淺談多雷達(dá)組網(wǎng)檢測系統(tǒng)技術(shù)范文
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摘要：基于航跡融合的多雷達(dá)組網(wǎng)性能依賴于雷達(dá)單體的能力。基于多傳感器信息融合理論，研究多雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)檢測級融合，通過信號層的能量積累，改善對弱小目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)能力；為此，首先研究多雷達(dá)組網(wǎng)檢測的系統(tǒng)架構(gòu)，重點研究集中式和分布式兩種多雷達(dá)檢測方法，結(jié)合工程實施，分析性能得益以及存在的不足，并研究相關(guān)的同步技術(shù)等；結(jié)合戰(zhàn)爭需求分析多雷達(dá)聯(lián)合檢測的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：信息融合；多雷達(dá)檢測；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；分布式檢測；集中式檢測
現(xiàn)代戰(zhàn)爭已經(jīng)變成系統(tǒng)與系統(tǒng)、體系與體系的對抗，單一探測手段已無法滿足作戰(zhàn)需要。如衛(wèi)星、飛機、艦船等平臺都安裝著種類繁多的傳感器，通過多傳感器信息融合提升感知能力。因此，從20世紀(jì)70年代開始，多傳感器信息融合技術(shù)迅速發(fā)展，并在軍事指揮、智能交通、氣象預(yù)報、醫(yī)療診斷、管理決策等眾多軍民領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。多雷達(dá)組網(wǎng)探測便是多傳感器信息融合的典型應(yīng)用。廣義上講，多雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)由空間分散部署的若干發(fā)射機、接收機、發(fā)射-接收機組成[1]。既包括多基地雷達(dá)系統(tǒng)，也包括多個單基地雷達(dá)構(gòu)成的組網(wǎng)系統(tǒng)。相比于單部雷達(dá)獨立探測，多雷達(dá)組網(wǎng)探測體現(xiàn)出體系對抗能力，其優(yōu)勢在于[2]：a)有效擴展系統(tǒng)時空覆蓋范圍，取得超越單部雷達(dá)連續(xù)跟蹤、狀態(tài)估計和目標(biāo)識別性能；b)一體化的態(tài)勢顯示能力；c)更強的抗干擾能力；d)更強的可靠性和生存能力。多傳感器信息融合分為5個級別[3]：檢測級融合是對傳感器原始信號或本地處理進行融合；位置級融合是基于傳感器點跡、航跡測量報告和目標(biāo)狀態(tài)估計進行融合；屬性級融合也稱為屬性分類或者身份估計，其目的是對觀測實體進行表征和識別，傳統(tǒng)的多雷達(dá)組網(wǎng)探測便是基于位置級融合和屬性級融合展開的；態(tài)勢評估和威脅估計是對戰(zhàn)場上戰(zhàn)斗力量和敵方意圖量化分析的處理過程，是信息融合的最高層次。隨著軍事科技的高速發(fā)展，信息化條件下高技術(shù)戰(zhàn)爭特點集中體現(xiàn)在武器制導(dǎo)的遠(yuǎn)程化和精確化，作戰(zhàn)平臺的小型化和隱形化，這要求多雷達(dá)組網(wǎng)探測系統(tǒng)具備更遠(yuǎn)的作用距離、更高的探測精確度、更突出的低可探測目標(biāo)發(fā)現(xiàn)能力。在單部雷達(dá)方位積累和時間積累改善信噪比的基礎(chǔ)上，可采用多雷達(dá)聯(lián)合檢測技術(shù)，通過多部雷達(dá)信號層的信息交互，實現(xiàn)低可探測目標(biāo)在雷達(dá)間的回波能量積累，抑制隱形目標(biāo)的“閃爍效應(yīng)”，改善系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)能力。可以認(rèn)為，多雷達(dá)聯(lián)合檢測滿足未來戰(zhàn)爭對預(yù)警監(jiān)視系統(tǒng)的技術(shù)需求，符合未來探測系統(tǒng)發(fā)展趨勢。從原理上講，這也是檢測級融合相較于位置級融合、屬性級融合等其他層次多傳感器信息融合的優(yōu)勢所在。自1980年起，國際上就興起多雷達(dá)聯(lián)合檢測的研究，但研究領(lǐng)域集中在融合判決的理論研究。在美國海軍實驗室、美國自然基金委的支持下，麻省理工大學(xué)的研究人員開創(chuàng)性地基于貝葉斯準(zhǔn)則推導(dǎo)分布式檢測的局部最優(yōu)判決[4]。在此基礎(chǔ)上，美國雪城大學(xué)的研究團隊就分布式檢測的融合準(zhǔn)則與局部判決優(yōu)化策略給出非線性方程組耦合解[5-7]。隨著通信帶寬和計算資源的提升，允許更多的觀測信息參與融合。美國康涅狄格大學(xué)的研究團隊在美國海軍實驗室水下戰(zhàn)爭中心的支持下就基于局部信噪比的分布式融合性能展開研究[6]。在美國空軍羅馬實驗室的支持下，美國羅德島大學(xué)的研究團隊就基于原始信號融合的集中式檢測若干關(guān)鍵問題展開研究[8]。概括起來，上述研究可以分為2大類：多雷達(dá)本地檢測門限、融合中心融合準(zhǔn)則的優(yōu)化研究；多粒度信息融合的研究。我國以清華大學(xué)、海軍航空工程大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、國防科技大學(xué)、中國電子科技集團公司為代表的科研院所在這一領(lǐng)域開展了大量工作[9-12]。
1系統(tǒng)框架
多雷達(dá)聯(lián)合檢測系統(tǒng)設(shè)計的核心是以戰(zhàn)場一體化探測系統(tǒng)建設(shè)需求為牽引，采用自上而下的設(shè)計方法，構(gòu)建功能完善、層次分明、要素齊全的系統(tǒng)架構(gòu)。從系統(tǒng)功能講，與傳統(tǒng)的多雷達(dá)組網(wǎng)探測系統(tǒng)相似，多雷達(dá)聯(lián)合檢測具備情報收集、預(yù)警監(jiān)視處理、綜合保障、態(tài)勢展現(xiàn)和情報分發(fā)等功能。從信息處理層次講，整個系統(tǒng)架構(gòu)由物理層、處理層、策略層3個層次構(gòu)成，并包含任務(wù)管理和環(huán)境知識2部分。1)物理層：包含聯(lián)合戰(zhàn)場所轄各雷達(dá)裝備、通信設(shè)備以及附屬配套設(shè)備，實現(xiàn)戰(zhàn)場環(huán)境的聯(lián)合感知和信息傳輸。2)處理層：包含信號量、統(tǒng)計量、檢測量等多粒度信息的生成和融合等。3)策略層：依據(jù)任務(wù)輸入，生成多雷達(dá)協(xié)同運用和信息處理方法的綜合策略，實現(xiàn)面向任務(wù)的一體化系統(tǒng)架構(gòu)最優(yōu)處理。物理層、處理層、策略層均可基于環(huán)境知識優(yōu)化各層內(nèi)部資源的協(xié)同。同時，通過任務(wù)管理實現(xiàn)層與層之間協(xié)同優(yōu)化，在整個體系內(nèi)形成完整閉環(huán)。依據(jù)信息處理層次來分析系統(tǒng)要素：1)物理層：從探測裝備講，包含聯(lián)合戰(zhàn)場所轄岸基、艦載、機載、球載、星載等平臺的雷達(dá)裝備；從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備講，包含微波、光纖、電纜、網(wǎng)絡(luò)均衡等各種器材設(shè)備及相應(yīng)附屬信息；從配套設(shè)備講，包含發(fā)電機、配電站、油料庫等。2)處理層：從信息粒度角度講，包含雷達(dá)裝備生成的信號量、統(tǒng)計量、檢測量等探測信息及其衍生信息；從信息處理角度講，包含處理方法、融合方法、判決方法等。3)策略層：從任務(wù)角度講，包含弱小目標(biāo)發(fā)現(xiàn)策略、高速目標(biāo)處理策略、抗有源干擾處理策略、抗無源干擾處理策略等。
2檢測技術(shù)
多雷達(dá)聯(lián)合檢測分為集中式檢測和分布式檢測2種處理方式，可依據(jù)系統(tǒng)實施條件選擇。集中式檢測是將系統(tǒng)內(nèi)各雷達(dá)原始探測信息直接傳輸?shù)饺诤现行倪M行融合判決。原始探測信息既可以是包含幅值、相位、時延信息的射頻、中頻信號，相應(yīng)地采取相干處理；也可以是僅包含幅值信息的視頻信號，相應(yīng)地采取非相干處理。一定條件下，相干處理比非相干處理有更大益處，但相干處理復(fù)雜度高。以多基地雷達(dá)為例，發(fā)射機和接收機之間不僅要求較好的時間、頻率控制，還要求嚴(yán)格的相位同步，這在工程實施中難度大，代價高(尤其是長基線條件下)。對相參積累效果展開研究。雷達(dá)探測的軍事目標(biāo)如飛機、艦船等都有復(fù)雜的幾何外形，其尺寸一般都遠(yuǎn)大于大多數(shù)微波雷達(dá)的波長，雷達(dá)回波是目標(biāo)不同部位(散射中心)散射信號在接收方向的矢量合成，合成回波相位由目標(biāo)的位置、形狀、視角等多種因素決定，視角的微小變化都可能引起較大的相位和幅度變化。對于組網(wǎng)雷達(dá)，利用大范圍空間分級接受目標(biāo)散射信號時，由于視角的差異，多站接收的信號一般無法保證相干性。除非目標(biāo)是各向同性的散射體(球狀)。因此，要實現(xiàn)信號相參處理，雷達(dá)布站必須滿足短基線條件，使各雷達(dá)能以相近視角探測目標(biāo)，以滿足相干性條件。
3同步技術(shù)
同步技術(shù)的核心在于尋求多雷達(dá)對同一目標(biāo)或者同一區(qū)域的觀測數(shù)據(jù)，其方法的選擇與雷達(dá)體制有關(guān)。依據(jù)是否采用一體化設(shè)計，分多基地雷達(dá)系統(tǒng)與單基地雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)2部分內(nèi)容闡述同步技術(shù)。對于多基地雷達(dá)系統(tǒng)，發(fā)射機與接收機之間的同步采用一體化設(shè)計，具體包括時間同步、相位同步和空間同步[9]。時間同步是相位同步和空間同步的基礎(chǔ)。時間同步的策略有3種：a)將發(fā)射機發(fā)射脈沖直接傳輸給接收機，接收機解調(diào)后實現(xiàn)同步；b)發(fā)射機和接收機分別安裝高精確度、高穩(wěn)定度原子鐘，獨立校鐘作為時間基準(zhǔn)；c)發(fā)射機發(fā)送直達(dá)信號，接收機提取時間同步信息。目前，常采用的是第3種方法，具體實施時根據(jù)應(yīng)用場合選擇直達(dá)信號傳輸途徑。如傳輸距離近、機動性要求高時，可以選擇微波信道傳輸；對于固定安裝的陸基雷達(dá)，可選擇架設(shè)光纖傳輸；在發(fā)射機和接收機之間無遮擋時，如高處架設(shè)的遠(yuǎn)程警戒雷達(dá)，可選擇激光傳輸；對于民用的、保密性要求較低的場合，可選用衛(wèi)星傳輸。相位同步是指采用相同頻率的收發(fā)射機保持相參，以滿足脈沖壓縮和動目標(biāo)檢測的需求，實施策略與時間同步策略相似。空間同步是指發(fā)射機和接收機天線波束同時指向同一區(qū)域，接收機才能收到回波。此時，傳統(tǒng)的單基地雷達(dá)勻速掃描模式已不適用，需設(shè)計優(yōu)化收發(fā)天線掃描同步技術(shù)；同時，克服天線旁瓣和主瓣交疊時導(dǎo)致的雜波干擾，提高發(fā)射機功率和天線增益的利用率。空間同步的策略有：a)發(fā)射機窄波束掃描，接收機寬波束泛光照射；b)發(fā)射機窄波束掃描，接收機多波束接收；c)發(fā)射機寬波束泛光照射，接收機天線窄波束掃描；d)發(fā)射機寬波束泛光照射，接收機多波束接收；e)發(fā)射機窄波束和接收機窄波束同步掃描。具體實施時，通常采用“脈沖追趕”方式的收發(fā)射機窄波束同步掃描策略，即控制接收機天線波束追趕發(fā)射機天線波束在空間傳播的位置，使可能的目標(biāo)回波落在接收波束之內(nèi)。對于單基地雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)，各雷達(dá)具有獨立接收機，融合中心接收各雷達(dá)原始信號的數(shù)字采樣后，采用適當(dāng)?shù)奶幚矸椒▽⑼粋€目標(biāo)回波信息的數(shù)字采樣關(guān)聯(lián)起來。其難點在于各雷達(dá)分辨單元不完全重合，天線掃描不完全同步，脈沖重復(fù)頻率不同，而目標(biāo)是隨機走動的。針對天線掃描不完全同步而目標(biāo)隨機走動，可根據(jù)多部雷達(dá)布站結(jié)構(gòu)、天線轉(zhuǎn)速、載頻、帶寬、相參積累時間、重點目標(biāo)最大運動速度等系統(tǒng)參數(shù)，在允許的目標(biāo)測量方位差、距離差、多普勒差內(nèi)，確定檢測級可融合區(qū)域，實現(xiàn)某一重點區(qū)域或某一重點目標(biāo)的融合。針對各雷達(dá)分辨單元不完全重合，同一目標(biāo)的雷達(dá)回波信號可能出現(xiàn)在各雷達(dá)相互交錯的若干個分辨單元中，常用的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法有區(qū)域中心決定法和基于局部雷達(dá)分辨單元質(zhì)心的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法等。區(qū)域中心決定法利用待檢單元的中心來確定需要關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)單元，只需計算待檢單元中心點在各雷達(dá)的坐標(biāo)系中所處位置就可以確定關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，保證融合中心每一待檢單元必定能夠一一關(guān)聯(lián)。基于局部雷達(dá)分辨單元質(zhì)心的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法其實是一種修正的區(qū)域中心決定法。該方法首先找出各雷達(dá)的分辨單元的質(zhì)心，每個質(zhì)心就代表融合中心的一個分辨單元。然后找出每個質(zhì)心所在的各雷達(dá)分辨單元，并剔出完全重合的分辨單元即可。除此以外，對于分布式檢測，可以借用數(shù)據(jù)級信息融合的配準(zhǔn)方法，通過坐標(biāo)變換、時間插值、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、融合估計的方法實現(xiàn)空間配準(zhǔn)[1,3]。
4發(fā)展趨勢
多雷達(dá)聯(lián)合檢測效能的發(fā)揮，取決于系統(tǒng)內(nèi)所有層次、所有元素、所有功能的協(xié)同最優(yōu)。從信息處理層次，多雷達(dá)聯(lián)合檢測的發(fā)展趨勢體現(xiàn)在以下幾個方面：首先，積極探索以MIMO雷達(dá)為代表的新體制多雷達(dá)系統(tǒng)[15]，提升雷達(dá)感知能力。MIMO雷達(dá)利用稀疏排列的發(fā)射天線單元實現(xiàn)空間分集，還可對目標(biāo)采用“凝視”處理，提高速度分辨能力；可在發(fā)射域形成零點，獲取低可探測目標(biāo)的截獲能力。其次，未來的多雷達(dá)聯(lián)合檢測系統(tǒng)應(yīng)針對敏感區(qū)域和敏感目標(biāo)，統(tǒng)一調(diào)度體系內(nèi)所有區(qū)域、所有平臺、所有類型的雷達(dá)裝備，實現(xiàn)波形、頻率、時間、能量、極化等探測資源的科學(xué)分配和探測模式的有效規(guī)劃，逐漸從傳統(tǒng)的裝備協(xié)同進一步發(fā)展為精細(xì)化的基于認(rèn)知的探測資源協(xié)同。第三，未來的多雷達(dá)聯(lián)合檢測系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)體系內(nèi)各探測節(jié)點自主認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)帶寬極限和雷達(dá)裝備特性，自適應(yīng)生成傳輸信號量、統(tǒng)計量、判決量等不同粒度信息，并基于認(rèn)知學(xué)習(xí)優(yōu)化融合，從傳統(tǒng)的單源單粒度信息融合轉(zhuǎn)變?yōu)槿慈６刃畔⑷诤稀５谒模磥淼亩嗬走_(dá)聯(lián)合檢測系統(tǒng)應(yīng)在統(tǒng)一的系統(tǒng)架構(gòu)內(nèi)，面向任務(wù)調(diào)用物理層、處理層的所有資源，并基于效果評估和環(huán)境知識學(xué)習(xí)實現(xiàn)調(diào)用策略的最優(yōu)化。
5結(jié)論
隨著未來戰(zhàn)爭逐步從能量型向智能型轉(zhuǎn)變，以精確化打擊、全方位縱深、非接觸式作戰(zhàn)、一體化作戰(zhàn)為主要特征的作戰(zhàn)樣式日益復(fù)雜，對預(yù)警探測系統(tǒng)也提出了更高的要求。多雷達(dá)聯(lián)合檢測是發(fā)展空間攻防信息系統(tǒng)中預(yù)警探測系統(tǒng)和地海空天一體化戰(zhàn)區(qū)探測系統(tǒng)過程中必不可少的前瞻性技術(shù)。本文對多雷達(dá)組網(wǎng)檢測的系統(tǒng)架構(gòu)、檢測技術(shù)、同步技術(shù)進行了研究，重點對分布式檢測和集中式檢測的基本機理和處理得益進行了分析論證，結(jié)合布站、同步等工程因素，指出上述處理方法存在的難點和不足。最后，指出多雷達(dá)組網(wǎng)檢測的發(fā)展趨勢，除了研制新體制雷達(dá)，也在于現(xiàn)有雷達(dá)資源的量化管理以及更為靈活的多粒度融合方法。注重系統(tǒng)架構(gòu)的頂層設(shè)計，推進多雷達(dá)聯(lián)合檢測的不斷發(fā)展完善。
作者：徐勇，劉文松；翟海濤 單位：中國電子科技集團公司