光曉俐

(西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

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雷達(dá)偵察信號的認(rèn)知處理技術(shù)研究

光曉俐

(西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

摘要闡述了認(rèn)知電子戰(zhàn)的研究現(xiàn)狀和系統(tǒng)組成模型，并針對認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)中的偵察模塊，提出了一種可行的偵察處理結(jié)構(gòu)和流程，基于此，在數(shù)字信道化測頻的基礎(chǔ)上，提出了基于認(rèn)知技術(shù)的數(shù)字信道化測頻方法。通過理論推導(dǎo)和仿真，證明了基于認(rèn)知技術(shù)的數(shù)字信道化測頻方法,相比傳統(tǒng)數(shù)字信道化測頻在信噪比和測頻精度上大幅提高，同時證明了基于認(rèn)知技術(shù)的電子偵察的可行性。

關(guān)鍵詞認(rèn)知電子戰(zhàn)；數(shù)字信道化；認(rèn)知雷達(dá)偵察

隨著認(rèn)知技術(shù)的發(fā)展[1]。其由最初在通信系統(tǒng)中使用[2]，已發(fā)展成在雷達(dá)的應(yīng)用，多個認(rèn)知雷達(dá)正在研制階段。但認(rèn)知技術(shù)在電子戰(zhàn)上的應(yīng)用還處于理論論證階段[3-6]，對具體的問題沒有進(jìn)行深入的研究。

目前，國內(nèi)楊小牛、沈妮、張春磊等人在理論上對認(rèn)知電子戰(zhàn)的系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析；國外BLADE(BehavioralLearningforAdaptiveElectronicWarfare)[7]即“自適應(yīng)電子戰(zhàn)行為學(xué)習(xí)”項目、自適應(yīng)雷達(dá)對抗項目等也剛剛展開[8]。認(rèn)知電子戰(zhàn)是未來電子戰(zhàn)發(fā)展的必然趨勢，對認(rèn)知電子戰(zhàn)的研究有著重要的意義。

認(rèn)知電子戰(zhàn)在傳統(tǒng)的電子戰(zhàn)系統(tǒng)中加入了學(xué)習(xí)知識庫和認(rèn)知環(huán)，主要由認(rèn)知偵察、認(rèn)知干擾、認(rèn)知知識庫和干擾決策4部分組成[9-12]，如圖1所示。

認(rèn)知偵察模塊與電磁環(huán)境進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)對電磁環(huán)境和目標(biāo)的實(shí)時監(jiān)控，并選擇合適的信號處理方式對其特征進(jìn)行分析。干擾決策模塊根據(jù)認(rèn)知偵察模塊的分析結(jié)果、認(rèn)知知識庫中已有的數(shù)據(jù)、干擾資源，得到有效的干擾樣式和干擾參數(shù)。認(rèn)知干擾模塊由干擾效果評估、干擾優(yōu)化、干擾信號產(chǎn)生3部分組成。認(rèn)知知識庫模塊存儲目標(biāo)特征信息和不同干擾下的干擾效果。

圖1　認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)組成

1認(rèn)知偵察

基于認(rèn)知技術(shù)的雷達(dá)信號偵察系統(tǒng)即認(rèn)知電子戰(zhàn)中的認(rèn)知偵察模塊。認(rèn)知偵察模塊主要對收到的雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行測量。

1.1認(rèn)知偵察處理結(jié)構(gòu)

本文提出一種將寬帶偵察結(jié)果用于寬帶自身認(rèn)知學(xué)習(xí)、信號分選的原理、可能性和方法。圖2是一種可能采用的認(rèn)知偵察模塊結(jié)構(gòu)。

圖2　一種認(rèn)知偵察處理結(jié)構(gòu)

信號經(jīng)天線、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)后將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在對數(shù)字信號的處理中，為了與寬帶偵察系統(tǒng)充分兼容，在保留了傳統(tǒng)信號處理模塊的同時增加了認(rèn)知處理模塊，認(rèn)知處理模塊根據(jù)常規(guī)處理模塊的處理結(jié)果及認(rèn)知知識庫中的信息對傳統(tǒng)處理模塊的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整或開辟新的通道對信號進(jìn)行匹配或準(zhǔn)匹配處理。

由于認(rèn)知偵察模塊與認(rèn)知知識庫聯(lián)系緊密，在這里對認(rèn)知知識庫做簡要的說明。認(rèn)知知識庫分為兩部分：學(xué)習(xí)庫和緩存庫。學(xué)習(xí)庫一一對應(yīng)地存儲4類參數(shù)：雷達(dá)參數(shù)、偵察系統(tǒng)參考設(shè)置、干擾參數(shù)、雷達(dá)信號可能的變化后參數(shù)。緩存庫存儲的參數(shù)類型與學(xué)習(xí)庫一致，但緩存庫存儲的是實(shí)時測得的參數(shù)，當(dāng)緩存庫中的參數(shù)優(yōu)于學(xué)習(xí)庫時對學(xué)習(xí)庫進(jìn)行更新。

1.2認(rèn)知偵察處理流程

認(rèn)知處理模塊對偵察系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)整有兩種方法：調(diào)整傳統(tǒng)處理模塊的參數(shù)和開辟專用通道對信號進(jìn)行匹配或準(zhǔn)匹配處理。

調(diào)整傳統(tǒng)處理模塊參數(shù)的方法可借鑒自適應(yīng)偵察處理的方法和流程，具體流程如圖3所示。

圖3　調(diào)整偵察系統(tǒng)參數(shù)的認(rèn)知偵察處理流程

步驟1信號進(jìn)入傳統(tǒng)處理模塊，測得一組初始雷達(dá)參數(shù)Ar0，當(dāng)前傳統(tǒng)處理模塊的參數(shù)設(shè)置為Aj0、Ar0和Aj0共同組成認(rèn)知知識庫中的一個向量A0；

步驟2將 存儲到認(rèn)知知識庫中的緩存庫，同時 做為認(rèn)知處理模塊的輸入傳入該模塊；

步驟3認(rèn)知處理模塊在認(rèn)知知識庫中對 進(jìn)行匹配查找，若匹配成功，則輸出偵察系統(tǒng)參考設(shè)置和雷達(dá)信號可能的變化后參數(shù)，若匹配失敗，則按已有規(guī)律進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，尋找最優(yōu)參數(shù)并對學(xué)習(xí)庫進(jìn)行更新；

步驟4使用得到的偵察系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置對傳統(tǒng)偵察模塊進(jìn)行設(shè)置；對下一次到達(dá)的信號重復(fù)步驟1～步驟4操作，直到得到最優(yōu)的測量結(jié)果。

開辟專用通道對信號進(jìn)行匹配處理的方法可借鑒相控陣?yán)走_(dá)中搜索加跟蹤模式下對搜索和跟蹤隊列的處理流程。具體流程如圖4所示。具體過程如下：

步驟1信號進(jìn)入傳統(tǒng)處理模塊，測得一組初始雷達(dá)參數(shù)Ar0，當(dāng)前傳統(tǒng)處理模塊的參數(shù)設(shè)置為Aj0、Ar0和Aj0共同組成認(rèn)知知識庫中的一個向量A0；

步驟2將A0存儲到認(rèn)知知識庫中的緩存庫，同時在認(rèn)知知識庫中對A0進(jìn)行匹配查找，得到專用通道的設(shè)置參數(shù)，分配資源產(chǎn)生專用通道；

步驟3對通道內(nèi)的信號進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測并合理的調(diào)整通道參數(shù)直到最優(yōu)，并更新認(rèn)知知識庫，監(jiān)測時若通道內(nèi)有信號，則繼續(xù)監(jiān)測并調(diào)整通道參數(shù)，若通道內(nèi)沒有信號，則擴(kuò)大通道范圍繼續(xù)檢測；

步驟4當(dāng)通道內(nèi)持續(xù)沒有信號時，釋放專用通道，重新開始步驟1。

圖4　開辟專用通道的認(rèn)知偵察處理流程

這兩種方法各有利弊，動態(tài)調(diào)整傳統(tǒng)處理模塊參數(shù)的方法在進(jìn)行參數(shù)調(diào)整時不會增加對資源的使用，但這種方法對頻率重疊的同時信號處理能力不足，在根據(jù)認(rèn)知知識庫進(jìn)行調(diào)整時，對整個檢測范圍內(nèi)的信號難以兼顧；開辟新模塊的方法能有效解決頻率重疊同時信號處理的問題，但信號越多分配的資源就越多，會對偵察機(jī)信號處理帶來較大負(fù)擔(dān)。目前，電磁環(huán)境復(fù)雜，信號源眾多，但頻率重疊的同時信號由于會產(chǎn)生相互干擾而較少出現(xiàn)。因此，本文通過調(diào)整傳統(tǒng)處理模塊的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)認(rèn)知處理模塊對偵察系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)整。

2認(rèn)知偵察的頻域參數(shù)測量

認(rèn)知偵察在頻域參數(shù)測量上的研究基于數(shù)字信道化技術(shù)。根據(jù)上述認(rèn)知偵察系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)及方法流程，設(shè)置初始時信道分布，如圖5(a)所示。

圖5　認(rèn)知偵察信道劃分

對數(shù)字信道化的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行變化時，若信號是認(rèn)知知識庫中已有的信號，則直接在認(rèn)知知識庫中讀取信道化參數(shù)；若信號不是認(rèn)知知識庫中已有的信號，則需對信道化參數(shù)進(jìn)行變化。

雷達(dá)信號出現(xiàn)在初始狀態(tài)時的多個信道內(nèi)時，如圖5(b)表示一個跨信道的信號進(jìn)入數(shù)字信道化接收機(jī)后的狀態(tài)，圖中虛線為輸入信號的頻譜。此時，若信號帶寬大于系統(tǒng)初始帶寬，將兩個信道合并形成新的數(shù)字信道如圖5(c)；若信號帶寬小于系統(tǒng)初始帶寬，將信道在頻域上進(jìn)行搬移形成新的數(shù)字信道如圖5(d)。

當(dāng)雷達(dá)信號出現(xiàn)在數(shù)字信道化初始時的某一個信道時如圖5(e)所示，系統(tǒng)將在信道內(nèi)形成多個窄信道如圖5(f)。

在認(rèn)知數(shù)字信道化測頻中，認(rèn)知處理不僅對出現(xiàn)信號的信道進(jìn)行了進(jìn)一步的參數(shù)調(diào)整，認(rèn)知處理還對可能出現(xiàn)信號的信道進(jìn)行了參數(shù)調(diào)整。如圖5(g)和圖5(h)所示，認(rèn)知系統(tǒng)在對出現(xiàn)信號的第一個信道中的信號進(jìn)行分析后與認(rèn)知知識庫進(jìn)行查找匹配，發(fā)現(xiàn)在當(dāng)前狀態(tài)下第4個信道極有可能出現(xiàn)信號，則對第4個信道也進(jìn)行處理，提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度。

由DFT可知，數(shù)字測頻方法的測頻精度

(1)

其中，N為數(shù)字化后信號的點(diǎn)數(shù)； Bf為無模糊測頻范圍。在數(shù)字信道化測頻中，信道寬度和采樣頻率固定后頻率測量的精度固定。在本文提出的認(rèn)知數(shù)字化系統(tǒng)中，系統(tǒng)的信道在感知到信號后自適應(yīng)地對信道寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)。在采樣點(diǎn)數(shù)不變的情況下，信道帶寬的減小可明顯提高測頻精度；同時要達(dá)到同一測頻精度所需的點(diǎn)數(shù)減小，采樣率不變時，測頻所需時間減少。

在信道化中，接收機(jī)內(nèi)部的噪聲為白噪聲，信號的信噪比

(2)

其中，Ps為信號功率；n0為噪聲譜密度。在信道化中，當(dāng)信號跨信道時信噪比為Ps/2n0B0。其中，B0為信道帶寬，信噪比較低。認(rèn)知系統(tǒng)對信道位置進(jìn)行處理后，信號位于一個信道內(nèi)，此時的信噪比為Ps/n0B0，信噪比明顯提高。

3仿真分析

對傳統(tǒng)數(shù)字信道化和認(rèn)知數(shù)字信道化進(jìn)行了仿真實(shí)驗。仿真的信號分別為：單載頻信號、線性調(diào)頻、相位編碼信號。

仿真使用的數(shù)字信道化系統(tǒng)有8個信道，測頻范圍0～240MHz，單個信道的帶寬為30MHz。為便于與傳統(tǒng)數(shù)字信道化測頻進(jìn)行對比，認(rèn)知數(shù)字信道化測頻系統(tǒng)與傳統(tǒng)數(shù)字信道化系統(tǒng)參數(shù)相同。單載頻信號的載頻為75MHz；線性調(diào)頻信號中心頻率為35MHz，帶寬為40MHz；相位編碼信號為二相編碼信號，中心頻率為135MHz。傳統(tǒng)數(shù)字信道化測頻的測頻輸出結(jié)果如圖6所示。認(rèn)知數(shù)字信道化測頻的測頻輸出結(jié)果如圖7所示。

上述仿真中使用chirp信號模擬圖5(c)中的處理過程，用二相編碼信號模擬圖8，用單載頻信號模擬圖5(d)。由仿真結(jié)果可知認(rèn)知數(shù)字信道化易于實(shí)現(xiàn)，圖6中，信道5通過變化將信號放入一個信道中，提高了信噪比；將信道2進(jìn)行細(xì)化提高了測量精度。仿真結(jié)果是對本節(jié)提出的測頻模型可行性的有力論證，同時也有效證明了認(rèn)知數(shù)字信道化的優(yōu)越性。

圖6　傳統(tǒng)數(shù)字信道化測量

圖7　認(rèn)知數(shù)字信道化測量

4結(jié)束語

認(rèn)知技術(shù)強(qiáng)調(diào)個體與環(huán)境之間的交互，通過不斷的信息交互達(dá)到對目標(biāo)的有效探測識別。認(rèn)知偵察是認(rèn)知電子戰(zhàn)的一部分，認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)是一個有機(jī)的整體，缺少其中的任何一個部分都不能有效的完成認(rèn)知過程。認(rèn)知電子戰(zhàn)由于其廣闊的應(yīng)用前景，成為未

來電子戰(zhàn)的必然發(fā)展方向。本文針對認(rèn)知電子戰(zhàn)中的偵察模塊，提出了一種可能的系統(tǒng)組織形式和兩種信號處理方法。隨后將其中的一種方法應(yīng)用于頻率測量上，闡明了具體流程并進(jìn)行了仿真分析。本文只是對認(rèn)知電子戰(zhàn)中的一個模塊進(jìn)行探索性的研究，也只進(jìn)行了功能性仿真，對硬件實(shí)現(xiàn)的可能性和有效性分析不足。在認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)的分析上，對核心部分：認(rèn)知學(xué)習(xí)知識庫的建立和更新上，由于資源的限制只進(jìn)行了簡要說明，需要更深入的研究。

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Cognitive Reconnaissance Radar Signal Processing Technology

GUANGXiaoli

(SchoolofElectronicEngineering,XidianUniversity,Xi’an710071,China)

AbstractThe research status and the system model of cognitive electronic warfare are described at the beginning, and a possible cognitive model of reconnaissance system is presented. Then based on the cognitive model of reconnaissance system, a digital channel frequency measurement method based on cognitive technology is proposed. Theoretical deduction and simulation shows that the digital channel measurement method based on cognitive technology greatly improves the signal to noise ratio and the frequency measurement accuracy compared to the traditional digital channel measurement method. And the feasibility of electronic reconnaissance based on cognitive technology is proved.

Keywordscognitive electronic warfare; digital channel; cognitive radar reconnaissance

收稿日期:2015- 11- 15

作者簡介:光曉俐(1991-)，女，碩士研究生。研究方向：認(rèn)知電子戰(zhàn)。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.07.041

中圖分類號TN953

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)07-143-04