基于特征值的雷达组网检测性能分析方法*

2010-04-27邱超凡

舰船电子工程 2010年12期

李浩邱超凡

(解放军炮兵学院五系42队合肥 230031)

1 引言

随着当前各种类型的雷达不断涌现,以及所谓“四大威胁[1]”的严重制约,将各种不同类型的雷达组网检测必将是未来雷达发展的趋势,自然对雷达组网检测性能的分析成了重中之重。

一个优秀的雷达网络必须以提高该体系网络化检测性能为设计目标。其中,设计和使用雷达组网时迫切需要解决的关键问题是定量分析雷达网的检测性能。基于此,就要寻找一种新的数学模型和方法来描述和分析雷达网络的检测性能,以期掌握雷达在组网情况下的变化规律。

2 雷达组网检测概述

2.1 雷达组网的定义[2]

雷达组网是指将多部不同体制、不同频段、不同工作方式、不同极化方式的雷达或者无源侦察装备适当布站,借助于通信手段链接成网,由中心站统一调配而形成的一个有机整体。从定义可知,雷达组网系统可由雷达这种传感器和诸如无源侦察装备之类的电子支援措施(ESM)传感器组成。雷达和ESM传感器通过“分布检测,集中处理;主动为主,被动为辅”的技术机制形成一个有机整体,从而完成整个覆盖范围内的检测、定位等任务。

2.2 雷达组网的基本形式

雷达组网从组网类型上来说,可以分为如下三大类:1)单基地雷达组网,这种组网要求雷达的发射和接收都由同一部雷达完成,即单基工作体制。2)双(多)基地雷达组网,这种组网要求组网中对同一个发射机部署多个分开的接收机,即双(多)雷达体制。3)单基地、双(多)基地雷达混合组网,这种组网是收发异地和单基、双(多)基混合组网,集合了上述两种方式的共同优点。

2.3 雷达组网的优势

雷达组网实现了收发装置在空间位置的分离,有效提高了目标的检测性能。这种布局与单基雷达和双基地雷达相比优势明显,使雷达组网系统的作用范围最优化了。雷达组网使其检测性能有了较大飞跃,增强了电子抗干扰能力,提高了抗反辐射能力,可以有效地检测隐身目标,改善了低空性能。

2.4 雷达组网的检测技术

雷达组网的主要任务是提取目标的位置坐标、运动参数的信息,但在某些情况下,检测目标即弄清目标的性质可能更重要,具有很大的军用价值。雷达检测技术实质上是一种高频电磁波发射与接收技术。雷达波由自身激振产生,直接向目标发射射频电磁波,通过波的反射与接收获得目标的采样信号,再经过硬件、软件及图文显示系统得到检测结果。雷达波虽然频率很高、波长很短,但同样遵守波的传播规律,即也有入射、反射、折射与衰变等传播特点,人们正是利用这些特点,为目标状态检测服务,满足了无损、快速、高精度的检测要求。

雷达检测的工作过程是由发射天线发送出一高频电磁脉冲波,目标系统的结构层可以根据其电磁特性如介电常数来区分,当相邻的结构层材料的电磁特性不同时,就会在其界面间影响射频信号的传播,发生透射和反射。一部分电磁波能量被界面反射回来,另一部分能量会继续穿透界面而进入下一层介质材料。各界面反射电磁波由天线中的接收器接收,并由主机记录,利用采样技术将其转化为数字信号进行处理。根据测到的精确时间t值可求得目标体的位置和距离,即“时距法”检测。这样,可对各测点进行快速连续地检测,并根据反射波组的波形与强度特征,通过数据处理得到雷达剖面图像。通过多条测线的检测,即可知道目标分布情况。

3 雷达网络模型的构建与网络检测性能的度量

3.1 定义雷达网络模型中的各组成要素[3～5]

雷达网络结构模型(如图1)的建立,应具有网络的数学结构,即将该结构视为由链路连接节点的集合,节点是网络的基本元素,主要包括雷达、决策者、响应者及目标等,这些元素构成一个闭合环。具体来看,可视该体系中的一个要素为一个网络节点。各组成要素做如下定义:

1)决策者(D):它可以是人,也可以是其他实体。接收并及时进行分析处理各类雷达传递过来的信息,同时决策当前和将来其他节点的部署;2)雷达(S):检测目标信息并接收其它节点传送过来信息,同时发送这些信息给决策者;3)响应者(I):接收决策者的指令,与其他要素相互作用并影响其节点的状态;4)目标(T):所有具有军事价值的节点,但不包括雷达、决策者和响应者。

对上述节点各要素的定义作五点说明:1)雷达是客观的武器装备,节点中各雷达传递的信息是否被正确接收与决策能力无关,它只与雷达性能的好坏有关;2)所有的雷达信息必须至少经过一个决策者才可以转化为具体行动,因此,“雷达至决策者”是允许的,而“雷达至响应者”则视为非法;3)节点组成中的各要素是有“立场”特性的(如:敌、友、中立等);4)连接各节点、各要素的链路是有方向性的,例如雷达传递信号给决策者或者雷达检测目标都是一种链路,决策者向响应者、雷达等发出指令或者响应者与其他要素的相互作用,也可视为链路;5)目标属于任意一方,而不止是指敌方,包括除了雷达、决策者和响应者以外的具有军事价值的节点。

3.2 构建雷达网络的环模型[3-7]

要充分发挥雷达网络所产生的检测性能,就得依赖于节点与节点、节点与各组成要素及各要素间各条链路的动态交互,而环是由链路与节点组成,其特殊结构能反映节点与节点以及节点间各要素的相互作用,能体现雷达组网工作的价值。因此,利用环模型能较好描述雷达组网的实际,能度量其检测性能。当然,如果该网络体系中没有环,就不存在从节点出发并能够返回该节点的回路,也就不会产生有用的网络化检测性能。而用邻接矩阵可以对雷达网络体系的环模型进行数学描述。如图1所示的网络则可以完全等价于如下所示的邻接矩阵。

图1 一个简单的环网络

在图1中,从决策者D至目标T没有链路,而目标T至雷达S1之间则有一条链路。邻接矩阵中的“1”表示从行节点(要素)至列节点(要素)之间有一条链路,“0”表示两个节点间没有链路(链路的方向反映在邻接矩阵中都是由行指向列)。

3.3 基于雷达网络环模型的网络检测性能度量方法

非负矩阵 Perron-Frobenius理论[8]证明了每个非负方阵A都有一个非负特征值λ,其数值不小于A的任何一个特征值的模数,这个特征值λ称为非负方阵A的最大特征值。现在已经构建了雷达网络的环模型和与此相关的邻接矩阵,而且又因为邻接矩阵是非负矩阵,因此由Perron-Frobenius定理知:矩阵至少存在1个实的、非负最大特征值λPFE(Perron-Frobenius eigenvalue,PFE),所以该体系的检测性能可以用通过计算该邻接矩阵特征值的方法度量,特征值越大,则表示该体系的检测性能越高,而对于任何一个N×N的邻接矩阵而言,其特征值λPFE不大于N。网络检测性能度量公式可表示为:

如图 1所示的网络,其邻接矩阵的特征值λPFE=1.3532,则该雷达网的检测性能为:

4 算例分析[6～8]

某指挥自动化中心按图2的方式将所属的雷达进行组网,度量该站内所属的雷达体系(假设网络内有数量相同的Ⅰ型和Ⅱ型雷达若干个,不考虑外界干扰)的网络检测性能。

图2 雷达网络

如图2所示的网络则可等价于如下邻接矩阵。

而图1中Eposition=27.06%。同理,如图1所示的网络,现在去掉响应者(I)到雷达(S2)(在图上反映为I→S2)这条链接,则所示的网络也可等价于邻接矩阵,其邻接矩阵的特征值λPFE=1.1892,此时该雷达网的检测性能为:Eposition=23.78%。

同理,如图2所示,现在去掉3号雷达(I1)到 4号雷达(I2)(在图上反映为I1→I2)这条链接,则所示的网络的邻接矩阵的特征值 λPFE=1.743,此时该雷达网的检测性能为:Eposition=29.05%。

综上,图2所示雷达网的特征值λPFE=1.835最大,其检测性能Eposition=30.58%最高。

这个算例充分体现了网络环模型和邻接矩阵在雷达组网检测性能分析中的重要作用,由此算例得出结论,在组网编制相同的情况下,雷达组网的优势是明显的,即雷达组网的检测性能要高于未组网的雷达的,原因在于雷达体系不仅实现了“雷达至决策者”(在图上反映为S→D)的功能,网络链路数也较未组网时增加,因此网络检测性能较后者高。