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        一種降低雷達(dá)模擬器交疊脈沖丟失率的方法

        2020-05-18 02:51:46李文海姜晉云孫偉超吳陽(yáng)勇
        兵器裝備工程學(xué)報(bào) 2020年4期
        關(guān)鍵詞:信號(hào)

        李文海,姜晉云,孫偉超,吳陽(yáng)勇

        (海軍航空大學(xué), 山東 煙臺(tái) 264001)

        作戰(zhàn)飛機(jī)在進(jìn)行電磁威脅環(huán)境態(tài)勢(shì)感知過(guò)程中,需依賴(lài)其機(jī)載自衛(wèi)電子對(duì)抗系統(tǒng)來(lái)降低或消除被敵方機(jī)載探測(cè)系統(tǒng)、地面監(jiān)視系統(tǒng)和導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的威脅,這是提高作戰(zhàn)飛機(jī)戰(zhàn)場(chǎng)生存能力的重要手段。隨著各種精確制導(dǎo)武器的不斷發(fā)展和應(yīng)用,“發(fā)現(xiàn)即摧毀”已是常態(tài),機(jī)載自衛(wèi)電子對(duì)抗系統(tǒng)能否正常發(fā)揮效能,對(duì)作戰(zhàn)飛行安全和戰(zhàn)斗任務(wù)執(zhí)行至關(guān)重要[1]。在裝備研制和生產(chǎn),以及實(shí)際使用和訓(xùn)練過(guò)程中,對(duì)機(jī)載自衛(wèi)電子對(duì)抗系統(tǒng)中的雷達(dá)告警設(shè)備,通過(guò)相關(guān)檢測(cè)進(jìn)行有效性測(cè)試與評(píng)估是重要科目。目前,基于雷達(dá)信號(hào)模擬器,通過(guò)設(shè)置發(fā)射信號(hào)參數(shù),包括載頻、脈沖寬度和脈沖重復(fù)間隔等,產(chǎn)生特定雷達(dá)目標(biāo)測(cè)試信號(hào)是用于相關(guān)檢測(cè)的常用方法[2]。

        由于真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜,存在著不同特征和用途的多部雷達(dá)同時(shí)照射的情況[3],因此,雷達(dá)模擬器應(yīng)該具備多部雷達(dá)組合測(cè)試信號(hào)生成的能力,即將多路脈沖信號(hào)融合為一路有序輸出[4]。考慮到多個(gè)不同雷達(dá)脈沖信號(hào)的到達(dá)時(shí)間(Time of Arrival,TOA)存在差異,如果前后兩個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)間差小于前一個(gè)脈沖的脈寬,此時(shí)會(huì)產(chǎn)生時(shí)域脈沖交疊現(xiàn)象[5]。當(dāng)出現(xiàn)交疊時(shí),常用的處理方法有:脈沖合并、按照優(yōu)先級(jí)進(jìn)行舍去、通過(guò)硬件進(jìn)行優(yōu)選等。文獻(xiàn)[4]采用設(shè)置優(yōu)先級(jí)的方法,按照威脅等級(jí)進(jìn)行脈沖序列選擇和合并,但存在致使威脅等級(jí)較小的脈沖序列信息改變或丟失的問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]采用基于比較電路的純硬件方法,通過(guò)比較多路脈沖信號(hào)的到達(dá)時(shí)間、優(yōu)先級(jí)和脈寬等信息來(lái)進(jìn)行脈沖排列,但對(duì)復(fù)雜比較電路的硬件設(shè)計(jì)需求,制約了該方法的推廣使用。綜上所述,在不斷增加雷達(dá)信號(hào)模擬器輸出信號(hào)種類(lèi)和數(shù)量的同時(shí),設(shè)計(jì)能夠盡量減小時(shí)域脈沖交疊的工程實(shí)現(xiàn)方法仍是一個(gè)重要的研究課題。本文針對(duì)上述需求,從脈沖交疊概率入手,推導(dǎo)出可用于工程實(shí)現(xiàn)的交疊概率公式,提出了一種分組脈沖排列的方法,可以有效降低脈沖交疊的數(shù)目。

        1 脈沖交疊分析

        當(dāng)脈沖流處于高密度雷達(dá)信號(hào)環(huán)境中時(shí),可以看作是隨機(jī)過(guò)程,如果隨機(jī)過(guò)程在某一時(shí)間區(qū)間內(nèi)的狀態(tài)不受這個(gè)時(shí)間區(qū)間以外狀態(tài)的影響,則稱(chēng)為是無(wú)后效的隨機(jī)過(guò)程[7]。那么對(duì)于某一時(shí)刻t來(lái)說(shuō),這個(gè)隨機(jī)過(guò)程可以近似為一個(gè)隨機(jī)事件來(lái)考慮,因此可以從概率統(tǒng)計(jì)的角度來(lái)分析問(wèn)題。

        若兩個(gè)脈沖前沿的到達(dá)時(shí)間差小于前一個(gè)脈沖的脈沖寬度時(shí),此時(shí)會(huì)出現(xiàn)脈沖交疊的現(xiàn)象,后一脈沖的脈內(nèi)信息就會(huì)丟掉。因此,任一脈沖的交疊概率,即是在該脈沖的脈沖寬度內(nèi)存在其他脈沖的概率[8]。對(duì)于某一部雷達(dá)來(lái)說(shuō),由于具有固定的脈沖間隔,所以脈沖信號(hào)不存在交疊的現(xiàn)象,計(jì)算時(shí)應(yīng)該去除該部雷達(dá)產(chǎn)生的脈沖序列[9-10]。另一方面,雷達(dá)信號(hào)環(huán)境復(fù)雜,存在高密度流的脈沖信號(hào),所以這些脈沖序列可以看作是相互獨(dú)立的。同時(shí),在任一時(shí)刻雷達(dá)信號(hào)脈沖存在的概率是相同的。因此,去除某一部雷達(dá)所產(chǎn)生的脈沖序列,其他脈沖序列在任一時(shí)刻出現(xiàn)的概率即是該部雷達(dá)脈沖可能交疊的概率。

        單個(gè)脈沖序列的占空比公式為:

        (1)

        單個(gè)脈沖序列不存在的概率為1-ri,其他脈沖序列不存在的概率為[11]:

        (2)

        其中,n為脈沖序列的個(gè)數(shù),則脈沖序列出現(xiàn)交疊的概率為:

        (3)

        對(duì)于單個(gè)脈沖序列而言,占空比r往往較小,在實(shí)踐中常把1-r近似為1,所以當(dāng)脈沖序列數(shù)目較多時(shí),上式可簡(jiǎn)化為:

        (4)

        (5)

        p2=1-e-r

        (6)

        由式(6)可知,脈沖交疊的概率與脈沖序列總占空比有關(guān)。所以可通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖序列的到達(dá)時(shí)間,使得各組脈沖序列初始時(shí)間產(chǎn)生時(shí)間差以降低總占空比,達(dá)到減小脈沖交疊概率的目的。一方面,可以避免因優(yōu)先級(jí)排列而造成某列脈沖丟失的情況,另一方面不需要設(shè)置專(zhuān)門(mén)的比較電路,只需要采用專(zhuān)門(mén)的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),降低了外圍電路的復(fù)雜度。

        2 分組脈沖交疊分析

        2.1 分組脈沖排列

        由于雷達(dá)模擬器產(chǎn)生的脈沖數(shù)量龐大,當(dāng)處理器對(duì)產(chǎn)生的脈沖序列進(jìn)行排序時(shí),若脈沖密度越大,即脈沖序列的時(shí)域總占空比也越大,調(diào)節(jié)到達(dá)時(shí)間差所得到的效果往往不明顯,那么雷達(dá)模擬器將會(huì)有較高的脈沖交疊概率,造成大量的脈沖重疊,使得待檢測(cè)的機(jī)載自衛(wèi)電子對(duì)抗系統(tǒng)偵查告警設(shè)備產(chǎn)生漏警,且內(nèi)部的處理單元計(jì)算資源有限,若脈沖密度越大,則處理器的時(shí)間越大,占用的資源也相對(duì)較多。

        所以為了能夠從整體上提高實(shí)用效能,本研究提出分組脈沖排列的方法。對(duì)于前述提出的雷達(dá)模擬器,可將產(chǎn)生的脈沖序列根據(jù)載頻進(jìn)行平均分組,如對(duì)于2~18 GHz這一頻段可分為4個(gè)組,分別為2~6 GHz、6~10 GHz、10~14 GHz和14~18 GHz,這樣每組脈沖序列的數(shù)量與脈沖密度比分組前要減少,然后調(diào)節(jié)各組的到達(dá)時(shí)間進(jìn)一步降低占空比,從理論上達(dá)到降低脈沖交疊概率的效果。

        2.2 分組脈沖交疊概率分析

        對(duì)于分組后的脈沖序列,都滿足:

        (7)

        (8)

        式中,m為脈沖序列的分組數(shù)。

        (9)

        把式(7)與式(9)代入式(8)化簡(jiǎn)得到:

        (10)

        式(10)為沒(méi)有考慮各組相互影響的脈沖交疊概率,那是由于在對(duì)某組進(jìn)行脈沖排列后,其他各組與之進(jìn)行排列時(shí)也會(huì)產(chǎn)生交疊的現(xiàn)象,所以如果不考慮這種情況,模擬器勢(shì)必也會(huì)產(chǎn)生脈沖交疊。

        在進(jìn)行排列的時(shí)間T內(nèi),對(duì)第k組進(jìn)行排列后,其他各組與之產(chǎn)生脈沖交疊的數(shù)目為:

        (11)

        式中:m為分組的個(gè)數(shù);k為排列后的第k組;Nj為各組與第k組產(chǎn)生交疊的數(shù)目。那么對(duì)于整個(gè)雷達(dá)模擬器而言,由各組相互排列所引起的脈沖交疊數(shù)目為:

        (12)

        由于雷達(dá)模擬器產(chǎn)生的脈沖數(shù)目巨大,脈沖序列可以認(rèn)為是相互獨(dú)立的,并且分組后每組包含的頻段長(zhǎng)度相同,所以各組脈沖存在的概率也是相同的,那么對(duì)于某一組來(lái)說(shuō),脈沖序列存在的概率即為該組內(nèi)脈沖總占空比rk,由式(9)可知,該組脈沖出現(xiàn)的概率為:

        (13)

        那該組與其他組產(chǎn)生交疊的數(shù)量為:

        (14)

        將式(14)代入式(12)即為模擬器由于各組相互排列所引起的脈沖丟失數(shù)目:

        (15)

        綜上所述,雷達(dá)模擬器進(jìn)行脈沖分組排列時(shí)產(chǎn)生交疊的數(shù)目為:

        (16)

        脈沖交疊概率即為:

        (17)

        3 仿真分析

        因?yàn)閷?dǎo)彈控制、地面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)和機(jī)載雷達(dá)的頻段大多處于2~18 GHz,所以本文選取這一頻段進(jìn)行研究。為了驗(yàn)證以上分析,現(xiàn)假設(shè)雷達(dá)模擬器分別產(chǎn)生350萬(wàn)個(gè)脈沖和450萬(wàn)個(gè)脈沖,其頻段的分布如圖1和圖2所示。

        圖1 350萬(wàn)脈沖頻段分布曲線

        圖2 450萬(wàn)脈沖頻段分布曲線

        按照脈沖分組的方法,將上述產(chǎn)生的脈沖序列均分為4組,分別為2~6 GHz、6~10 GHz、10~14 GHz和14~18 GHz。通過(guò)式(6)與式(17),設(shè)置不同的占空比得到分組前后脈沖序列交疊情況,如表1、表2所示。

        表1 350萬(wàn)脈沖交疊概率

        表2 450萬(wàn)脈沖交疊概率

        分析上述圖表可知,隨著序列總占空比的增加,分組前后的交疊概率都相應(yīng)增大,這說(shuō)明可以通過(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)減少脈沖交疊概率。進(jìn)一步可知,模擬器產(chǎn)生的脈沖序列在分組前后的交疊情況也差異顯著,經(jīng)過(guò)分組排列的脈沖交疊概率要小于原序列的交疊概率,并且原序列脈沖交疊概率增加的幅度也大于分組后的。對(duì)于需要產(chǎn)生復(fù)雜且數(shù)目巨大的雷達(dá)模擬器而言,脈沖信號(hào)的密度越大,代表著總占空比也越大,所以經(jīng)過(guò)分組排列后的脈沖序列可以有效地降低交疊概率。

        上述仿真只采用了四等分組的情況,為了更好說(shuō)明分組脈沖排列后交疊概率的情況,將原序列劃分為不同分組,各分組與原序列交疊概率和占空比的關(guān)系如圖3所示。

        圖3 不同分組脈沖交疊概率與占空比的關(guān)系曲線

        分析圖3可知,不同分組后的脈沖交疊概率與上文結(jié)果相同,都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原序列的脈沖交疊概率,并且隨著占空比的增大,交疊概率增加幅度也比原序列較小。進(jìn)一步分析可知,在相同占空比的情況下,隨著分組數(shù)目的增多,脈沖交疊概率也相應(yīng)減小。

        通過(guò)上述分析,可以得出結(jié)論:脈沖交疊概率與脈沖總占空比呈負(fù)相關(guān),可以通過(guò)調(diào)節(jié)總占空比的大小來(lái)改變脈沖交疊的數(shù)目;經(jīng)過(guò)分組后的脈沖交疊情況與原序列相比有顯著的變化,可以有效地降低脈沖交疊概率。所以在雷達(dá)模擬器設(shè)計(jì)時(shí),以脈沖交疊概率作為參考,通過(guò)分組脈沖排列調(diào)節(jié)占空比來(lái)降低脈沖交疊,與傳統(tǒng)方法相比,因?yàn)椴辉賱澐謨?yōu)先級(jí),所以可以有效避免低優(yōu)先級(jí)脈沖序列的丟失,另一方面也不需要多余的外圍硬件電路,滿足了設(shè)計(jì)的需要。

        4 結(jié)論

        在已有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,分析得到脈沖序列交疊概率的一般表達(dá)式,為進(jìn)一步降低雷達(dá)模擬器生成信號(hào)脈沖交疊概率而對(duì)原序列進(jìn)行分組排列,推導(dǎo)出適用于計(jì)算的脈沖交疊公式。通過(guò)對(duì)原序列與分組排列后脈沖交疊情況的仿真實(shí)驗(yàn),證明了分組脈沖排列可以有效降低交疊概率。需要說(shuō)明的是,雷達(dá)模擬器產(chǎn)生脈沖之間需要一定的恢復(fù)時(shí)間,推導(dǎo)公式時(shí)為了簡(jiǎn)便沒(méi)有考慮,并且本文提到的分組脈沖方法是平均劃分頻段,不均分的情況以及如何分組使脈沖交疊產(chǎn)生最優(yōu)解還需進(jìn)一步研究。

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