一种基于遗传算法的自适应杂波环境PRT组优化方法

常 城，曲圣杰

（中国电子科技集团公司第38研究所，安徽 合肥 230088）

在地物、海面、云雨、箔条等杂波环境下，为实现目标的有效探测，现代雷达一般会利用目标与杂波径向速度的区别，通过引入MTI或MTD滤波器实现杂波的抑制。但是由于雷达发射期间一般不能接收目标回波、杂波改善因子受限等因素，某些处于距离－多普勒速度盲区的目标无法检测，影响雷达的发现概率。

为减小雷达检测盲区，文献[1]研究了常规机载PD雷达的波形设计问题，并采用遗传算法进行了仿真验证，文献[2]在此基础上提出了全局寻优能力更强的差分进化算法进行优化。文献[3]针对地面中重频PD雷达在地杂波条件下利用遗传算法对脉冲重复周期组进行了优化，文献[4]发现仅考虑地杂波优化得到的波形参数，当存在雨杂波时，雷达检测盲区比例急剧上升。

本文针对地面多普勒雷达，分别就地杂波和雨杂波对雷达检测盲区的影响进行了分析，提出了一种对不同杂波环境下具有较好适应性的脉冲重复周期组优化方法。通过仿真分析，验证了在不同的杂波环境下自适应优化算法的合理性。

1.杂波与雷达检测盲区

1.1 地杂波与雷达检测盲区

针对低重复频率雷达，目标距离不模糊，设目标雷达斜距为R，雷达方位、俯仰波束宽度分别为azθ、θel，雷达、目标高度分别为hr、ht，雷达主波束增益为G(θ)，副瓣平均增益为SL，雷达带宽为B，波长为λ，地杂波后向散射系数为gσ，地球等效半径为er（re=8500km），光速为c，则地杂波总雷达反射截面积（RCS）σc、主波束杂波RCS、副瓣杂波RCS可以分别表示为[5]：

针对中、高重复频率雷达，由于存在距离模糊，存在杂波折叠，与目标检测对抗的杂波较低重复频率雷达要大一个数量级[5]。

地杂波由大量具有随机幅相的散射体组成，其功率谱函数可以用高斯谱来描述[6]：

图1(a)给出了某中重复频率雷达的信杂比仿真结果，图1(b)给出了地杂波条件下雷达检测盲区示意图。由图1可知，地杂波条件下，雷达检测盲区由发射盲区（雷达发射期间不能接收目标回波）、杂波距离遮挡盲区（受系统改善因子限制，滤波后目标信杂比不满足检测要求）以及杂波速度盲区（目标被同频杂波遮蔽，无法检测）三部分组成。

图1 中重复频率雷达信杂比及检测清晰区示意图

1.2 雨杂波与雷达检测盲区

针对低重复频率雷达，雨杂波RCSσc可以表示为[6]：

表1 不同降雨条件下的雨杂波反射系数

雨杂波条件下，雷达检测盲区同样由发射盲区、杂波距离遮挡盲区以及杂波速度盲区三部分组成。

2.基于遗传算法的PRT组优化方法

如图1（b）所示，单一脉冲重复频率的雷达检测盲区较多，无法满足目标的稳定跟踪要求。但不同的脉冲重复频率检测盲区位置不同，因此可以通过设计M（ 1M>）个脉冲重复频率，使用检测准则的方法来减少检测盲区。

受使用要求限制，雷达扫描周期ST一般为一常数，为方便讨论，这里以机扫雷达为例，设第m（m=1，2，…，M）个脉组的相干脉冲数为1mk，填充脉冲数为2mk，脉冲重复周期为mT，雷达每个波位的驻留时间BWT可以表示为：

因此，杂波条件下脉冲重复周期组的优化问题可以概括为：在雷达工作参数（扫描周期ST、距离探测范围minR～Rmax、径向速度探测范围 maxrV± 、虚警概率FP、发射占空比ud、波长λ、带宽B、地杂波改善因子gI、雨杂波改善因子rI等）和外界环境参数（地杂波后向散射系数为gσ、雨杂波反射系数η、雨杂波平均径向速度rrV等）一定的情况下，通过优化M、N以及脉冲重复周期为mT（m=1，2，…，M），使得系统总的清晰区CL取得最大值。将雷达距离-径向速度两维探测范围按距离分辨单元和径向速度分辨单元进行离散，定义搜索向量，即最优搜索向量S应该满足

遗传算法作为一种进化算法，其原理是把需要优化的参数编码成染色体，利用迭代的方式进行选择、交叉、变异等运算，仿效适者生存的演化法则，最终生成符合优化目标的染色体[7]，如图2所示。

图2 遗传算法流程图

将搜索向量S=[M,N,T1,T2,…TM],编码成染色体；初始化一个一定数量的染色体种群，其中每个染色体代表最优化问题的一个解；利用式(8)～(9)对每个染色体计算个体适应度，即系统总的清晰区CL，通过若干次迭代（选择、交叉、变异）后，得到搜索向量S的工程最优解。

3.仿真分析

以C波段相控阵雷达为例，设雷达高度rh=3m，天线转速12转/分钟，发射占空比ud=5%，波长λ=0.055m，地杂波改善因子gI=60dB，雨杂波改善因子rI=45dB。目标RCSσt=0.01m2，距离范围3～50km、径向速度范围±1000m/s。

在不同的杂波条件下，进行两组仿真试验：

仿真条件1：仅考虑存在地杂波的情况下，取地杂波后向散射系数为gσ=-20dB，地杂波速度的标准偏差gvσ=0.32m/s；

仿真条件2：同时考虑地杂波和雨杂波存在，地杂波参数同仿真条件1，取降雨率r=1mm/h，雨杂波速度的标准偏差rvσ=4m/s，雨杂波平均径向速度rrV=8m/s。

设置遗传算法种群数量为200个染色体，迭代次数为50次，交叉概率为70%，变异概率为10%，限定脉组M的搜索范围为3～6组，2NM≤ ≤ ，脉冲重复周期mT（ 1,2,mM= … ）的搜索范围为100～400us。

仿真分析得到的雷达检测清晰区如图3所示，仅考虑地杂波条件时，搜索得到的最优1S=[4，2，468us，488us，400us，380us]，清晰区比例为99.2%（不考虑探测距离范围外的盲区，后同）；同时考虑地杂波和雨杂波时，搜索得到的最优2S=[5，2，232us，192us，168us，144us，352us]，清晰区比例为98.3%。可以看出，在仅存在地杂波的情况下，选用低重复频率较好，在同时存在地杂波和雨杂波的情况下，选用中重复频率较好。

图3 不同杂波条件下的雷达检测清晰区

将两组优化参数应用到不同的杂波环境下，得到的清晰区比例对比如表2所示。可以看出，仅针对地杂波进行优化的参数1S在应用到有雨杂波的条件下时，清晰区比例大幅下降，不能满足系统使用要求，而同时考虑地杂波和雨杂波优化的参数可以大幅提升在两种杂波同时存在时的雷达清晰区。

表2 两组优化参数清晰区比例对比

4.结语

由于发射区间、杂波改善因子受限等因素，某些处于距离-多普勒速度盲区的目标无法检测，影响雷达的发现概率。本文针对地面多普勒雷达，分别就地杂波和雨杂波雷达检测盲区的影响以及不同杂波环境下脉冲重复周期组的优化方法进行了仿真分析，仿真结果表明：相对于仅考虑地杂波的情况，同时考虑地杂波和雨杂波得到的脉组参数可以大幅提升在两种杂波同时存在时的雷达清晰区。