舰载雷达模拟器中信号合成方法研究

2020-08-26陈晓东徐加驹井应忠

舰船电子对抗 2020年3期

陈晓东，徐加驹，井应忠，冯震

(南京电子技术研究所，江苏南京 210039)

0 引言

随着靶场信息化建设进程的加快，复杂电磁环境下的军事训练已成为重中之重，复杂雷达信号环境模拟技术尤其是高密度雷达信号模拟技术亦成为研究热点。雷达模拟器能否模拟密集、逼真、复杂的雷达信号对武器装备试验鉴定、作战训练、靶场复杂电磁环境的构建至关重要。

舰载雷达模拟器可以模拟敌方舰载警戒雷达、跟踪制导雷达、搜索雷达、导航雷达、多功能相控阵雷达等的电磁辐射特性，可以配合多种武器装备完成海上飞行试验和电子对抗试验任务。在雷达信号环境的模拟产生过程中,信号的多种类模拟和密集生成,势必造成脉冲不同程度的丢失。在工程中一般会通过增加发射通道数[1]来减小脉冲丢失率，但往往会造成成本上升、资源浪费，因此如何综合权衡、合理利用通道数势在必行。本文针对舰载雷达模拟器中多种典型雷达信号发射时出现的脉冲丢失现象，分析了单通道下脉冲丢失概率及其影响因素，较从单一维度衡量信号优先级的传统方法，引入了欧氏距离，从信号威胁等级、脉冲重复周期、脉宽3个维度衡量信号优先级，参考K均值聚类算法[2-3]，分配发射通道并在信号合成过程中动态调整信号优先级。经仿真论证，该方法有效降低了多雷达信号模拟时的脉冲丢失率，优化了发射通道的使用。

1 脉冲丢失分析

当模拟多部相互独立的雷达所构成的脉冲信号流时，其分布规律符合泊松分布[4-5]。若信号流密度λ(单位：脉冲/s)是一个常数，则在通道平均占用时间Δt内出现n个脉冲的概率可以表示为：

(1)

假设相邻2个脉冲前沿之间的时间间隔为Δτ，如果Δτ≤Tp+r，Tp表示前一脉冲的脉宽，r为频率转换时间，此时相邻脉冲首尾相接，出现脉冲丢失现象。根据公式(1)，在Δτ内出现脉冲丢失的概率可以表示为：

P(Δτ)=1-Pn=0(Δτ)=

1-e-λΔτ≤1-e-λ(Tp+r)

(2)

取脉冲丢失概率最大值，相邻脉冲之间脉冲丢失概率公式可以表示为：

P(Δτ)=1-e-λ(Tp+r)

(3)

因此在通道平均占用时间Δt内脉冲丢失概率可以表示为:

P=1-(Pn=0(Δτ1)·Pn=0(Δτ2)…Pn=0(Δτn))=

(4)

式中：ξ表示信号流的平均占空比。

由公式(4)可知，占空比越大脉冲丢失率越高。占空比受脉冲重复周期和脉宽的影响，因此脉冲丢失率与信号脉冲重复周期和脉宽息息相关。

假设设备频率转换时间r，2个脉冲的信号起始时间、脉冲重复周期、脉冲宽度分别为t0,t1(t0T0+r)，P0,P1，T0,T1。or表示或，若2个脉冲分别在第n,m个时脉冲产生重叠丢失，则两脉冲重叠可表示为：

|t0+nP0-(t1+mP1)|≤T0orT1+r

(5)

由公式(5)可得：

(6)

(7)

考虑t0,t1,(t0T0+r)时，公式(5)可表示为：

(8)

(9)

2 基于预决策的自适应多通道信号合成方法

通过对脉冲丢失率的分析可知，在单通道模拟多部雷达信号时，出现脉冲丢失是不可避免的。采用多通道发射技术，将模拟的雷达信号分配到不同的通道中发射，当模拟雷达数小于通道数时就不会产生脉冲丢失；当模拟雷达数大于通道数时，丢失率较单通道也会明显下降。

本文提出了一种基于预决策的自适应多通道信号合成方法。引入欧式距离，根据信号的威胁等级、重复周期、脉宽等参数评估其信号优先级、参考K均值聚类算法分配发射通道并在信号合成过程中动态调整信号优先级。预决策原则如下：

2.1 优先级评估原则

对于信号的优先级评估问题，从威胁等级、重复周期、脉宽3个维度进行考虑，引入欧式距离来度量其维度距离，反映其相似程度。对任意一个信号构造其优先级度量向量Ai(Li,TPRIi,τPWi),i=1,2,…，n，Li,TPRIi,τPWi分别表示信号的威胁等级、脉冲重复周期、脉宽。根据对丢失率的分析和对信号威胁等级的重视，优先级的评估原则可以总结为：威胁等级高的信号优先级高，脉冲重复周期长的信号优先级高，脉宽大的信号优先级高。则引入欧式距离构造，优先级评估参数可以表示为：

(8)

因此，Di越小，信号的优先级越高。在评估信号优先级时，首先计算优先级评估参数Di，Di越小，其优先级越高。当信号Di相同时，按照其威胁等级大小确定优先级，威胁等级越大，优先级越大。

2.2 发射通道分配原则

对于典型的舰载雷达信号，在忽略脉宽影响的情况下，以脉冲重复周期为主要因素。K均值聚类的算法可以使数据域中所有样本到聚类中心的平方和最小。因此，可以将设置的发射通道个数当做初始聚类中心个数K，以脉冲重复周期作为距离度量，计算每个样本到达K个中心的欧氏距离；找出最小距离，把样本归入最近的聚类中心，修改中心点的值为本类所有样本的均值；然后再计算各个样本到新的聚类中心的距离，重新归类；再次修改中心点，直到新的聚类中心和上一次聚类中心差距基本收敛时结束；最后分别提取各个类中的信号，打散，使之尽量不在同一通道，完成信号发射通道的分配。

单通道中信号合成算法如下：

(1) 初始化，设置每部雷达信号的初始时刻,计算每部雷达下一脉冲出现的时刻为Ti(i=1，2，…，N)的初始值，设置每部雷达脉冲的脉冲计数为Ni(脉冲计数从1开始)，设置每部雷达脉冲丢失数N1i(计数从0开始),设置当前已合成脉冲时刻为TR，设置脉冲宽度为τPWi，设置优先级改变标志位Z(0表示没有改变，1表示改变；初始值为0)，脉冲之间的最小间距为Δr，丢失率最大门限为K，安全门限为Q，设置工作时间为T。

(2) 判断工作状态，工作时间达到T结束工作，否则执行步骤(3)。

(3) 寻找Ti-TR最小的脉冲。重新计算每部雷达的重频周期Tpi(i=1，2，…，N)，比较TR和Ti,若Ti-TR<0，则计算此部雷达下一个脉冲出现的时刻Ti+1(Ti+1=1，2，…，N)，比较得到Ti-TR最小的脉冲序列号i。

(4) 判断优先级高的雷达是否将第i部雷达的脉冲覆盖。按优先级由高到低对k部雷达依次寻找，若所有的雷达都满足Tk-Ti>τPWi+Δr，则提取第i部雷达,更新TR=Ti+τPWi，否则,更新N1i,记k部雷达中Tk-Ti<τPWi+Δr优先级最高的雷达为第j部雷达,令i=j,重复第(4)步。

流程图如图1所示。

图1 单通道内信号合成流程图

3 仿真论证

舰载雷达模拟器用于模拟敌方舰载警戒雷达、跟踪制导雷达、搜索雷达、导航雷达、多功能相控阵雷达等雷达的电磁辐射特性。以美军华盛顿航母编队为例，其装备雷达主要包括对空搜索雷达、对海搜索雷达和海/空搜索雷达，在技术体制上一般包括两坐标搜索雷达和三坐标搜索雷达。选择其中的AN/SPS、AN/SPN、AN/SPY、MK系列设置16组典型的舰载雷达信号，其部分参数如表1所示。

表1 雷达信号参数表

分别计算以脉宽作为优先级衡量维度的传统单通道信号合成方法、采用本文优先级评估方法的单通道信号合成方法、采用本文优先级评估但不采用信道分配原则的二通道信号合成和基于预决策的自适应二通道信号合成4种情况,分别定义为方式一、二、三、四。并在这2种方式下计算每种雷达信号的丢失率。脉冲丢失率统计表如表2所示，统计图如图2所示。

表2 雷达信号丢失率统计表

图2 雷达信号丢失率统计图

由表2、图2分析可知，丢失率方式四<方式三<方式二<方式一。方式四中有4种信号不会丢失，仿真证明预决策的优先级评估原则和通道分配原则都能降低信号的脉冲丢失率，充分验证了基于预决策的自适应多通道信号合成方法的优越性。在脉冲丢失率小于15%的情况下构建的电磁环境，可以满足电子侦察及告警系统的指标验证和能力评估。