中速搜索引导长驻留采集的搜索调度方法

孙泽林，胡 进

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，江苏 南京 211106)

雷达信号侦察系统利用雷达侦察设备截获敌方雷达辐射信号，通过对雷达信号的测量、分析、定位及识别，获取雷达的特征参数及技术参数，掌握雷达的类型、功能、用途、部署等情报[1]，对制定雷达作战计划和发展雷达对抗设备具有重要意义。为使雷达侦察系统快速截获雷达信号，充分发挥雷达信号侦察系统性能[2]，需要有效的搜索调度策略，合理制定安排搜索任务[3-4]。

当前雷达对抗侦察系统多采用周期步进式搜索方式，侦察较为盲目，系统工作效率低[5]。为了提高雷达信号侦察系统的侦察效率，本领域开始了对雷达信号截获问题的研究，例如采用窗口函数对截获概率进行分析[6-7]，推导得到截获概率与截获时间的关系公式。文献[8]进一步研究了周期脉冲信号的截获问题，解决了侦察系统和雷达目标之间的“同步问题”，但该方法需要较多的雷达目标先验信息。文献[9]采用遗传算法对搜索任务进行调度，任务时间精度可达到ms级，但适应度函数构建复杂，先验信息要求较高，实际使用受到限制。文献[10～11]采用权值分区的方法，按区域的重要程度分配不同的系统资源。文献[12]对机载预警雷达的波位编排与搜索时间和探测威力参数计算进行了详细分析。文献[13]将跟踪雷达截获目标过程分为落入探测区域和发现目标两个过程，分析了目标指示精度对截获概率的影响。

本文研究对象是空域宽开的雷达信号侦察系统，采用中速搜索引导长驻留采集的搜索调度方法，对搜索驻留时间进行了优化设计。

1 雷达信号截获及概率分析

1.1 截获概率窗口函数模型

雷达信号侦察系统截获雷达信号过程可分为两步——信号发现和信号识别，也称为前端截获和辐射源截获。信号的发现是由侦察系统的前端接收机通过搜索和检测完成的；信号的识别主要包括脉冲分选和识别，主要通过系统的信号处理完成。本文研究的截获仅限于发现信号，即前端脉冲截获。侦察系统的截获性能可由一定时间内的截获概率表示，是侦察系统的一个重要性能指标。

侦察系统截获信号需要同时满足空域、时域、频域等多个条件，可通过窗口函数模型[14]对截获概率进行分析。而在空域宽开的雷达信号侦察系统中，仅需在时域和频域上进行搜索，由此得到一个3窗口的函数模型，如图1所示。

每个窗口函数进行定义如下：频域扫描窗口f1(T1,1)

(1)

其中，Tf为扫频周期；B频率扫描范围；b为接收机瞬时带宽。

雷达目标空域搜索窗口f2(T2,2)

(2)

其中，Tr为目标雷达天线扫描周期；2为波位驻留时间；θr为目标雷达天线波束宽度；Ω为目标雷达空域扫描范围。

雷达发射脉冲f3(T3,3)

(3)

其中，Tp为脉冲重复周期；p为脉冲宽度。

1.2 截获概率数学分析

根据上述的M(M=3)个窗口函数模型，假设任一窗口函数起始相位是随机的，且各个窗口函数相互独立[15]。则窗口同时重叠的平均持续时间0为

(4)

窗口任意时刻重合的概率P0

(5)

窗口的平均重叠周期T0可表示为

(6)

假设截获事件为泊松随机过程，其强度为λ=1/T0，则T时间内发生k次截获的概率为

(7)

在T时间内，至少发生一次截获的概率为

(8)

2 中速搜索引导长驻留采集算法

雷达信号侦察系统的驻留时间指搜索驻留在某种特定状态的时间。在这段时间内，侦察系统可接收该特定状态参数范围内的信号。在空域宽开的雷达信号侦察系统中，驻留时间是指在频率扫描时的频点驻留时间，根据驻留时间的长短，分为中等驻留时间模式和长驻留时间模式[16]。

中等驻留时间模式是指雷达信号侦察系统能够接收到1个雷达脉冲的驻留时间。设m为中等驻留时间，按照先验知识得到雷达信号侦察系统可能接收到的最大脉冲重复周期(Pulse Repetition Interval，PRI)，记为PRImax。其设计要求为

(9)

长驻留时间模式是指雷达信号侦察系统能够接收到多个脉冲序列的驻留时间。设l为长驻留时间，N表示能够分选出雷达脉冲序列所需最短序列的脉冲数。其设计要求为

(10)

中等驻留时间模式截获概率高、搜索周期短，但不能分析雷达信号的频率及周期结构；长驻留时间模式虽可以分析雷达信号的频率及周期结构，但截获概率比较低、搜索周期长。

中速搜索引导长驻留采集算法可分为两种状态：以中等驻留时间为搜索驻留时间，用以快速发现信号；若发现信号则转为长驻留时间，采集雷达脉冲序列。采用此种算法可以结合两种驻留模式的优点，并克服它们的缺点，既能快速搜索扫描，也可以截获脉冲序列用于后续的信号处理。同时，该算法合理分配了系统资源，在可能存在目标的重点频段采用长驻留时间，而在普通频段采用较短的驻留时间。算法工作流程如图2所示。

每当中速搜索发现一个目标信号时，就需将驻留时间调整为长驻留时间。所以在此算法中，搜索周期Tml与发现目标信号的数目有关。设发现目标信号的数目为n，侦察系统驻留的频点个数为Nf，则

Tml=(Nf-n)·m+n·l

(11)

3 仿真分析

3.1 仿真参数设计

在雷达信号侦察系统接收范围内设置3个雷达目标，雷达目标的参数如表1所示。

表1 雷达目标参数

针对空域宽开的雷达信号侦察系统，仅需在频域上进行扫描，频率扫描范围为2.5～3.5 GHz，接收机瞬时带宽为50 MHz，则频点个数Nf为20；最大脉冲重复周期PRImax为10 ms，由式(9)得中等驻留时间m=10 ms；能够分选出雷达脉冲序列所需最短序列的脉冲数N为6，由式(10)可得长驻留时间l=N·PRImax=60 ms；常规均匀搜索下的搜索周期Tl=Nf·l=1.2 s；根据式(11)可得，在中速搜索时发现目标信号个数n=3时，中速搜索引导长驻留采集算法的搜索周期为Tml=0.35 s。雷达信号侦察系统在两种算法下的参数如表2所示。

表2 雷达信号侦察系统参数

3.2 结果分析

图3～图5分别为中速搜索引导长驻留采集模式及常规均匀搜索模式对雷达目标1～3的截获概率随截获时间的变化情况。可以看出，截获目标的参数不同，截获概率也不同，但随着时间的增加，截获概率都逐渐增大。在截获时间相同时，本算法的截获概率均大于常规均匀算法。

中速搜索引导长驻留采集算法采用分步引导的方式，首先用中等驻留时间快速搜索，找出目标所在频点，然后转为长驻留时间截获雷达脉冲序列，用于脉冲分选和进一步的信号处理。

因此，在满足可截获雷达脉冲序列、获取雷达信号参数的条件下，对两种算法进行对比分析。以达到90%截获概率所需时间T，即在时间T内侦察系统对目标信号至少发生一次截获的概率为90%作为指标，对比中速搜索引导长驻留采集和常规均匀搜索的截获效果，如表3所示。

表3 达到90%截获概率所需时间

通过表3的对比可以发现，3个目标达到90%截获概率所需时间都不相同，但都随着雷达目标天线扫描周期的增加而增大。相比于常规均匀搜索方法，采用中速搜索引导常驻留采集的搜索方法可明显降低截获时间，且雷达目标天线的扫描周期越大，截获性能提升更显著。以上数据充分证明了中速搜索引导常驻留采集搜索方法的有效性。

4 结束语

本文面向空域宽开的雷达信号侦察系统，根据截获发生条件，构建截获概率窗口函数模型，分析了多维联合空间下的截获概率。采用中速搜索引导长驻留采集的方法对雷达信号侦察系统的驻留时间进行优化设计。仿真结果表明，该算法通过中速搜索和长驻留采集的驻留时间分配，合理调度了系统资源，并有效提高了系统的截获性能，为现有的侦察系统设计和研究提供了有益参考。