閆明松，魏旭鴻

(1.海裝上海局，上海 201206；2.中國船舶工業(yè)集團公司第七○八研究所，上海 200011)

0 引 言

長期以來，艦船編隊作戰(zhàn)已成為世界各國海軍常用的作戰(zhàn)方式[1-3]，因為受地球曲率的影響，單艦的通視距離和打擊范圍受限，在面臨超視距攻擊、多批次攻擊的情況下無法有效應對而成為“活靶子”。

現(xiàn)代水面艦船的警戒搜索、目標跟蹤、制導、氣象探測等任務主要依賴雷達系統(tǒng)，雷達系統(tǒng)作為對空對海探測中最重要的傳感器，率先發(fā)現(xiàn)便可先發(fā)制人，性能優(yōu)劣已成為決定現(xiàn)代海戰(zhàn)勝負的主要因素。對于艦船編隊而言，雷達系統(tǒng)換代升級的周期長、成本高，故世界各國高度重視現(xiàn)有雷達系統(tǒng)的效能提升。協(xié)同探測作為突破口[4-6]，從20世紀后期開始逐步成為海軍領(lǐng)域的重要研究方向。

雷達系統(tǒng)通過協(xié)同探測不僅解決了單部雷達受地球曲率影響而探測視距受限的問題，同時可以實現(xiàn)艦船超視距協(xié)調(diào)制導。事實上，當前的協(xié)同探測技術(shù)研究不僅要滿足擴大探測范圍或覆蓋空域，而且要通過信息交互和合作協(xié)同實現(xiàn)資源的合理規(guī)劃和調(diào)度。

在現(xiàn)代海洋作戰(zhàn)環(huán)境下，困擾艦載雷達系統(tǒng)使用的主要因素為低空多路徑盲區(qū)、電磁干擾、雷達截面(RCS)極小的隱身目標、多目標多層級襲擊等[7-8]。雷達通過網(wǎng)絡化部署進行協(xié)同探測，每部雷達作為一個網(wǎng)絡節(jié)點，通過節(jié)點之間的信息交互實現(xiàn)友好合作，共同完成探測任務。因此，艦船編隊協(xié)同探測的過程可簡單描述為：將各個雷達系統(tǒng)按照一定的方式進行組合，充分利用它們不同維度的探測信息，進行信息融合處理，提高在抗電磁干擾、目標檢測等方面的性能。

本文首先分析了協(xié)同探測技術(shù)的研究背景，然后詳細闡述了實現(xiàn)協(xié)同探測的關(guān)鍵技術(shù)，并提出了一種協(xié)同探測的工作流程，接下來進行數(shù)據(jù)仿真驗證與雷達協(xié)同探測優(yōu)勢分析，并總結(jié)本文研究工作。

1 研究背景

進入21世紀以后，伴隨著科技發(fā)展、武器裝備進步和世界格局的變化，雷達系統(tǒng)的作戰(zhàn)環(huán)境愈發(fā)惡劣，生存能力受到嚴峻考驗，往往需要將多部雷達通過合理有效的協(xié)同工作機制有機地組合起來，能夠發(fā)揮出單部雷達不具備的作戰(zhàn)效能。例如美國航母編隊依托E-2C預警機雷達、AN/SPY-1警戒雷達、SPQ-9B近防雷達、AN/SPS-49對空搜索雷達和AN/SPS-67對海搜索雷達等傳感器，并結(jié)合艦載武器系統(tǒng)構(gòu)建了多層次全空域的防御圈，能夠應對各種復雜環(huán)境下的導彈飽和攻擊。

近年來，得益于光纖傳輸、無線通信和信息處理等技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外科研院所在雷達協(xié)同探測領(lǐng)域的研究成果日新月異，主要涉及資源配置、數(shù)據(jù)傳輸、信息融合、融合檢測等相關(guān)內(nèi)容。

2 協(xié)同探測的關(guān)鍵技術(shù)

“雷達組網(wǎng)”即“雷達網(wǎng)絡化”，是實現(xiàn)雷達系統(tǒng)協(xié)同探測的重要途徑和關(guān)鍵技術(shù)，通過網(wǎng)絡接口實現(xiàn)不同平臺之間的感知資源與探測信息共享，能夠?qū)崟r形成完整準確的戰(zhàn)場態(tài)勢，以便于艦船編隊合理分配兵力資源。此外，協(xié)同探測的關(guān)鍵技術(shù)還包括資源配置技術(shù)和信息融合處理技術(shù)。

2.1 雷達組網(wǎng)技術(shù)

“雷達組網(wǎng)”的關(guān)鍵問題是網(wǎng)絡構(gòu)建與協(xié)同數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)同數(shù)據(jù)的傳輸與網(wǎng)絡構(gòu)建方式相關(guān)，如果是同一平臺，則可簡單地直接通過差分信號或光纖數(shù)據(jù)完成控制參數(shù)、基帶數(shù)據(jù)傳輸，目前的研究重點是針對不同的艦船平臺，通過無線傳輸方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，相比之下難度較大，因為無線傳輸具有帶寬窄、易受干擾以及受時序影響較大等特點。

由于戰(zhàn)場形勢瞬息萬變，不同艦船平臺的任務使命可能發(fā)生變化，導致雷達系統(tǒng)網(wǎng)絡也需要隨之調(diào)整，這就要求雷達網(wǎng)絡須具備“即插即用”、高效、實時、傳輸方式靈活可調(diào)整等特點，目前分布式多雷達節(jié)點的最佳工作方式是無中心自組網(wǎng)方式，各雷達節(jié)點均將探測信息等發(fā)送至編隊內(nèi)其它節(jié)點，如圖1所示。

圖1 雷達系統(tǒng)節(jié)點組網(wǎng)框圖

雷達組網(wǎng)的任務是不同雷達節(jié)點之間須進行實時的數(shù)據(jù)信息交互，在海面復雜電磁干擾的環(huán)境下，數(shù)據(jù)信息的容量和質(zhì)量在一定程度上直接決定協(xié)同探測的性能優(yōu)劣。雷達組網(wǎng)涉及的核心技術(shù)包括網(wǎng)絡模塊的集成設(shè)計技術(shù)、網(wǎng)絡構(gòu)建與優(yōu)化部署技術(shù)和大容量低誤碼率無線通信技術(shù)等[9]。

2.2 資源配置技術(shù)

資源配置技術(shù)作為協(xié)同探測的關(guān)鍵技術(shù)，既包含靜態(tài)的資源分配，也包含資源的動態(tài)調(diào)整和優(yōu)化，可根據(jù)當前戰(zhàn)場態(tài)勢和目標信息，實時地通過頻段、極化、時間和空域等資源合理調(diào)度，獲取目標的多維散射信息，最大程度地提升雷達網(wǎng)絡的目標探測能力以及復雜電磁環(huán)境的應對能力[10]，工作流程如圖2所示。

圖2 資源配置工作流程框圖

資源配置需要以特定的探測任務為目標，靈活地進行資源分配和優(yōu)化，以保證雷達系統(tǒng)網(wǎng)絡的性能發(fā)揮到最佳狀態(tài)。

資源配置的實質(zhì)是各個雷達節(jié)點頻段資源、極化資源、時間資源和空間資源等的合理利用，是雷達系統(tǒng)協(xié)同探測的核心內(nèi)容，目前已成為協(xié)同探測領(lǐng)域的重點研究方向[11-13]。

2.3 信息融合處理技術(shù)

信息融合處理是指雷達網(wǎng)絡系統(tǒng)對參與協(xié)同探測的各個雷達節(jié)點獲取的目標探測信息進行整合、處理，從而獲得單個雷達節(jié)點無法獲取的目標信息的過程，作為協(xié)同探測的關(guān)鍵技術(shù)，信息融合處理可以帶來跟蹤穩(wěn)定性提升、檢測概率提高、探測距離擴大等優(yōu)勢，提高戰(zhàn)場態(tài)勢感知的完整性[14]。按照信息的層級可分為2種情況：信號級融合處理和數(shù)據(jù)級融合處理。

2.3.1 信號級融合處理技術(shù)

信號級融合處理是在門限檢測前對各個雷達節(jié)點的目標回波信號進行融合處理的過程，與數(shù)據(jù)級融合處理相比，主要優(yōu)勢是能夠提高目標信噪比，尤其是提高對微弱目標的檢測能力。目前雷達系統(tǒng)大都采用全相參體制，受限于頻率源的相位穩(wěn)定性，不同雷達節(jié)點之間的相參性很難保證，故目前的融合處理方式主要為非相參積累檢測，典型的處理過程如下：

(1) 單部雷達按照設(shè)定的檢測單元進行運動補償、脈壓、相參/非相參積累等信號處理后形成目標狀態(tài)數(shù)據(jù)，并發(fā)送至其他雷達節(jié)點；

(2) 本地雷達實時接收其他雷達節(jié)點的目標狀態(tài)數(shù)據(jù)；

(3) 進行目標狀態(tài)數(shù)據(jù)融合，包括本地雷達與其他雷達節(jié)點的目標狀態(tài)數(shù)據(jù)空時配準、共同區(qū)域數(shù)據(jù)的幅度校準、共同區(qū)域數(shù)據(jù)非相參積累等內(nèi)容，然后進行門限檢測后形成數(shù)據(jù)視頻。工作流程如圖3所示。

圖3 信號級融合處理的典型工作流程框圖

信號級融合處理雖然性能更佳，但具有處理資源消耗多、數(shù)據(jù)量大、對通信帶寬要求高等特點，經(jīng)歷理論研究，正在逐步轉(zhuǎn)入工程應用。

2.3.2 數(shù)據(jù)級融合處理技術(shù)

數(shù)據(jù)級融合處理是對各個雷達節(jié)點獨立完成目標回波信號處理后形成的點跡或航跡進行綜合處理的過程。點跡融合處理作為目前最熱門的研究方向，在航跡處理之前完成，能夠解決單部雷達由于點跡丟失而帶來的航跡起批失敗問題，還可以通過盲區(qū)互補來提升目標跟蹤的穩(wěn)定性。典型的數(shù)據(jù)處理過程如下：

(1) 本地雷達實時接收其他雷達節(jié)點的點跡數(shù)據(jù)；

(2) 點跡融合處理，包含異常值剔除、坐標轉(zhuǎn)換、時間配準、系統(tǒng)誤差修正等內(nèi)容；

(3) 進行航跡處理，包括航跡起批、航跡關(guān)聯(lián)和航跡濾波等內(nèi)容，并將航跡信息發(fā)送至所有雷達，可以實現(xiàn)不同雷達的盲區(qū)互補，提高雷達在該區(qū)域內(nèi)的跟蹤穩(wěn)健性。流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)級融合處理的典型工作流程框圖

數(shù)據(jù)級融合處理在工程實踐中的應用前景較為廣泛，具備資源消耗少、數(shù)據(jù)量小、對通信帶寬要求低等優(yōu)勢，但融合處理前的目標信息已進行門限檢測，微弱目標信息可能已經(jīng)丟失，故數(shù)據(jù)級融合處理無法提高目標的檢測概率，也無法通過融合處理擴大目標的探測距離。

綜上所述，信息融合處理可以提升目標檢測和穩(wěn)定跟蹤能力，獲得更加完整準確的戰(zhàn)場態(tài)勢圖，克服單個傳感器的視距受限、多路徑盲區(qū)互補、微弱目標檢測能力不足等缺陷，有效提升了艦船編隊的作戰(zhàn)能力。信息融合處理涉及的核心技術(shù)包括空間-時間配準技術(shù)、高性能融合算法研究、多層次融合技術(shù)和融合效果評估技術(shù)等。

3 協(xié)同探測的工作流程

艦船編隊協(xié)同探測建立在不同雷達節(jié)點實現(xiàn)信息共享與信息交互的基礎(chǔ)上，對雷達節(jié)點的頻段、極化、時間和空域等資源進行配置，制定各個雷達節(jié)點的工作模式與參數(shù)，然后對各個雷達節(jié)點的目標探測信息進行融合處理。本節(jié)提出一種協(xié)同探測的工作流程，如圖5所示。

圖5 一種協(xié)同探測工作流程框圖

協(xié)同探測的工作主要涉及制定作戰(zhàn)任務、網(wǎng)絡構(gòu)建、資源配置、信息融合、戰(zhàn)場態(tài)勢評估等內(nèi)容，簡單闡述如下：

(1) 首先將當前某部雷達率先獲取的目標探測信息作為先驗知識，進行本次作戰(zhàn)的戰(zhàn)場態(tài)勢初步評估，并制定相應的作戰(zhàn)任務指令發(fā)布至艦船平臺；

(2) 然后根據(jù)當前的作戰(zhàn)需求，進行艦船編隊雷達系統(tǒng)的頻段、極化、時間和空間資源配置，選擇最優(yōu)方案構(gòu)建雷達網(wǎng)絡，并設(shè)定參與協(xié)同的各個雷達節(jié)點的工作模式和工作參數(shù)；

(3) 接下來對參與協(xié)同的各個雷達節(jié)點的目標探測信息進行融合處理，形成新的戰(zhàn)場態(tài)勢圖，并根據(jù)各雷達節(jié)點的探測性能來判斷該節(jié)點的質(zhì)量優(yōu)劣；

(4) 根據(jù)當前的戰(zhàn)場態(tài)勢，重新制定作戰(zhàn)任務指令，重復上述過程，根據(jù)作戰(zhàn)任務和節(jié)點質(zhì)量，進行協(xié)同工作機制下的資源動態(tài)配置。

4 數(shù)據(jù)仿真驗證

本節(jié)在理想條件下，不考慮空間、時間的配準誤差，通過數(shù)據(jù)仿真首先驗證了2部雷達進行回波信號非相參積累融合后能夠提升信雜比，然后驗證了2部不同頻段和極化方向的雷達通過數(shù)據(jù)融合能夠?qū)崿F(xiàn)低空多路徑盲區(qū)互補，證明了資源配置與信息融合技術(shù)的可行性與重要性，如下所述：

(1) 仿真參數(shù)設(shè)置為：雷達1和雷達2的工作頻率均為9 GHz，重頻均為2 kHz，信噪比為50 dB，天線轉(zhuǎn)速60 r/min，設(shè)一靜止點目標在 7.5 km 處(相對雷達1)，由圖6、圖7可知，目標被強海雜波淹沒(海雜波模擬采用韋布爾分布模型)，積累前的單部雷達信雜比為12 dB，雷達1的20個重頻周期回波數(shù)據(jù)如圖6所示，雷達2的20個重頻周期回波數(shù)據(jù)(假定已進行時空配準)如圖7所示。

圖6 雷達1的20個重頻周期回波數(shù)據(jù)

圖7 雷達2的20個重頻周期回波數(shù)據(jù)

2部雷達進行非相參積累融合后的20個重頻周期回波數(shù)據(jù)如圖8所示，信雜比可提升約1.5 dB，有利于檢測出淹沒在海雜波中的慢動小目標。

圖8 2部雷達進行非相參積累融合后的20個重頻周期回波數(shù)據(jù)

(2) 仿真參數(shù)設(shè)置為：雷達1的工作頻率為6 GHz，極化方向為水平極化，雷達2的工作頻率為9 GHz，極化方向為垂直極化，設(shè)備架高均為20 m，海情為二級海況。假定目標高度在100 m以下，雷達1的低空多路徑探測盲區(qū)如圖9所示，雷達2的低空多路徑探測盲區(qū)(假定已進行時空配準)如圖10所示。

圖9 雷達1的低空多路徑探測盲區(qū)圖

圖10 雷達2的低空多路徑探測盲區(qū)圖

2部雷達進行數(shù)據(jù)融合后的低空多路徑盲區(qū)如圖11所示，可以看出盲區(qū)大大減少，在很大程度上改善了低空目標的探測性能。

圖11 2部雷達數(shù)據(jù)融合后的低空多路徑探測盲區(qū)圖

綜上所示，本節(jié)通過數(shù)據(jù)仿真驗證了艦載雷達采用協(xié)同探測技術(shù)后，提高了信雜比率，減小了低空多路徑盲區(qū)，相比雷達非協(xié)同探測具有明顯優(yōu)勢。另外，雷達協(xié)同探測后還在資源調(diào)度能力、空域覆蓋能力和復雜電磁環(huán)境適應能力等方面提升了設(shè)備性能，該部分研究內(nèi)容將在后續(xù)研究中體現(xiàn)。

5 結(jié)束語

艦船編隊協(xié)同探測克服了單艘艦船雷達系統(tǒng)因地球曲率影響而使探測視距受限的問題，通過采用不同艦船平臺雷達系統(tǒng)的協(xié)同工作機制，艦船編隊在復雜自然環(huán)境下的適應能力、復雜電磁環(huán)境試驗能力以及微弱目標檢測能力等方面得到很大提升。作為艦船編隊空海探測的主要發(fā)展方向，本文詳細闡述了協(xié)同探測所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種適用于艦船編隊的雷達系統(tǒng)協(xié)同探測工作流程，理想條件下的數(shù)據(jù)仿真結(jié)果證明，協(xié)同探測能夠?qū)崿F(xiàn)低空目標多路徑盲區(qū)互補以及海面目標檢測概率的提升，在如何充分發(fā)揮艦船編隊現(xiàn)有雷達裝備的探測性能方面具有一定的指導意義。