許 雄，王 濤，韓 慧，吳若無(wú)，陳 翔，曾勇虎，汪連棟

(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471003)

0 引言

雷達(dá)裝備的復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)需求迫切需要對(duì)雷達(dá)信號(hào)環(huán)境進(jìn)行定量化的描述[1-3]。相關(guān)的定量化描述方法應(yīng)能滿足可測(cè)量、易操作等要求，且能夠利用現(xiàn)有的模擬手段，形成雷達(dá)信號(hào)環(huán)境的定量化模擬方法，以供裝備試驗(yàn)與評(píng)估過(guò)程的應(yīng)用。

目前，已經(jīng)有學(xué)者提出利用電磁功率密度譜和電磁信號(hào)密度組成的這個(gè)二維指標(biāo)空間來(lái)定量描述雷達(dá)裝備所面臨的威脅電磁環(huán)境，并可進(jìn)一步推廣用于統(tǒng)一描述其所面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境[4-5]。用這種方法描述電磁環(huán)境具有明顯的可操作性和普適性,但是目前還存在不能較好地反映干擾信號(hào)質(zhì)量等一些細(xì)節(jié)問(wèn)題。究其原因，主要是為了便于工程應(yīng)用，這2類(lèi)指標(biāo)在較大程度上作了一些簡(jiǎn)化，進(jìn)而使指標(biāo)與雷達(dá)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系不再是緊耦合，即指標(biāo)量值與雷達(dá)的工作信號(hào)樣式之間沒(méi)有緊密的映射關(guān)系，因而自然會(huì)出現(xiàn)不能很好地反映干擾信號(hào)質(zhì)量等問(wèn)題。之后學(xué)者們又提出了利用壓制比和相似度來(lái)定量描述雷達(dá)導(dǎo)引頭所面臨的干擾環(huán)境[6-7]。這已經(jīng)考慮到干擾與目標(biāo)回波的相對(duì)性特點(diǎn)了，于是對(duì)雷達(dá)裝備所面臨信號(hào)環(huán)境的認(rèn)知又前進(jìn)了一步。但目前的計(jì)算主要是針對(duì)單目標(biāo)，尚未考慮多目標(biāo)的情況?？偟膩?lái)說(shuō)，這些就是目前人們對(duì)雷達(dá)信號(hào)環(huán)境的定量認(rèn)識(shí)，這些認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)已經(jīng)在許多方面發(fā)揮著重要作用。

然而，要想全面系統(tǒng)地對(duì)雷達(dá)信號(hào)環(huán)境進(jìn)行認(rèn)知，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的理論框架。針對(duì)目前的研究現(xiàn)狀，本文擬進(jìn)一步從雷達(dá)裝備與電磁環(huán)境的相互作用角度出發(fā)，分析其所面臨的電磁環(huán)境要素，在已有認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，初步提出一種統(tǒng)一的、有效的雷達(dá)信號(hào)環(huán)境的相關(guān)性認(rèn)知理論框架，希望為后續(xù)開(kāi)展雷達(dá)裝備所面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境的定量表征度量及適應(yīng)性試驗(yàn)等應(yīng)用提供基礎(chǔ)理論支撐。

1 雷達(dá)裝備面臨的信號(hào)環(huán)境分析

如圖1所示，從考慮時(shí)空因素來(lái)說(shuō)，可以從場(chǎng)景、技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)三個(gè)方面來(lái)認(rèn)識(shí)和理解復(fù)雜電磁環(huán)境[5]。這三個(gè)方面也常被稱(chēng)為實(shí)體、信號(hào)和行為，而且從實(shí)體和行為的作用結(jié)果來(lái)看，最終是以信號(hào)的變化情況來(lái)影響雷達(dá)裝備。于是，從信號(hào)來(lái)源和信號(hào)用途的角度看，雷達(dá)裝備所面臨的電磁環(huán)境通常被分解成三類(lèi)要素，即目標(biāo)回波信號(hào)、背景電磁環(huán)境和威脅電磁環(huán)境。其中，目標(biāo)回波信號(hào)包含雷達(dá)需要探測(cè)的真實(shí)目標(biāo)和其它不相關(guān)目標(biāo)所散射引起的雜波；背景電磁環(huán)境主要包括了各種非人為的環(huán)境噪聲、非對(duì)抗性的輻射源信號(hào)等；而威脅電磁環(huán)境則主要指人為的有意干擾，包括有源壓制干擾、有源欺騙干擾、箔條和角反射體干擾，以及各種有源和無(wú)源的組合干擾等。

顯然，上述的分類(lèi)方法是從人為的角度進(jìn)行的。因?yàn)閷?duì)雷達(dá)接收機(jī)來(lái)說(shuō)，它并不知道其所收到的信號(hào)到底是回波還是背景，或是威脅。只有經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理后才有可能分清，而這些正是人為引導(dǎo)的。同時(shí)，背景與威脅中的很多信號(hào)特性是相似的，如背景噪聲和人為噪聲并沒(méi)有太多區(qū)別；威脅中的角反射體與有源假目標(biāo)干擾也是相似的。因此，若采用此種分類(lèi)，則在試驗(yàn)評(píng)估時(shí)無(wú)法做到各環(huán)境要素之間的相對(duì)正交性。而若從雷達(dá)信號(hào)處理的角度來(lái)看外部的信號(hào)環(huán)境的話，環(huán)境要素其實(shí)可分解為非目標(biāo)回波信號(hào)和類(lèi)目標(biāo)回波信號(hào)，如圖2所示。

這些就是目前人們對(duì)雷達(dá)信號(hào)環(huán)境的總體認(rèn)識(shí)，然而要想全面系統(tǒng)地對(duì)雷達(dá)信號(hào)環(huán)境進(jìn)行認(rèn)知，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的理論框架。

2 雷達(dá)信號(hào)環(huán)境認(rèn)知的理論框架

根據(jù)作者當(dāng)前的研究經(jīng)驗(yàn)[8-15]，在上述已有認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，可分別以雷達(dá)和目標(biāo)為2種參考源，初步建立起雷達(dá)信號(hào)環(huán)境的認(rèn)知理論框架，如圖3所示。這個(gè)框架的核心就是相關(guān)性認(rèn)知的概念，其具體內(nèi)涵包含了受體相關(guān)性和目標(biāo)相關(guān)性2個(gè)方面。

作者認(rèn)為，要對(duì)雷達(dá)信號(hào)環(huán)境進(jìn)行全面的、有針對(duì)性的認(rèn)知，應(yīng)該從以下四個(gè)方面問(wèn)題逐次深入，即單體問(wèn)題、二體問(wèn)題、三體問(wèn)題、多體問(wèn)題。其中，單體問(wèn)題是從基本的度量和可視需求方面對(duì)其所面臨的電磁環(huán)境進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范的描述，它是認(rèn)識(shí)和研究上述三方面問(wèn)題的理論基礎(chǔ)；二體問(wèn)題是將雷達(dá)與其它所有輻射源進(jìn)行區(qū)分，可通過(guò)簡(jiǎn)單的相關(guān)性計(jì)算來(lái)初步定性判斷可能對(duì)雷達(dá)有影響的輻射源；三體問(wèn)題是將雷達(dá)與單個(gè)目標(biāo)和干擾源區(qū)分開(kāi)，可通過(guò)相關(guān)強(qiáng)度比和信號(hào)相似度等指標(biāo)來(lái)分析判斷干擾源對(duì)雷達(dá)的影響程度；多體問(wèn)題則是考慮到現(xiàn)代雷達(dá)一般都具有多目標(biāo)探測(cè)、跟蹤和識(shí)別能力，但同一干擾環(huán)境對(duì)不同目標(biāo)的干擾程度卻是不一定相同的，所以需要在三體問(wèn)題上區(qū)分不同的目標(biāo)，對(duì)其所面臨的電磁環(huán)境進(jìn)行更全面的、有針對(duì)性的分析。

下面分別對(duì)每個(gè)問(wèn)題進(jìn)行具體的闡述。

2.1 單體問(wèn)題

圖4所示的是分層認(rèn)知概念模型對(duì)雷達(dá)信號(hào)環(huán)境的描述方法。這里其實(shí)是將現(xiàn)有對(duì)電磁環(huán)境的“時(shí)、空、頻、能、極化、調(diào)制”這“六域”概念描述重新歸納整理，在抽象的物理域和抽象的電磁環(huán)境之間形成了一個(gè)具備可視化能力的、具有層次化特征的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。這便是電磁環(huán)境的分層認(rèn)知概念模型。“層”是觀察電磁信號(hào)的一個(gè)視角，它與電磁信號(hào)環(huán)境要素之間的關(guān)系可以用圖5表示。具體內(nèi)涵還可以參考文獻(xiàn)[13]。

從可測(cè)量的物理域的角度來(lái)看電磁信號(hào)有多個(gè)層，而從信號(hào)來(lái)源角度來(lái)看則分為多個(gè)要素。通常所要求解的環(huán)境參量正是針對(duì)若干個(gè)具有相類(lèi)似特性的信號(hào)環(huán)境要素而言的，因而可以通過(guò)相關(guān)的層上的物理量來(lái)進(jìn)行定量描述。該分層認(rèn)知模型是進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)環(huán)境相關(guān)性認(rèn)知的基礎(chǔ)。

2.2 二體問(wèn)題

由于不同的裝備所感受的電磁環(huán)境不一樣，電磁環(huán)境對(duì)裝備來(lái)說(shuō)是具有相對(duì)性的。在相關(guān)性認(rèn)知的概念中，二體問(wèn)題可以理解是受體相關(guān)性，即將雷達(dá)作為一種受體，從雷達(dá)的角度來(lái)感受或感知電磁信號(hào)環(huán)境。于是，可將輻射源信號(hào)與雷達(dá)的相關(guān)性系數(shù)定義為：

C=CfCsCp

(1)

式中，Cf為頻譜相關(guān)系數(shù)，Cs為空間相關(guān)系數(shù)，Cp為極化相關(guān)系數(shù)。在分層認(rèn)知模型的前三層上對(duì)相關(guān)性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可以定性判斷可能對(duì)雷達(dá)有影響的輻射源，如圖6所示。黑色實(shí)心點(diǎn)所代表的輻射源就是在三個(gè)相關(guān)系數(shù)上都有一定值的源，因而可定性判定其與雷達(dá)有關(guān)系，即其輻射的電磁波會(huì)被雷達(dá)接收機(jī)所接收，可能會(huì)對(duì)該雷達(dá)裝備造成一定的影響。那么在后續(xù)的仿真或試驗(yàn)中需要對(duì)這些輻射源的狀態(tài)進(jìn)行考慮。

2.3 三體問(wèn)題

在相關(guān)性認(rèn)知的概念中，三體問(wèn)題可以理解為目標(biāo)相關(guān)性。即不同的雷達(dá)裝備對(duì)信號(hào)環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生影響，最終形成一個(gè)雷達(dá)裝備與信號(hào)環(huán)境相互作用的環(huán)路，如圖7所示。在這個(gè)環(huán)路中，既體現(xiàn)了信號(hào)環(huán)境與雷達(dá)裝備之間的基本相關(guān)性，即頻段相關(guān)、空間相關(guān)和極化相關(guān)等內(nèi)涵；也體現(xiàn)了雷達(dá)所發(fā)射的電磁波通過(guò)目標(biāo)的散射而最終影響到自己所面臨的信號(hào)環(huán)境，進(jìn)而就影響到自己對(duì)原有信號(hào)環(huán)境的感知。

那么從目標(biāo)相關(guān)性的角度出發(fā)，可以將雷達(dá)信號(hào)環(huán)境要素分解為非目標(biāo)回波信號(hào)和類(lèi)目標(biāo)回波信號(hào)[12]。如圖8所示，為了定量描述，非目標(biāo)回波信號(hào)環(huán)境要素可以定義一個(gè)稱(chēng)為相關(guān)強(qiáng)度比的物理量；而類(lèi)目標(biāo)回波信號(hào)環(huán)境要素可以定義一個(gè)被稱(chēng)為信號(hào)相似度的物理量。其中，相關(guān)強(qiáng)度比的相關(guān)對(duì)象和信號(hào)相似度的相似對(duì)象都是以理想的雷達(dá)目標(biāo)回波為參考對(duì)象。這也是目標(biāo)相關(guān)性的基本內(nèi)涵。從這個(gè)角度看，這2個(gè)物理量正好表達(dá)了雷達(dá)在不同任務(wù)性質(zhì)下所面臨的不同信號(hào)環(huán)境的相對(duì)復(fù)雜度。那么對(duì)雷達(dá)信號(hào)環(huán)境要素的定量描述過(guò)程其實(shí)就是對(duì)相關(guān)強(qiáng)度比和信號(hào)相似度這2個(gè)物理量的分析和求解過(guò)程，而這個(gè)過(guò)程主要是以分層認(rèn)知模型為基礎(chǔ)進(jìn)行的。

2.4 多體問(wèn)題

在三體問(wèn)題的基礎(chǔ)上，不同的實(shí)體目標(biāo)對(duì)雷達(dá)而言既要體現(xiàn)雷達(dá)與目標(biāo)的相關(guān)性，也要體現(xiàn)不同實(shí)體目標(biāo)之間的差異性，如圖9所示，這就是相關(guān)性認(rèn)知概念中多體問(wèn)題的基本內(nèi)涵。正如某些干擾通常只能干擾雷達(dá)的某一扇區(qū)，或掩護(hù)某幾個(gè)距離上的目標(biāo)，并不能對(duì)雷達(dá)的所有探測(cè)區(qū)域進(jìn)行有效抑制。特別是對(duì)于多個(gè)實(shí)體目標(biāo)位于同一波束的同一距離門(mén)內(nèi)時(shí)，其屬于不可分辨的群目標(biāo)，那么相關(guān)強(qiáng)度比和信號(hào)相似度的計(jì)算應(yīng)該要考慮群目標(biāo)所呈現(xiàn)出的整體目標(biāo)散射特性。而若不在同一個(gè)距離門(mén)，則需要分別考慮各個(gè)實(shí)體目標(biāo)的散射特性。如果以雷達(dá)能同時(shí)截獲三種實(shí)體目標(biāo)為前提條件，那么衡量干擾的程度時(shí)就需要分別考慮三種實(shí)體目標(biāo)位于不同區(qū)域時(shí)的組合，以及調(diào)制的假目標(biāo)是與哪一個(gè)真實(shí)實(shí)體目標(biāo)回波最相似等問(wèn)題。然后在每一種組合下，再運(yùn)用三體問(wèn)題的研究方法進(jìn)行認(rèn)知。

這里需要注意的是三體問(wèn)題與多體問(wèn)題的差異究竟在什么地方？本來(lái)三體問(wèn)題是針對(duì)單目標(biāo)而言的，是相關(guān)性認(rèn)知的第2種情況，是為了從本質(zhì)上說(shuō)明干擾與目標(biāo)之間的關(guān)系而簡(jiǎn)化出來(lái)的模型。而通常的雷達(dá)都應(yīng)該考慮多目標(biāo)的情況，但目前的認(rèn)識(shí)會(huì)混淆這2種情況，所以這里把它們分解成2種問(wèn)題來(lái)對(duì)待，即多體問(wèn)題是在三體問(wèn)題基礎(chǔ)上的發(fā)展和完善。而其差異則直觀表現(xiàn)在針對(duì)不同的目標(biāo)而言，同一種電磁環(huán)境或威脅所表現(xiàn)出來(lái)的威脅程度是不一樣的，所以從相關(guān)性的角度來(lái)說(shuō)，不能只給一種電磁環(huán)境估出一個(gè)定量描述的值。但是針對(duì)具體的多目標(biāo)情況該如何分析，本文目前還無(wú)法給出有效方法。本文目前只能指出需要區(qū)別對(duì)待。

總的來(lái)說(shuō)，上述四個(gè)問(wèn)題即構(gòu)成了對(duì)雷達(dá)類(lèi)裝備所面臨的電磁信號(hào)環(huán)境的相關(guān)性認(rèn)知框架。這樣的一套認(rèn)知理論框架，是以分層認(rèn)知概念為基礎(chǔ)，以相關(guān)性認(rèn)知概念為核心，實(shí)現(xiàn)了從六個(gè)物理域到各個(gè)環(huán)境要素的有效銜接和映射。希望能夠?yàn)槿藗冋驹诶走_(dá)的角度來(lái)認(rèn)知雷達(dá)信號(hào)環(huán)境提供一種有效的思路。當(dāng)然，單體問(wèn)題本質(zhì)上說(shuō)是不屬于相關(guān)性認(rèn)知所涉及的三類(lèi)問(wèn)題，但是在三類(lèi)問(wèn)題的分析中會(huì)用到單體問(wèn)題的分層認(rèn)知模型，所以作為理論基礎(chǔ)與三類(lèi)問(wèn)題共同構(gòu)成相關(guān)性認(rèn)知的理論框架。在具體應(yīng)用中，二體問(wèn)題會(huì)用到單體問(wèn)題中的前三層來(lái)判斷外界輻射源是否可能會(huì)影響雷達(dá)裝備；三體問(wèn)題和多體問(wèn)題則會(huì)用到單體問(wèn)題中的所有五層，但是只會(huì)以前三層為基礎(chǔ)，而重點(diǎn)是在后兩層上分析外界干擾源不同的波形、時(shí)序、調(diào)制方式等對(duì)雷達(dá)裝備的影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

正是由于雷達(dá)工作時(shí)所面臨的電磁環(huán)境各要素比較多，給分析和度量都帶來(lái)了一定的困難，因而本文在充分理解該電磁環(huán)境的構(gòu)成及要素分類(lèi)方法的基礎(chǔ)上，提出了這種雷達(dá)信號(hào)環(huán)境的相關(guān)性認(rèn)知方法，給分析和度量提供一種統(tǒng)一的、有效的思路。比如在分析所有輻射源與雷達(dá)的基本關(guān)聯(lián)關(guān)系時(shí)，就把它看作一個(gè)二體問(wèn)題，可以計(jì)算各自的相關(guān)系數(shù)；而在針對(duì)單目標(biāo)跟蹤雷達(dá)分析其干擾時(shí)，就把它看作一個(gè)三體問(wèn)題，可以計(jì)算相應(yīng)的相關(guān)強(qiáng)度比和信號(hào)相似度；而在針對(duì)多目標(biāo)搜索雷達(dá)分析其干擾時(shí)，就必須把它看作一個(gè)多體問(wèn)題。同時(shí)若與動(dòng)態(tài)的雷達(dá)對(duì)抗過(guò)程相結(jié)合并進(jìn)行深入分析，那么也可為認(rèn)知雷達(dá)、認(rèn)知電子戰(zhàn)中的環(huán)境信息感知提供一定的思路參考。不過(guò)多體問(wèn)題目前還沒(méi)有一種可行的思路，這也是后續(xù)研究應(yīng)該重點(diǎn)攻克的難題?！?/p>

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