房明星,王杰貴,楊永晶
(電子工程學(xué)院,安徽 合肥 230037)
如何評價(jià)雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)在干擾環(huán)境下的檢測性能是雷達(dá)電子戰(zhàn)研究的熱點(diǎn)問題之一。當(dāng)前,不少學(xué)者都對干擾情況下組網(wǎng)雷達(dá)檢測性能進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]建立了壓制干擾條件下雷達(dá)組網(wǎng)檢測概率模型。文獻(xiàn)[2]研究了多假目標(biāo)干擾對雷達(dá)檢測性能的影響。文獻(xiàn)[3]基于分布式檢測完整推導(dǎo)了組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)檢測概率的數(shù)學(xué)模型。它們研究的側(cè)重點(diǎn)雖不同,但均沒有對分布式多假目標(biāo)干擾下組網(wǎng)雷達(dá)的檢測性能進(jìn)行研究。因此,本文首先從分布式多假目標(biāo)對組網(wǎng)雷達(dá)干擾出發(fā),進(jìn)而研究了多假目標(biāo)干擾對雷達(dá)網(wǎng)恒虛警率(constant false alarm rate,CFAR)處理的影響,最后根據(jù)Albersheim 的經(jīng)驗(yàn)公式[4-5]建立了一個(gè)適用于非起伏目標(biāo)的雷達(dá)網(wǎng)檢測概率計(jì)算模型,并提出了一種衡量雷達(dá)網(wǎng)綜合檢測性能的評估指標(biāo),最后對模型進(jìn)行了仿真,并給出了相應(yīng)的結(jié)果分析。
分布式干擾是指將多部小型干擾機(jī)分布在特定的空域、地域上,這些干擾機(jī)通過控制中心統(tǒng)一協(xié)調(diào),相互之間有機(jī)配合,從而對雷達(dá)或者組網(wǎng)雷達(dá)實(shí)現(xiàn)一種“面對面”的干擾,多部干擾機(jī)組成了能力更強(qiáng)的干擾體系,這種干擾方法具有分布面廣,干擾距離近的特點(diǎn)。
分布式小型干擾機(jī)主要采用多假目標(biāo)干擾及靈巧噪聲干擾。因而分布式多假目標(biāo)干擾就是在對雷達(dá)進(jìn)行分布式干擾時(shí)所采取的假目標(biāo)干擾。
本文針對LFM(linear frequency modulation)脈沖雷達(dá),利用數(shù)字射頻存儲技術(shù)(digital radio frequency memory,DRFM)來產(chǎn)生多假目標(biāo)干擾信號。DRFM技術(shù)是目前已知能實(shí)現(xiàn)脈內(nèi)信號相干調(diào)制、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)的有效手段,DRFM產(chǎn)生的干擾信號可視為是截獲雷達(dá)信號的相干復(fù)制品,能夠?qū)走_(dá)實(shí)現(xiàn)相干干擾,可以達(dá)到降低干擾所需功率、增強(qiáng)干擾效果的目的。利用DRFM產(chǎn)生假目標(biāo)干擾信號主要是對接收到的雷達(dá)信號進(jìn)行距離時(shí)延和多普勒移頻。
(1) 假目標(biāo)距離時(shí)延量
假設(shè)雷達(dá)發(fā)射信號的脈沖重復(fù)周期為Tr,雷達(dá)與干擾機(jī)的距離為R0,假目標(biāo)與雷達(dá)距離為Rf,τ為雷達(dá)脈沖到干擾機(jī)的時(shí)延,Δτ為干擾機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)雷達(dá)信號的時(shí)延,則假目標(biāo)的距離時(shí)延有如下關(guān)系:
(1)
當(dāng)Rf>R0時(shí),產(chǎn)生置后假目標(biāo);Rf (2) 多普勒頻移量 fre=f0+fd, (2) 式中:f0為雷達(dá)發(fā)射的信號頻率。 則干擾機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的信號頻率為 (3) 在確定了假目標(biāo)的距離延遲量和多普勒頻移量之后,干擾機(jī)就可以利用DRFM技術(shù)對接收到的雷達(dá)信號進(jìn)行采樣、調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā),從而產(chǎn)生多假目標(biāo)干擾信號。 組網(wǎng)雷達(dá)的分布式多假目標(biāo)干擾就是對雷達(dá)網(wǎng)中的每部雷達(dá)都進(jìn)行分布式多假目標(biāo)干擾,即根據(jù)分布式多假目標(biāo)干擾原理和多假目標(biāo)產(chǎn)生方法對雷達(dá)網(wǎng)中每部雷達(dá)都進(jìn)行分布式多假目標(biāo)干擾。對組網(wǎng)雷達(dá)進(jìn)行分布式多假目標(biāo)干擾時(shí),多假目標(biāo)干擾將會降低組網(wǎng)雷達(dá)的CFAR處理系統(tǒng)性能,并且造成數(shù)據(jù)融合中點(diǎn)跡-點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)和點(diǎn)跡-航跡關(guān)聯(lián)的錯(cuò)誤率,從而降低了組網(wǎng)雷達(dá)的檢測性能。 為了分析多假目標(biāo)干擾對組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)檢測性能的影響,本文從多假目標(biāo)干擾對單部雷達(dá)CFAR處理的影響出發(fā),從而間接說明分布式多假目標(biāo)干擾對組網(wǎng)雷達(dá)CFAR處理的影響。對目標(biāo)的自動檢測的CFAR方法最主要的是均值類(mean level,ML)方法和有序統(tǒng)計(jì)類(order statistics,OS)方法[6]。ML類單脈沖CFAR檢測器結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1 ML類單脈沖CFAR檢測器結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Single pulse CFAR block diagram of ML class detector 多假目標(biāo)干擾是在真目標(biāo)前后形成一系列假目標(biāo),這些假目標(biāo)恰好落在相鄰目標(biāo)或假目標(biāo)的CFAR參考單元里,抬高了檢測門限,使雷達(dá)不能檢測到該方向上干擾區(qū)域內(nèi)的任何目標(biāo),從而使得真實(shí)目標(biāo)的檢測概率降低。 文獻(xiàn) [7-8]針對多假目標(biāo)干擾對單部雷達(dá)CFAR處理的影響進(jìn)行了詳細(xì)的理論推導(dǎo)和分析,本文通過多假目標(biāo)干擾對單部雷達(dá)CFAR處理的影響,間接說明多假目標(biāo)干擾對雷達(dá)網(wǎng)檢測性能的影響,具體的理論推導(dǎo)和分析不再贅述,下文將給出仿真分析。 多假目標(biāo)干擾會影響CFAR處理的性能,使其對真實(shí)目標(biāo)的檢測概率降低,而組網(wǎng)雷達(dá)的檢測概率是反映組網(wǎng)雷達(dá)檢測性能的評估指標(biāo)。本文將根據(jù)Alberhseim[9-10]經(jīng)驗(yàn)公式建立分布式多假目標(biāo)干擾下組網(wǎng)雷達(dá)檢測概率計(jì)算模型。通過此模型可以求出分布式多假目標(biāo)干擾下組網(wǎng)相控陣?yán)走_(dá)對空間任意位置目標(biāo)的檢測概率,分析分布式假目標(biāo)干擾對組網(wǎng)雷達(dá)檢測概率的影響。 關(guān)于雷達(dá)檢測概率Pd,虛警概率Pfa和SNRm三者之間的關(guān)系,Alberhseim建立了一個(gè)適用于非起伏目標(biāo)的雷達(dá)檢測概模型[4-5],并將脈沖積累個(gè)數(shù)作為一個(gè)參數(shù)集成到模型中??杀硎緸?/p> lg(A+0.12AB+1.7B), (4) 雷達(dá)專家M.I.Skolnik指出:式(4)在m∈[1,8 096],Pd∈[0.1,0.9],Pfa∈[10-7,10-3]范圍內(nèi)的誤差不大于0.2 dB。式(4)適用于非起伏目標(biāo),對于起伏目標(biāo)而言,可通過查表得到目標(biāo)起伏損耗Lf后加以修正。 在無干擾情況下,當(dāng)積累m個(gè)脈沖時(shí),雷達(dá)的最大探測距離為 (5) 式中:SNRm為積累m個(gè)脈沖時(shí)檢測目標(biāo)所需信噪比;Pt為雷達(dá)的發(fā)射功率;Gt為雷達(dá)發(fā)射天線增益;Gr為接收天線增益;λ為工作波長;D為脈沖壓縮雷達(dá)的壓縮系數(shù);σ為目標(biāo)有效反射截面積;Ls為雷達(dá)系統(tǒng)損耗;Lf為目標(biāo)起伏損耗。N0=kT0BFn,其中,k為玻爾茲曼常數(shù),T0一般取290 K,B為接收機(jī)噪聲帶寬,F(xiàn)n為接收機(jī)噪聲系數(shù)。 可將式(5)簡寫為 (6) 式中:Kc為一個(gè)除σ和Rmax之外的所有參數(shù)的整合因子。 雷達(dá)的最大作用距離Rmax通常為公開的參數(shù),可定義為虛警概率為10-6,檢測概率為0.5時(shí)對RCS為1 m2目標(biāo)的探測距離。在已知Rmax的情況下,可以根據(jù)式(4)和式(5)可求得整合因子Kc值??傻?/p> (7) 根據(jù)式(7)和式(4)可求得雷達(dá)對在任意距離處目標(biāo)的檢測概率為 (8) 根據(jù)無干擾時(shí)單部雷達(dá)檢測概率公式,下面推導(dǎo)受分布式假目標(biāo)干擾時(shí)單部雷達(dá)的檢測概率公式。對單部雷達(dá)的分布式假目標(biāo)干擾如圖2所示。 圖2 對單部雷達(dá)的分布式協(xié)同干擾示意圖Fig.2 Distributed collaborative jamming against single radar 設(shè)Pji為第i(i=1,2,…,n)部干擾機(jī)的干擾功率,Rji是第i部干擾機(jī)距雷達(dá)的距離,各部干擾機(jī)均對準(zhǔn)雷達(dá)方向,Gji為第i部干擾機(jī)天線發(fā)射增益,雷達(dá)接收到第i部干擾機(jī)發(fā)射的干擾信號功率為 (9) 設(shè)干擾信號功率遠(yuǎn)大于雷達(dá)接收機(jī)內(nèi)部噪聲,n部干擾機(jī)對雷達(dá)進(jìn)行分布式干擾,則受假目標(biāo)時(shí)雷達(dá)接收到目標(biāo)回波功率與干擾信號功率之比,即信干比可表示為 (10) 式中:γji為第i部干擾機(jī)干擾極化系數(shù);Lji為第i部干擾機(jī)的綜合損耗因子;Laj為信號傳播過程中的損耗因子;Gr(θi)為雷達(dá)天線在第i部干擾機(jī)方向上的增益,具體計(jì)算見文獻(xiàn)[11-12];Br為雷達(dá)接收機(jī)的等效帶寬;Bji為第i部干擾機(jī)發(fā)射的干擾信號帶寬。 根據(jù)Alberhseim經(jīng)驗(yàn)公式和式(10),可以求得在假目標(biāo)條件下雷達(dá)在任意距離處的檢測概率可表示為 (11) 式中:I滿足如下關(guān)系: (12) 將不同目標(biāo)距離R處所得SJR代入式(12),便可求出I,最后代入式(11)中便可求得分布式假目標(biāo)干擾下單部雷達(dá)在任意點(diǎn)的檢測概率Pjd。 為了衡量組網(wǎng)雷達(dá)在分布式假目標(biāo)干擾前后的檢測性能,將探測區(qū)域劃分為長Δx,寬Δy,高Δz的一個(gè)個(gè)小單元,每個(gè)小單元的檢測概率用其中心點(diǎn)的檢測概率表示。那么所有的檢測概率可以存儲為一個(gè)大小為Lx×Ly×Lh的矩陣P。 假設(shè)組網(wǎng)雷達(dá)由N部雷達(dá)組成,對于目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)采取秩K融合規(guī)則,即當(dāng)組網(wǎng)雷達(dá)內(nèi)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的雷達(dá)數(shù)超過檢測門限K時(shí),即判斷為發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。 當(dāng)K=1時(shí),秩K法則就是“or”法則,每個(gè)小單元的檢測概率可表示為 (13) 當(dāng)K=N時(shí),秩K法則就是“and”法則,每個(gè)小單元的檢測概率可表示為 (14) 式中:Pdn為第n部雷達(dá)在(x,y,z)處的檢測概率。 當(dāng)1 (15) 由上文可知,組網(wǎng)雷達(dá)在某單元區(qū)域的檢測概率大于一定值時(shí),表明組網(wǎng)雷達(dá)在此位置可探測到目標(biāo)。這些滿足條件的單元區(qū)域之和構(gòu)成了雷達(dá)網(wǎng)的可探測區(qū)域。記干擾前雷達(dá)網(wǎng)的可探測區(qū)域面積為SAnet,受干擾時(shí)可探測區(qū)域面積為SBnet。干擾壓制比J定義 (16) 干擾壓制比J直接反映了組網(wǎng)雷達(dá)受干擾前后探測區(qū)的變化范圍,J越大壓制干擾效果越好,可以作為壓制干擾效果評估指標(biāo)。 實(shí)驗(yàn)1:干擾暴露區(qū)對比 本文主要對分布式多假目標(biāo)干擾下組網(wǎng)雷達(dá)檢測性能進(jìn)行研究,為了說明分布式干擾相對于傳統(tǒng)單一大功率的優(yōu)勢,首先給出分布式多假目標(biāo)干擾和單一大功率假目標(biāo)干擾下的雷達(dá)暴露區(qū)。設(shè)一部大功率干擾機(jī)距雷達(dá)70 km,干擾機(jī)功率為1 000 W;而分布式多對一假目標(biāo)干擾中共有20個(gè)干擾單元,隨機(jī)分布在距雷達(dá)20 km,中心角度為π/3的扇形區(qū)域內(nèi),每個(gè)干擾單元的干擾功率為50 W,在2種干擾方式下的雷達(dá)暴露區(qū)示意圖如圖3所示(圖中虛線表示無干擾時(shí)雷達(dá)最大可探測范圍)。 圖3 受假目標(biāo)干擾時(shí)雷達(dá)暴露區(qū)示意圖Fig.3 Radar exposition range on multi-false target jamming 由圖3可知,與大功率單一干擾相比,雖然分布式假目標(biāo)干擾單元功率較低,但由于干擾機(jī)可以置于離雷達(dá)更近的位置,其干擾效果較好,雷達(dá)的暴露區(qū)面積明顯較小,雷達(dá)探測距離較小,且有效干擾扇面明顯較大,從而說明分布式多假目標(biāo)干擾是更加有效的干擾方式。 實(shí)驗(yàn)2:假目標(biāo)干擾對雷達(dá)CFAR檢測性能 實(shí)驗(yàn)1從雷達(dá)暴露區(qū)變化驗(yàn)證了分布式多假目標(biāo)干擾具有更好的干擾效果。若對雷達(dá)網(wǎng)中每部雷達(dá)都進(jìn)行分布式多假目標(biāo)干擾,干擾不僅會影響雷達(dá)網(wǎng)的暴露區(qū),而且會對網(wǎng)中雷達(dá)的CFAR處理產(chǎn)生影響。選取ML(meal level)中的CA(cell averaging)方法進(jìn)行仿真,圖4為分布式假目標(biāo)干擾對單部雷達(dá)的CFAR檢測性能影響。圖中“NUM”表示在參考單元內(nèi)假目標(biāo)的數(shù)量。 圖4 CA-CFAR檢測性能Fig.4 CA-CFAR detection performance 由圖4可以看出,在多假目標(biāo)干擾存在情況下,相控陣?yán)走_(dá)CFAR檢測性能受到了影響,且假目標(biāo)數(shù)目越多,檢測性能下降越嚴(yán)重,當(dāng)假目標(biāo)數(shù)目大于8時(shí),檢測概率小于0.1。 若對雷達(dá)網(wǎng)中每部雷達(dá)都進(jìn)行多假目標(biāo)干擾,則同樣會使雷達(dá)網(wǎng)的CFAR檢測性能下降。 實(shí)驗(yàn)3:分布式假目標(biāo)干擾下組網(wǎng)雷達(dá)檢測概率計(jì)算 實(shí)驗(yàn)1,2從不同方面說明了分布式假目標(biāo)干擾對組網(wǎng)雷達(dá)的干擾效果,現(xiàn)在根據(jù)上述所建分布式假目標(biāo)干擾下組網(wǎng)雷達(dá)檢測概率模型,對組網(wǎng)雷達(dá)檢測概率進(jìn)行仿真分析,并對干擾效果評估指標(biāo)干擾壓制比進(jìn)行定量計(jì)算。 仿真參數(shù)設(shè)定:某組網(wǎng)相控陣?yán)走_(dá)由3部相同的相控陣?yán)走_(dá)組成,3部雷達(dá)的位置分別為(-100,80,0)km,(100,80,0)km,(0,-90,0)km。雷達(dá)發(fā)射功率為5×106W,天線增益為40 dB,接收機(jī)帶寬為5.5 MHz。分布式假目標(biāo)干擾系統(tǒng)中各干擾單元相同,各干擾單元的天線增益為10 dB,干擾功率為50 W。 設(shè)有4種干擾情形:①無干擾;②每部雷達(dá)配置2部分布式干擾機(jī);③每部雷達(dá)配置4部分布式干擾機(jī);④每部雷達(dá)配置8部分布式干擾機(jī)。 設(shè)雷達(dá)脈沖積累數(shù)m=1,目標(biāo)的散射截面積σ=1 m2,組網(wǎng)雷達(dá)的融合規(guī)則采用“秩1”法則。各干擾單元與所干擾雷達(dá)距離為35 km,分布在雷達(dá)中心角度為π/3的扇形方位區(qū)域內(nèi)。在上述4種干擾情形下,組網(wǎng)雷達(dá)在長寬各為400 km,高度為5 km的觀測平面上的檢測概率分布如圖5所示。 圖5 不同干擾情形下組網(wǎng)雷達(dá)的檢測概率分布Fig.5 Netted radar detection probability on different conditions 圖5中,區(qū)域顏色越淺說明組網(wǎng)雷達(dá)在該區(qū)域的檢測概率越高。由圖5可知,隨著干擾機(jī)個(gè)數(shù)增多各部雷達(dá)的暴露區(qū)面積隨之減小,暴露區(qū)的凹縫所對的方向即為分布式干擾機(jī)所在方向。仿真驗(yàn)證了所建模型是合理可行的。 將觀測空域分為若干擾個(gè)面積為1 km2的小方格,若每個(gè)小方格中心的檢測概率大于0.5則記1,在此觀測空域內(nèi),得到上述4種情形的干擾壓制比計(jì)算結(jié)果如表1所示。 表1 干擾壓制比計(jì)算結(jié)果Table 1 Interference suppression ratio result 若對每部雷達(dá)配置數(shù)量不同的干擾機(jī),則組網(wǎng)雷達(dá)的干擾壓制比變化曲線如圖6所示。 圖6 干擾壓制比變化曲Fig.6 Interference suppression ratio curve 由圖6可知,隨著干擾機(jī)個(gè)數(shù)增多,干擾壓制比J逐漸減小并趨于穩(wěn)定值,對每部雷達(dá)的干擾機(jī)配備數(shù)量大于10時(shí),干擾效果變化不大。在實(shí)際的干擾資源調(diào)度中,對干擾資源配置有一定的指導(dǎo)意義。 本文重點(diǎn)研究了分布式多假目標(biāo)干擾對雷達(dá)組網(wǎng)檢測性能的影響。首先提出了對組網(wǎng)雷達(dá)的分布式多假目標(biāo)干擾原理及干擾信號產(chǎn)生方法,然后通過分析分布式多假目標(biāo)干擾對組網(wǎng)雷達(dá)CFAR的影響,建立了一個(gè)高精度的組網(wǎng)雷達(dá)檢測概率計(jì)算模型,并定義了干擾壓制比對干擾效果進(jìn)行評估。仿真實(shí)驗(yàn)表明,分布式多假目標(biāo)干擾對組網(wǎng)雷達(dá)的CFAR和檢測性能具有明顯影響,能夠顯著降低CFAR的性能和雷達(dá)網(wǎng)的檢測概率。并通過干擾壓制比計(jì)算分析為干擾資源調(diào)度提供作戰(zhàn)輔助決策,具有較大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。 參考文獻(xiàn): [1] 向龍,丁建江,楊大志,等.壓制干擾條件下雷達(dá)組網(wǎng)檢測概率建模與仿真[J].火力與指揮控制,2011,36(3):92-94. 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2 多假目標(biāo)干擾對雷達(dá)網(wǎng)CFAR處理的影響
3 分布式多假目標(biāo)干擾下雷達(dá)檢測概率模型
3.1 無干擾時(shí)單部雷達(dá)檢測概率
3.2 假目標(biāo)干擾下單部雷達(dá)檢測概率
3.3 分布式假目標(biāo)干擾下組網(wǎng)雷達(dá)檢測概率
4 仿真分析
5 結(jié)束語