(中國人民解放軍66350部隊 技術室,河北 保定 071000)
雷達接收到的信號并不只是一個輻射源發(fā)射的,而是由多個獨立的輻射源發(fā)射相關信號,所有信號被雷達接收后組成混合信號,因此,在實際應用環(huán)境中,混合信號保持循環(huán)平穩(wěn)特性是一個值得研究的問題[1]。在被動雷達接收到的混合信號中,獨立的混合信號循環(huán)譜密度函數(shù)等于各個信號自身循環(huán)譜密度函數(shù)疊加之和;在主動雷達接收到的混合信號中,對兩個相干信號同時入射的情況加以分析[2]。傳統(tǒng)采用信號參數(shù)估計控制方法,利用特定循環(huán)頻率處的譜相關函數(shù)實現(xiàn)對雷達接收信號循環(huán)平穩(wěn)特性控制研究,由于幅度調(diào)制信號循環(huán)頻率是載頻處循環(huán)頻率的兩倍、編碼信號循環(huán)頻率與信號碼速率譜相關函數(shù)一致,導致雷達接收到的混合信號出現(xiàn)時延;當參數(shù)滿足一定條件時,混合信號循環(huán)相關函數(shù)在循環(huán)頻率處不再具有明顯的非零屬性,造成信號循環(huán)平穩(wěn)特性無法得到有效控制。因此,采用遺傳算法對雷達接收信號循環(huán)平穩(wěn)特性控制展開研究。
天線、接收機、和信號處理器組成雷達,發(fā)射機的主要任務是對外發(fā)射信號,來自不同輻射源又反射后的回波信號由雷達接收機接收,再經(jīng)過信號處理器進行信號處理,這是一套大致的步驟。磁波源是由各種通信信號組成,主要是通過上述設備反射回來的。這主要由于雷達無法發(fā)射主動性質(zhì)的電磁波。實現(xiàn)目標探測[3],雷達信號接收原理如圖1所示。
圖1 雷達信號接收原理圖
輻射源發(fā)送的信號是具有獨立性的,彼此之間并無關聯(lián),如果雷達同時接收多個由輻射源發(fā)射的信號,那么將這些信號統(tǒng)稱為混合信號,該信號分量是相干的。
根據(jù)上述雷達信號接收原理,對混合信號循環(huán)平穩(wěn)特性控制展開分析。針對混合信號的接收方式有兩種,分別是被動雷達接收和主動雷達接收。其中,被動雷達可接收來自不同輻射源發(fā)射的獨立信號,主動雷達可接收來自不同設備發(fā)射的電磁波信號[4]。在獨立信號接收過程中,采用感應控制方式,可實現(xiàn)對信號循環(huán)平穩(wěn)特性的控制;而在不同設備發(fā)射的電磁波信號接收過程中,會出現(xiàn)時延問題,為了解決該問題,提出了遺傳算法對雷達接收信號循環(huán)平穩(wěn)特性進行控制。
以實時采集到的雷達接收信號數(shù)據(jù)為基礎,以主動雷達混合信號延誤時間為目標,構建非線性規(guī)劃模型[5]。采用Webster延誤方法,計算每次接收到的混合信號平均延誤:
(1)
根據(jù)上述內(nèi)容構建非線性規(guī)劃數(shù)學模型,即為總的延誤時間:
(2)
公式(2)中:pij為第i個相位的第j接收器處的信號流量;cij為第i個相位的第j接收器處的信號飽和度;λi為第i個相位的有效接收信號時長與周期時長的比值。
根據(jù)構建的非線性規(guī)劃數(shù)學模型,設定約束條件:
1)充分考慮通過接收器時的信號接收安全需求,將每個相位的最短接收時間設置為大于等于某值e,因此,每一個相位配時需滿足:
e≤ti≤z-T-10×3,i=1,2,3,4
(3)
公式(3)中,ti為第i個相位的有效接收信號時長;T為總延時耗費的時長。
2)充分考慮飽和度限值約束條件,將某個時間段內(nèi)的周期在合理信號配時條件下,各個相位的飽和度都不大于1.0,避免造成某個接收器接口處出現(xiàn)信號擁堵的現(xiàn)象。假定各個接收器接收端口飽和度都不大于0.9,那么飽和度約束條件為:
(4)
公式(4)中:p為實際信號流通量;N為信號通行能力;s為飽和流量;ge為有效接收信號時長。
遺傳算法是一種通過模擬自然進化過程搜索的最優(yōu)控制時延方法。每個個體實際上是染色體帶有特征的實際信號[6]。染色體作為遺傳物質(zhì)的主要載體,其內(nèi)部表現(xiàn)出來的是某個信號的成分,它決定了信號頻率大小,因此,在一開始需要實現(xiàn)從信號頻率變量到控制信號大小的映射,也就是編碼工作。由于仿照信號編碼的工作很復雜,往往進行簡化,初代種群產(chǎn)生之后,按照適者生存和優(yōu)勝劣汰的原理,逐代演化產(chǎn)生出越來越好的近似解,在每一代,根據(jù)問題域中個體的適應度大小選擇個體,并借助于自然遺傳學的遺傳算子進行組合交叉和變異,產(chǎn)生出代表新的解集種群。這個過程將導致種群像自然進化一樣的后代種群比前代更加適應環(huán)境,末代種群中的最優(yōu)個體經(jīng)過解碼,可以作為最優(yōu)解來實現(xiàn)信號時延的有效控制[7-9]。
2.3.1 變量編碼
利用實數(shù)對變量進行編碼,編碼的長度即為變量的個數(shù)。在雷達接收裝置中,對一個4相位接收端口,設a1、a2、a3、a4為變量,其中a1、a2、a3分別為第1、2、3相位的有效接收信號時長,在固有的損失時間基礎上,第4相位的有效接收信號時長可表示為:a4=T-a1-a2-a3,那么編碼可表示為:a1、a2、a3。
2.3.2 遺傳操作
(1)選擇操作。
保留2個進化與當代為止最優(yōu)的信號,采用雙親與后代競爭方式,利用輪盤選擇算子,將所有待選擇的信號按照適應程度由高頻率到低頻率排序,第i個信號個體生存概率為:
P(i)=F(1-F)i-1
(5)
公式(5)中:F為選擇壓力。
在每個信號生存概率求出后,可計算個體選擇概率,按照輪盤賭博方式進行選擇,進而產(chǎn)生后代。
(2)交叉。
交叉概率對種群中所有信號進行隨機配對,如果信號數(shù)量為奇數(shù),那么可隨機去掉一個信號個體[10]。每一個在[0,1]范圍內(nèi)的配對信號都會產(chǎn)生一個隨機數(shù)r,如果r小于交叉概率,那么配對的信號需要進行交叉操作,交叉規(guī)則如下所示:
(6)
(3)變異。
變異概率對種群中任何一個信號個體,在[0,1]范圍內(nèi)的配對信號都會產(chǎn)生一個隨機數(shù)r,如果r小于變異概率,那么配對的信號需要進行變異操作[11]。如果生成的個體為非正常個體,那么需要重新配對,直到獲取合法個體為止。采用遺傳算法對雷達接收信號循環(huán)平穩(wěn)特性控制過程,具體描述如下所示:
1)將雷達接收的混合信號進行初始化處理,設定信號種群數(shù)目、染色體長度、迭代總數(shù)、交叉概率和變異概率,根據(jù)上述編碼結果,可獲取變量個數(shù),即為:a1、a2、a3;
3)以該染色體數(shù)目計算個體函數(shù)適應值;
4)將父—子代產(chǎn)生的所有信號個體進行重新排列,構造出具有秩序的新種群。
5)按照交叉概率對上述隨機產(chǎn)生的信號個體進行交叉處理;
6)按照變異概率對上述隨機產(chǎn)生的信號個體進行變異處理;
7)驗證調(diào)整幅度信號循環(huán)頻率與載頻處循環(huán)頻率是否保持一致,如果沒有,則需轉到步驟(3),重新計算個體函數(shù)適應值;如果保持一致,則需輸出最佳信號配時方案。
在控制研究過程中,構建非線性規(guī)劃數(shù)學模型,根據(jù)每次接收到的混合信號平均延誤時間計算總的延誤時間。設立約束條件,根據(jù)總的延誤時間,調(diào)整幅度信號循環(huán)頻率與載頻處循環(huán)頻率保持一致,實現(xiàn)信號循環(huán)平穩(wěn)特性的有效控制,并改善了主動雷達接收信號出現(xiàn)的時延問題。
為了驗證采用遺傳算法雷達接收信號循環(huán)平穩(wěn)特性控制研究的合理性,需將實驗分成被動雷達信號與主動雷達信號的循環(huán)平穩(wěn)控制兩部分進行,并對實驗控制效率結果總結。實驗的方法步驟主要分為:
1)分別采用改進控制方法和傳統(tǒng)控制方法對被動雷達接收信號循環(huán)譜密度函數(shù)包絡情況進行測試,得到實驗對比結果如圖2所示;
2)分別采用改進控制方法和傳統(tǒng)控制方法對主動雷達接收信號循環(huán)譜密度函數(shù)包絡情況進行測試,得到實驗對比結果如圖3所示;
具體實驗過程描述,以及實驗結果分析如下:
被動雷達信號依靠第三方輻射源對目標發(fā)射電磁波,接收回波信號,獲取目標信息。以相互獨立的等功率信號對控制研究結果進行驗證,設雷達接收信號載頻為1000 Hz,帶寬為20%,碼率為500 Hz。將傳統(tǒng)控制方法與采用遺傳算法的控制方法信號循環(huán)譜密度函數(shù)包絡情況進行對比,結果如圖2所示。
圖2 兩種控制方法被動信號循環(huán)譜密度函數(shù)包絡情況
由圖2可知:傳統(tǒng)控制方法循環(huán)譜密度所呈現(xiàn)的線型為直線,雖有包絡凸起,但是基本與原始包絡為“一線”狀態(tài),最高循環(huán)譜密度達到3.5×10-5左右,而采用遺傳算法循環(huán)譜密度所呈現(xiàn)的線型為曲線,凸起的包絡呈分散狀態(tài)。從對比結果來看,采用遺傳算法有限采樣限制了信號接收強度,促使控制信號循環(huán)譜密度偏差較小。
根據(jù)兩種控制方法的信號循環(huán)譜密度函數(shù)包絡情況,將傳統(tǒng)方法與遺傳算法對控制程度展開對比分析,結果如表1所示。
表1 兩種方法在被動雷達信號下的控制程度對比
由表1可知:當循環(huán)密度為0.5×10-5時,采用傳統(tǒng)方法控制程度達到95%,同樣采用遺傳算法控制程度也可達到95%,隨著循環(huán)密度的變大,采用傳統(tǒng)方法控制程度逐漸下降,而遺傳算法控制程度也有小幅度下降趨勢。當循環(huán)密度為3.5×10-5時,采用傳統(tǒng)方法控制程度下降到60%,而遺傳算法控制程度下降到87%。由此可知,當循環(huán)密度達到最大時,兩種對循環(huán)平穩(wěn)特性的控制程度相差27%,在被動雷達信號狀態(tài)下,采用遺傳算法控制能力較強。
主動雷達依靠自身定向輻射電磁波,接收目標反射回波進行探測,獲取目標的方位、距離等信息,還可以通過回波中的多普勒頻移,計算出目標徑向速度等信息。主動雷達接收信號載波頻率可達到1000 Hz、相對帶寬為20%,使用相同功率信號時,會出現(xiàn)時延。當信號在循環(huán)頻率為2 000 Hz時,將傳統(tǒng)控制方法與遺傳算法控制的信號循環(huán)譜密度函數(shù)包絡情況進行對比,結果如圖3所示。
圖3 兩種控制方法主動信號循環(huán)譜密度函數(shù)包絡情況
由圖3可知:采用傳統(tǒng)方法具有明顯失真現(xiàn)象,在頻率為0 Hz處功率達到最大,但是無論頻率增或減,功率都會大大降低,且呈對稱性;而采用遺傳算法在頻率為1 000 Hz時,具有明顯非零循環(huán)函數(shù)調(diào)動現(xiàn)象,有可能會出現(xiàn)大幅度降低,但是由于信號時延,促使信號與信號之間的傳遞也出現(xiàn)時延,此時將兩個循環(huán)頻率處的頻譜密度函數(shù)信息結合加以利用,可有效改善控制的平穩(wěn)性。
將傳統(tǒng)方法與遺傳算法對控制程度在相同信號頻率下展開對比分析,結果如表2所示。
表2 兩種方法在主動雷達信號下的控制程度對比
由表2可知:當頻率為0 Hz時,采用傳統(tǒng)方法與遺傳算法控制程度都可達到95%以上,但是信號頻率一旦增強,兩種方法控制程度都有所下降。當頻率為2000 Hz時,傳統(tǒng)方法控制程度下降到45%,而遺傳算法控制程度仍然較高,為88%,兩者相差43%。由此可知,在主動雷達信號狀態(tài)下,采用遺傳算法控制能力較強。
根據(jù)上述實驗內(nèi)容,可得出實驗結論:
1)傳統(tǒng)控制方法循環(huán)譜密度所呈現(xiàn)的線型為直線,而遺傳算法循環(huán)譜密度所呈現(xiàn)的線型為曲線,當循環(huán)密度為0.5×10-5時,兩種方法控制程度達到了最佳狀態(tài),但是隨著循環(huán)密度變大,兩種方法控制程度出現(xiàn)了較大差距,遺傳算法控制程度比傳統(tǒng)方法控制程度高出27%,由此可知,在被動雷達信號狀態(tài)下,采用遺傳算法控制能力較強。
2)當頻率為0 Hz時,兩種方法控制程度都可達到99%;當頻率為2000 Hz時,兩種方法控制程度相差最大,且遺傳算法控制達到平穩(wěn)狀態(tài),不再下降,由此可知,在主動雷達信號狀態(tài)下,采用遺傳算法控制能力較強。
無論是在被動雷達信號狀態(tài)下,還是主動雷達信號狀態(tài)下,采用遺傳算法控制能力都比傳統(tǒng)方法控制能力強。
在實際雷達接收信號循環(huán)平穩(wěn)特性控制過程中,實時采集信號流的相關數(shù)據(jù),發(fā)送至信號處理器中進行相關步驟的處理,采用遺傳算法調(diào)整幅度信號循環(huán)頻率與載頻處循環(huán)頻率,保持兩者頻率大小一致,實現(xiàn)信號循環(huán)平穩(wěn)特性的有效控制。為了確??刂平Y果的合理性,充分考慮接收器的接收端口飽和度限值,以各個相位進出口總延時作為目標展開研究,該研究方式不僅使被動雷達信號接收的循環(huán)平穩(wěn)特性得到了有效控制,還改善了主動雷達信號接收出現(xiàn)的時延問題。該項目的研究體現(xiàn)了理論與實際的結合,并通過實驗得到了證明。但是,在進行實驗過程中,由于時間存在差異,導致結果的比較也只是定性評價,如果想要定量評價,還需模擬真實環(huán)境,降低結果產(chǎn)生的誤差。