡起始策略、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模型與參數(shù)、航跡維持參數(shù)，有利于實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下目標(biāo)有效檢測與跟蹤，減小虛警點、虛假航跡。

5 結(jié)束語

針對地面空情雷達(dá)在復(fù)雜環(huán)境下存在的雜波抑制與弱目標(biāo)探測能力不足等問題，本文開展了陣地適應(yīng)性設(shè)計研究，對空情雷達(dá)的陣地適應(yīng)性設(shè)計思路進行了論述，主要包括環(huán)境感知與環(huán)境信息庫建立、環(huán)境評估與分析、資源與參數(shù)配置等，為高效雜波抑制和目標(biāo)檢測提供了技術(shù)支撐。