CN109738889A - 一种认知型线调频脉冲航海雷达系统的探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航海雷达技术领域，具体是一种认知型线调频脉冲航海雷达系统的探测方法。所述方法包括参数可控的线调频脉冲雷达发射信号波形，发射脉冲波形参数控制准则，发射脉冲波形参数的控制算法，发射脉冲波形参数的控制流程，杂波的多分集解相关处理与目标检测处理和雷达目标及其环境回波的信息感知。本发明方法具有强的杂波(特别是海杂波)抑制能力，更高的目标分辨性能和更小的距离盲区，更稳健的目标检测和跟踪性能，是一种环境友好型的雷达探测方法。

Description

一种认知型线调频脉冲航海雷达系统的探测方法

技术领域

本发明涉及航海雷达技术领域，具体是一种认知型线调频脉冲航海雷达系统的探测方法。

背景技术

目前，不管是传统的磁控管脉冲雷达还是近年刚开始推广应用的线调频脉冲压缩雷达，其工作模式一直是采用发射脉宽和脉冲重复频率等参数随工作量程手动改变而变换的固定参数工作模式，波形参数和信号特性完全未能响应探测空间的目标及其邻近杂波分布特性和水域地理环境特性。近量程下的窄脉冲模式雷达探测距离有限，导致对较距离目标无法进行可靠的跟踪监视，而转大量程监视远距离目标时，对远距离目标需要重新建立跟踪，远近目标的监视与跟踪难以兼顾。进一步地，工作在不同类型水域时，由于雷达环境特性不同，航海雷达常常不必要全方位发射探测脉冲，同时在探测目标时也常常不必要地使用了过多的能量，雷达效能无法针对各个目标加以优化，未能实现高效节能的探测，未能尽可能地减小雷达对环境电磁辐射影响。为此，依据认知雷达的技术思想，航海雷达应对雷达环境的感知信息具有认知分析能力，并依此对发射信号参数进行选择控制，以使雷达的工作模式与其探测的环境相匹配，以与环境友好的绿色方式进行目标探测。

近年来，认知雷达技术的研究成果发展迅速，特别是在全自适应波形最优化研究和一些成本不敏感的军事应用领域，在航海雷达等一些普通民用应用领域尚未引起足够的重视。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种认知型线调频脉冲航海雷达系统的探测方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种认知型线调频脉冲航海雷达系统的探测方法，包括以下步骤：

A、参数可控的线调频脉冲雷达发射信号波形的控制产生：窄、中、宽三个脉冲组成一个脉冲组，各脉冲带有相应的控制系数，改变三个控制参数可实现子脉宽、子脉冲间隔、子脉冲调制带宽和组重复周期等波形参数的控制；

B、发射脉冲波形参数控制准则：按检测性能要求，根据目标和杂波分布特性参数的认知结果，改变波形参数以使发射信号的能量、带宽和时间间隔适应目标动态分布特性；在没有目标的方位区间停止发射，在有目标的方位区间以最少的发射能量满足不同距离和不同信杂比下的目标检测性能要求；

C、发射脉冲波形参数的控制算法：波形控制参数取值由控制执行器根据工作存储器的雷达工作场景感知信息进行调整，根据探测性能的要求，建立波形参数和波形控制参数的对应关系，根据控制参数取值设计有48组不同的发射脉冲组波形；将距离分为三个区域，则根据目标距离分布，建立发射信号波形参数的控制模式；控制执行器利用工作存储器记录的有关目标及其邻近杂波分布特征的认知信息，在所设定的虚警概率下，评估当前目标的发现概率，从而判定发射波形控制参数是否需要调整；

D、发射脉冲波形参数的控制流程：发射波形参数控制包含感知和认知两个基本阶段；

雷达场景感知阶段的基本流程如下：1)系统初始探测和控制参数初始设置；2)根据GIS信息和陆地区感知算法完成对陆地和非雷达检测区域的雷达回波信号掩膜处理；3)目标空间分布特性分析；4)更新感知存储器的信息记录并经分析处理后更新工作存储器；5)结束此感知阶段的感知探测；

发射信号认知控制阶段的基本流程如下：1)从工作存储器和控制执行存储器读取认知信息和前次的控制参数，根据控制策略，更新控制参数；2)根据新的控制参数计算可获得的脉冲积累数M，并向检测器发送M参数，和控制发射信号以M个脉冲为一组进行连续发射；3)在第二组发射后读取认知信息，并预估和判断发现概率是否达到要求，根据“发射脉冲波形参数控制准则”确定是否需要调整控制参数；4)在工作存储器增量所确定的方位范围内重复进行2)～3)的过程；5)将工作存储器地址加地址偏移量11，重复1)～4)的过程，直至完成本次天线方位扫描周期的认知控制；6)将本阶段1)～5)的过程连续进行P个天线方位扫描周期(P可根据目标运动情况和目标距离确定，当有近距离快速运动目标存在时，P应适当减小)，回到阶段1)；

E、杂波的多分集解相关处理与目标检测处理：利用脉冲组内宽窄不同的多脉冲之间、多脉冲组之间和天线方位多扫描之间的相关处理，对海杂波进行时间分集、空间分集和频率分集的解相关处理，减弱杂波的相关性，增强目标回波的信杂比，进而提高非相参积累下的目标检测性能；

F、雷达目标及其环境回波的信息感知：通过多脉冲、多脉冲组和多扫描的回波相关处理，给出雷达杂波强度全方位的实时动态分布图，并建立与杂波分布相匹配的恒虚警率检测门限；

G、雷达目标及其环境回波的信息认知：通过与电子海图和AIS目标的位置和尺寸等辅助信息的融合处理，对目标分布、岸线等工作水域地物分布和杂波强度分布的感知信息进行参数化的认知分析，建立以方位为索引雷达目标及其环境的认知数据的记录存储器结构，包括最近目标距离和最远目标距离，该方位上回波强度最弱的参考目标的距离及其信杂比、均值和标准差估计值等。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

由于目前，船舶导航雷达的工作模式一直是采用发射脉宽和脉冲重复频率等参数随工作量程变换的固定参数工作模式，波形参数完全未与目标空间分布特性和雷达工作水域特性等因素发生联系。

1.与目标及其邻近杂波环境相匹配的雷达探测，目标检测性能取决于信杂比，在给定的杂波强度下，目标可得到的信杂比取决于信号能量，根据目标和杂波分布特征的认知分析，调整波形控制参数，使得信号能量满足检测性能要求。

2.更强的杂波(特别是海杂波)抑制能力

通过波形参数可控的窄中宽三脉冲组成的脉冲组，提供了时间、空间和频率域上的多分集解相关处理增益，降低了杂波(特别是海杂波)的相关性，提高雷达抑制能力。

3.更高的目标分辨性能和更小的距离盲区。在提供满足检测性能要求所需要的信号能量的同时，窄中宽三脉冲的相关处理具有高的距离分辨率和小的距离盲区。

4.更稳健的目标检测和跟踪性能。基于环境信息的感知和认知的波形参数调整，使得各种强弱不同的目标，能够通过信号能量的自适应调整而保持信杂比的稳定，从而获得更稳健的目标检测和跟踪性能。

5.环境友好型的雷达探测。无目标的方位区间停止发射，有目标的方位区间，根据目标的距离远近和信杂比强弱，按着检测性能的要求，调整发射信号能量，以尽可能少的辐射能量满足雷达探测要求，在满足雷达探测性能要求的条件下尽可能减小多余的辐射干扰。

附图说明

图1是认知型线调频脉冲航海雷达系统的探测方法所用的发射波形图；

图2是由3个子脉冲构成的发射脉冲组结构示意图；

图3是发射信号认知控制阶段信号发射控制单元工作流程；图中Add₀：下个记录数据的起始地址，Add_n：已处理的记录个数，Bear₀：当前工作存储器记录数据的方位，Bear_n：已处理的记录方位个数，Bear_c：当前方位，K：已发射的信号组数，AddN：记录数据总数，PN：认知方位扫描周期计数器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。

一种认知型线调频脉冲航海雷达系统的探测方法，包括以下步骤：

A、产生图1所示的参数可控的脉内线调频信号波形：窄、中、宽三个脉宽为W_i＝α_iW_oi的脉冲(i＝1,2,3)组成一个脉冲组(简称组合脉冲)，W_oi为第i个脉冲的基准脉宽，为固定值，各脉冲带有相应的控制系数α_i，改变控制系数α_i可实现各子脉宽、子脉冲间隔、子脉冲调制带宽和组重复周期等波形参数的控制；

各波形参数取值如表1所示。

表1控制参数和波形参数表

调频脉冲信号波形为

其中，T_j为该组发射信号的第i(i＝1,2,3)个脉冲基准间隔时间，T_i＝α_iT_0i+Δ_i，i＝1,2,3，Δi为避免距离模糊所插入的随机时延，α_i为第i个发射脉冲信号的参数控制系数；

[ε₁,ε₂,ε₃]＝[1,1,0.5]，u_i(t)为信号的复包络。

其中，K_i为该组发射信号的第i个脉冲的调频斜率K_i＝K_0i/α_i ²；第i个脉冲的调制带宽为B_i＝K_iW_i。

B、发射脉冲波形参数控制准则(如表2所示)：按检测性能要求，根据目标和杂波分布特性参数的认知结果，改变波形参数以使发射信号的能量、带宽和时间间隔适应目标动态分布特性；在没有目标的方位区间停止发射，在有目标的方位区间以最少的发射能量满足不同距离和不同信杂比下的目标检测性能要求；

表2波形控制系数准选择准则示例表

C、发射脉冲波形参数的控制算法：波形控制参数取值由控制执行器根据工作存储器的雷达工作场景感知信息进行调整，根据探测性能的要求，建立波形参数和波形控制参数的对应关系，根据控制参数取值设计有48组不同的发射脉冲组波形；将距离分为三个区域，则根据目标距离分布，建立发射信号波形参数的控制模式；控制执行器利用工作存储器记录的有关目标及其邻近杂波分布特征的认知信息，在所设定的虚警概率下，评估当前目标的发现概率，从而判定发射波形控制参数是否需要调整；

表3发射周期与波形参数的关系

D、发射脉冲波形参数的控制流程(见图3)：发射波形参数控制包含感知和认知两个基本阶段；

雷达场景感知阶段的基本流程如下：1)系统初始探测和控制参数初始设置；2)基于有GIS信息的陆地区域和非雷达检测区域的雷达回波信号掩膜处理；3)目标空间分布特性分析；4)更新感知存储器的信息记录并经分析处理后更新工作存储器；5)结束此感知阶段的感知探测；

发射信号认知控制阶段的基本流程(见图3)如下：1)从工作存储器和控制执行存储器读取认知信息和前次的控制参数，根据控制策略，更新控制参数；2)根据新的控制参数计算可获得的脉冲积累数M，并向检测器发送M参数，和控制发射信号以M个组合脉冲为一组进行连续发射；3)在第二组发射后读取认知信息，并预估判断发现概率是否达到要求，根据“发射脉冲波形参数控制准则”确定是否需要调整控制系数；4)在工作存储器增量所确定的方位范围内重复进行2)～3)的过程；5)将工作存储器地址加地址偏移量11，重复1)～4)的过程，直至完成本次天线方位扫描周期的认知控制；6)将本阶段1)～5)的过程连续进行P个天线方位扫描周期(P可根据目标运动情况和目标距离确定，当有近距离快速运动目标存在时，P应适当减小)，回到阶段1)；

E、杂波的多分集解相关处理与目标检测处理：利用脉冲组内宽窄不同的多脉冲之间、多脉冲组之间和天线方位多扫描之间的相关处理，对海杂波进行时间分集、空间分集和频率分集的解相关处理，减弱杂波(特别是海杂波)的相关性，增强目标回波的信杂比，进而提高非相参积累下的目标检测性能；

F、根据接收机目标检测单元的目标检测结果和杂波参数估计值确定目标的空间分布和感知信息，并建立感知记录；

G、对感知记录信息中的目标分布和杂波强度特性的感知信息进行参数化的认知分析，建立以方位为索引雷达目标及其环境的认知信息数据记录，包括最近目标距离和最远目标距离，该方位上回波强度最弱的参考目标的距离及其信杂比、均值和标准差估计值等。

上述认知型线调频脉冲航海雷达系统，包括雷达发射机、雷达接收机、目标检测处理单元、感知存储器单元、场景认知单元、工作存储器单元和元控制执行单元；所述的雷达发射机用以发射波形参数随雷达环境变化的由三个线性调频子脉冲构成的组合脉冲微波信号；所述的雷达接收机用以接收由发射机发射信号经反射产生的回波信号，通过匹配接收和加窗处理，实现脉冲压缩和时间旁瓣抑制；所述的目标检测处理单元用以对经脉冲压缩后的回波数字视频信号进行子脉间和组合脉冲间的非相参积累处理和杂波抑制处理即目标检测处理；并利用电子海图信息和AIS信息实现陆地回波掩膜及目标检测；给出雷达目标空间分布特性的感知、雷达杂波统计特性参数估计和陆地回波分布等，并将这些感知信息存入感知存储器单元；所述的感知存储器单元以方位为索引，用以存储目标空间分布的感知信息和雷达杂波强度及弱目标的目标回波强度及雷达工作水域地理环境的感知信息，并在感知工作期间完成静态背景的检测处理，作为陆地感知信息进行记录，所存信息按天线扫描周期进行更新；所述的场景认知单元针对来自感知存储器的目标感知信息，利用AIS和GIS辅助信息和岸线检测与陆地区域判定算法，对陆地区域进行认知，对目标空间分布特性、杂波分布特性进行参数化的认知分析，实现雷达系统对目标分布区域及杂波环境及费雷达探测区域的认知功能，并将认知信息以方位为索引存入工作存储器；所述的工作存储器单元用以存储全部目标存在方位上的有关目标距离分布状态及其杂波环境的认知信息；所述的控制执行单元基于来自工作存储器的认知信息，根据波形选择准则，产生波形控制参数，控制发射机产生所需的发射信号，并计算个子脉冲的最小作用距离和最大作用距离以及可实现的组合脉冲积累数，将这些参数送接收机的非相参积累检测处理器，控制实现对回波信号的非相参积累处理和目标检测处理；此外，控制执行器还控制实现对雷达的感知工作状态和认知控制工作状态的转换控制。

Claims (1)

1.一种认知型线调频脉冲航海雷达系统的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、参数可控的线调频脉冲雷达发射信号波形的控制产生：窄、中、宽三个脉冲组成一个脉冲组，各脉冲带有相应的控制系数，改变三个控制参数可实现子脉宽、子脉冲间隔、子脉冲调制带宽和组重复周期等波形参数的控制；

B、发射脉冲波形参数控制准则：按检测性能要求，根据目标和杂波分布特性参数的认知结果，改变波形参数以使发射信号的能量、带宽和时间间隔适应目标动态分布特性；在没有目标的方位区间停止发射，在有目标的方位区间以最少的发射能量满足不同距离和不同信杂比下的目标检测性能要求；

C、发射脉冲波形参数的控制算法：波形控制参数取值由控制执行器根据工作存储器的雷达工作场景感知信息进行调整，根据探测性能的要求，建立波形参数和波形控制参数的对应关系，根据控制参数取值设计有48组不同的发射脉冲组波形；将距离分为三个区域，则根据目标距离分布，建立发射信号波形参数的控制模式；控制执行器利用工作存储器记录的有关目标及其邻近杂波分布特征的认知信息，在所设定的虚警概率下，评估当前目标的发现概率，从而判定发射波形控制参数是否需要调整；

D、发射脉冲波形参数的控制流程：发射波形参数控制包含感知和认知两个基本阶段；

雷达场景感知阶段的基本流程如下：1)系统初始探测和控制参数初始设置；2)根据GIS信息和陆地区感知算法完成对陆地和非雷达检测区域的雷达回波信号掩膜处理；3)目标空间分布特性分析；4)更新感知存储器的信息记录并经分析处理后更新工作存储器；5)结束此感知阶段的感知探测；

发射信号认知控制阶段的基本流程如下：1)从工作存储器和控制执行存储器读取认知信息和前次的控制参数，根据控制策略，更新控制参数；2)根据新的控制参数计算可获得的脉冲积累数M，并向检测器发送M参数，和控制发射信号以M个脉冲为一组进行连续发射；3)在第二组发射后读取认知信息，并预估和判断发现概率是否达到要求，根据“发射脉冲波形参数控制准则”确定是否需要调整控制参数；4)在工作存储器增量所确定的方位范围内重复进行2)～3)的过程；5)将工作存储器地址加地址偏移量11，重复1)～4)的过程，直至完成本次天线方位扫描周期的认知控制；6)将本阶段1)～5)的过程连续进行P个天线方位扫描周期(P可根据目标运动情况和目标距离确定，当有近距离快速运动目标存在时，P应适当减小)，回到阶段1)；

E、杂波的多分集解相关处理与目标检测处理：利用脉冲组内宽窄不同的多脉冲之间、多脉冲组之间和天线方位多扫描之间的相关处理，对海杂波进行时间分集、空间分集和频率分集的解相关处理，减弱杂波的相关性，增强目标回波的信杂比，进而提高非相参积累下的目标检测性能；

F、雷达目标及其环境回波的信息感知：通过多脉冲、多脉冲组和多扫描的回波相关处理，给出雷达杂波强度全方位的实时动态分布图，并建立与杂波分布相匹配的恒虚警率检测门限；

G、雷达目标及其环境回波的信息认知：通过与电子海图和AIS目标的位置和尺寸等辅助信息的融合处理，对目标分布、岸线等工作水域地物分布和杂波强度分布的感知信息进行参数化的认知分析，建立以方位为索引雷达目标及其环境的认知数据的记录存储器结构，包括最近目标距离和最远目标距离，该方位上回波强度最弱的参考目标的距离及其信杂比、均值和标准差估计值等。