淺談多雷達組網檢測系統技術范文

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摘要：基于航跡融合的多雷達組網性能依賴于雷達單體的能力。基于多傳感器信息融合理論，研究多雷達組網系統檢測級融合，通過信號層的能量積累，改善對弱小目標的發現能力；為此，首先研究多雷達組網檢測的系統架構，重點研究集中式和分布式兩種多雷達檢測方法，結合工程實施，分析性能得益以及存在的不足，并研究相關的同步技術等；結合戰爭需求分析多雷達聯合檢測的發展趨勢。

關鍵詞：信息融合；多雷達檢測；系統結構；分布式檢測；集中式檢測

現代戰爭已經變成系統與系統、體系與體系的對抗，單一探測手段已無法滿足作戰需要。如衛星、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70年代開始，多傳感器信息融合技術迅速發展，并在軍事指揮、智能交通、氣象預報、醫療診斷、管理決策等眾多軍民領域得到廣泛應用。多雷達組網探測便是多傳感器信息融合的典型應用。廣義上講，多雷達組網系統由空間分散部署的若干發射機、接收機、發射-接收機組成[1]。既包括多基地雷達系統，也包括多個單基地雷達構成的組網系統。相比于單部雷達獨立探測，多雷達組網探測體現出體系對抗能力，其優勢在于[2]：a)有效擴展系統時空覆蓋范圍，取得超越單部雷達連續跟蹤、狀態估計和目標識別性能；b)一體化的態勢顯示能力；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狀態估計進行融合；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，傳統的多雷達組網探測便是基于位置級融合和屬性級融合展開的；態勢評估和威脅估計是對戰場上戰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展，信息化條件下高技術戰爭特點集中體現在武器制導的遠程化和精確化，作戰平臺的小型化和隱形化，這要求多雷達組網探測系統具備更遠的作用距離、更高的探測精確度、更突出的低可探測目標發現能力。在單部雷達方位積累和時間積累改善信噪比的基礎上，可采用多雷達聯合檢測技術，通過多部雷達信號層的信息交互，實現低可探測目標在雷達間的回波能量積累，抑制隱形目標的“閃爍效應”，改善系統發現能力。可以認為，多雷達聯合檢測滿足未來戰爭對預警監視系統的技術需求，符合未來探測系統發展趨勢。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勢所在。自1980年起，國際上就興起多雷達聯合檢測的研究，但研究領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，麻省理工大學的研究人員開創性地基于貝葉斯準則推導分布式檢測的局部最優判決[4]。在此基礎上，美國雪城大學的研究團隊就分布式檢測的融合準則與局部判決優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。美國康涅狄格大學的研究團隊在美國海軍實驗室水下戰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，美國羅德島大學的研究團隊就基于原始信號融合的集中式檢測若干關鍵問題展開研究[8]。概括起來，上述研究可以分為2大類：多雷達本地檢測門限、融合中心融合準則的優化研究；多粒度信息融合的研究。我國以清華大學、海軍航空工程大學、北京航空航天大學、西安電子科技大學、國防科技大學、中國電子科技集團公司為代表的科研院所在這一領域開展了大量工作[9-12]。

1系統框架

多雷達聯合檢測系統設計的核心是以戰場一體化探測系統建設需求為牽引，采用自上而下的設計方法，構建功能完善、層次分明、要素齊全的系統架構。從系統功能講，與傳統的多雷達組網探測系統相似，多雷達聯合檢測具備情報收集、預警監視處理、綜合保障、態勢展現和情報分發等功能。從信息處理層次講，整個系統架構由物理層、處理層、策略層3個層次構成，并包含任務管理和環境知識2部分。1)物理層：包含聯合戰場所轄各雷達裝備、通信設備以及附屬配套設備，實現戰場環境的聯合感知和信息傳輸。2)處理層：包含信號量、統計量、檢測量等多粒度信息的生成和融合等。3)策略層：依據任務輸入，生成多雷達協同運用和信息處理方法的綜合策略，實現面向任務的一體化系統架構最優處理。物理層、處理層、策略層均可基于環境知識優化各層內部資源的協同。同時，通過任務管理實現層與層之間協同優化，在整個體系內形成完整閉環。依據信息處理層次來分析系統要素：1)物理層：從探測裝備講，包含聯合戰場所轄岸基、艦載、機載、球載、星載等平臺的雷達裝備；從網絡設備講，包含微波、光纖、電纜、網絡均衡等各種器材設備及相應附屬信息；從配套設備講，包含發電機、配電站、油料庫等。2)處理層：從信息粒度角度講，包含雷達裝備生成的信號量、統計量、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：從任務角度講，包含弱小目標發現策略、高速目標處理策略、抗有源干擾處理策略、抗無源干擾處理策略等。

2檢測技術

多雷達聯合檢測分為集中式檢測和分布式檢測2種處理方式，可依據系統實施條件選擇。集中式檢測是將系統內各雷達原始探測信息直接傳輸到融合中心進行融合判決。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，但相干處理復雜度高。以多基地雷達為例，發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。雷達探測的軍事目標如飛機、艦船等都有復雜的幾何外形，其尺寸一般都遠大于大多數微波雷達的波長，雷達回波是目標不同部位(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。對于組網雷達，利用大范圍空間分級接受目標散射信號時，由于視角的差異，多站接收的信號一般無法保證相干性。除非目標是各向同性的散射體(球狀)。因此，要實現信號相參處理，雷達布站必須滿足短基線條件，使各雷達能以相近視角探測目標，以滿足相干性條件。

3同步技術

同步技術的核心在于尋求多雷達對同一目標或者同一區域的觀測數據，其方法的選擇與雷達體制有關。依據是否采用一體化設計，分多基地雷達系統與單基地雷達組網系統2部分內容闡述同步技術。對于多基地雷達系統，發射機與接收機之間的同步采用一體化設計，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。時間同步的策略有3種：a)將發射機發射脈沖直接傳輸給接收機，接收機解調后實現同步；b)發射機和接收機分別安裝高精確度、高穩定度原子鐘，獨立校鐘作為時間基準；c)發射機發送直達信號，接收機提取時間同步信息。目前，常采用的是第3種方法，具體實施時根據應用場合選擇直達信號傳輸途徑。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，可選擇架設光纖傳輸；在發射機和接收機之間無遮擋時，如高處架設的遠程警戒雷達，可選擇激光傳輸；對于民用的、保密性要求較低的場合，可選用衛星傳輸。相位同步是指采用相同頻率的收發射機保持相參，以滿足脈沖壓縮和動目標檢測的需求，實施策略與時間同步策略相似。空間同步是指發射機和接收機天線波束同時指向同一區域，接收機才能收到回波。此時，傳統的單基地雷達勻速掃描模式已不適用，需設計優化收發天線掃描同步技術；同時，克服天線旁瓣和主瓣交疊時導致的雜波干擾，提高發射機功率和天線增益的利用率。空間同步的策略有：a)發射機窄波束掃描，接收機寬波束泛光照射；b)發射機窄波束掃描，接收機多波束接收；c)發射機寬波束泛光照射，接收機天線窄波束掃描；d)發射機寬波束泛光照射，接收機多波束接收；e)發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”方式的收發射機窄波束同步掃描策略，即控制接收機天線波束追趕發射機天線波束在空間傳播的位置，使可能的目標回波落在接收波束之內。對于單基地雷達組網系統，各雷達具有獨立接收機，融合中心接收各雷達原始信號的數字采樣后，采用適當的處理方法將同一個目標回波信息的數字采樣關聯起來。其難點在于各雷達分辨單元不完全重合，天線掃描不完全同步，脈沖重復頻率不同，而目標是隨機走動的。針對天線掃描不完全同步而目標隨機走動，可根據多部雷達布站結構、天線轉速、載頻、帶寬、相參積累時間、重點目標最大運動速度等系統參數，在允許的目標測量方位差、距離差、多普勒差內，確定檢測級可融合區域，實現某一重點區域或某一重點目標的融合。針對各雷達分辨單元不完全重合，同一目標的雷達回波信號可能出現在各雷達相互交錯的若干個分辨單元中，常用的數據關聯算法有區域中心決定法和基于局部雷達分辨單元質心的數據關聯算法等。區域中心決定法利用待檢單元的中心來確定需要關聯的數據單元，只需計算待檢單元中心點在各雷達的坐標系中所處位置就可以確定關聯的數據，保證融合中心每一待檢單元必定能夠一一關聯。基于局部雷達分辨單元質心的數據關聯算法其實是一種修正的區域中心決定法。該方法首先找出各雷達的分辨單元的質心，每個質心就代表融合中心的一個分辨單元。然后找出每個質心所在的各雷達分辨單元，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，可以借用數據級信息融合的配準方法，通過坐標變換、時間插值、數據關聯、融合估計的方法實現空間配準[1,3]。

4發展趨勢

多雷達聯合檢測效能的發揮，取決于系統內所有層次、所有元素、所有功能的協同最優。從信息處理層次，多雷達聯合檢測的發展趨勢體現在以下幾個方面：首先，積極探索以MIMO雷達為代表的新體制多雷達系統[15]，提升雷達感知能力。MIMO雷達利用稀疏排列的發射天線單元實現空間分集，還可對目標采用“凝視”處理，提高速度分辨能力；可在發射域形成零點，獲取低可探測目標的截獲能力。其次，未來的多雷達聯合檢測系統應針對敏感區域和敏感目標，統一調度體系內所有區域、所有平臺、所有類型的雷達裝備，實現波形、頻率、時間、能量、極化等探測資源的科學分配和探測模式的有效規劃，逐漸從傳統的裝備協同進一步發展為精細化的基于認知的探測資源協同。第三，未來的多雷達聯合檢測系統應實現體系內各探測節點自主認知網絡帶寬極限和雷達裝備特性，自適應生成傳輸信號量、統計量、判決量等不同粒度信息，并基于認知學習優化融合，從傳統的單源單粒度信息融合轉變為全源全粒度信息融合。第四，未來的多雷達聯合檢測系統應在統一的系統架構內，面向任務調用物理層、處理層的所有資源，并基于效果評估和環境知識學習實現調用策略的最優化。

5結論

隨著未來戰爭逐步從能量型向智能型轉變，以精確化打擊、全方位縱深、非接觸式作戰、一體化作戰為主要特征的作戰樣式日益復雜，對預警探測系統也提出了更高的要求。多雷達聯合檢測是發展空間攻防信息系統中預警探測系統和地海空天一體化戰區探測系統過程中必不可少的前瞻性技術。本文對多雷達組網檢測的系統架構、檢測技術、同步技術進行了研究，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，指出多雷達組網檢測的發展趨勢，除了研制新體制雷達，也在于現有雷達資源的量化管理以及更為靈活的多粒度融合方法。注重系統架構的頂層設計，推進多雷達聯合檢測的不斷發展完善。

作者：徐勇，劉文松；翟海濤 單位：中國電子科技集團公司