(中國人民解放軍66350部隊 技術室，河北 保定 071000)

0 引言

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。

1 雷達信號接收原理

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。

2 混合雷達信號循環(huán)平穩(wěn)特性控制分析

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。

2.1 構建非線性規(guī)劃數(shù)學模型

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。

2.2 約束條件設立

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。

2.3 采用遺傳算法控制信號時延

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。

3 實驗結果與分析

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：

3.1 被動雷達信號

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。

3.2 主動雷達信號

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。

3.3 實驗結論

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。

4 結論與成果

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。