信號偵察在海上預警探測系統(tǒng)中的應用

張建軍，張云龍

(1.中國人民解放軍91404部隊，河北秦皇島 066001;2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

近年來，現(xiàn)代航空技術和隱身技術得到飛速發(fā)展。海上預警探測中，飛機、艦艇、無人機和導彈等主要目標越來越現(xiàn)代化、小型化和隱身化，加之敵先進干擾技術的綜合運用，使得目標環(huán)境日趨復雜，極大地影響著情報雷達對目標的探測和跟蹤，給有源雷達的搜索、發(fā)現(xiàn)和目標識別帶來了極大的困難。然而，信息優(yōu)勢是當前軍事斗爭中克敵制勝的關鍵因素［1］，為了有效地利用信息，使信號偵察在復雜電磁環(huán)境下以及目標隱形化的預警探測中發(fā)揮重要的作用，戰(zhàn)場的指揮、控制、情報、導航、雷達、遙測遙控、敵我識別和氣象等數(shù)據(jù)信息以及信號都需要進行有效地傳輸，由此也為信號偵察在預警探測中發(fā)揮重要的作用提供了有利條件［2］。研究信號偵察系統(tǒng)在預警探測中的應用，可對海上預警探測網(wǎng)絡體系的建設提供技術支持，使海上預警探測體系建設更加完善，有效保障海軍艦艇編隊的作戰(zhàn)應用。

1 海上作戰(zhàn)預警探測體系的構成

隨著電子信息技術的飛速發(fā)展及其在軍事系統(tǒng)中的大量應用，使現(xiàn)代海軍已有可能對整個海戰(zhàn)場敵我態(tài)勢有全面、即時的了解，對己方部隊進行實時的指揮與控制。美國海軍提出“網(wǎng)絡中心戰(zhàn)”［3］的概念，強調(diào)戰(zhàn)勝敵人的主要因素是能比敵人更快地獲得和傳遞更多的戰(zhàn)場信息，即獲得信息優(yōu)勢。近年來，各國海軍綜合利用各種電子信息裝備和武器系統(tǒng)，確保自己獲取、處理、傳輸和利用信息，建設自己的軍事信息處理系統(tǒng)(簡稱C4KISR系統(tǒng))。而預警探測體系通過保障目標源的探測與跟蹤成為了C4KISR系統(tǒng)中獲取信息優(yōu)勢的關鍵［4］。預警探測系統(tǒng)是指利用各種基于信息技術的預警手段和方法，預防來自大氣層外的空襲，監(jiān)視對國家安全造成威脅的外國軍用航天器等的自動化系統(tǒng)，包括預警探測信息的收集、傳遞和處理3大環(huán)節(jié)［5］，主要由雷達、光電和電子偵察等探測裝備組成。

雷達是海軍艦艇或飛機等作戰(zhàn)平臺上預警探測體系中必不可少的重要裝備，可用于預警監(jiān)視、目標指示、武器制導與火控以及導航和空中交通管制等。根據(jù)用途其主要分為對空警戒雷達、中近程對空對海搜索雷達、艦載相控陣雷達、艦炮火控雷達、艦載導彈制導雷達及機載預警雷達等。

光電紅外探測系統(tǒng)是現(xiàn)代艦艇預警探測體系中的重要組成部分，目前艦艇上裝備的主要光電設備有光電跟蹤儀、激光測距儀和目標指示器、紅外跟蹤儀、紅外警戒系統(tǒng)、潛望鏡和潛艇光電桅桿等，主要用于對目標的觀察、搜索、捕獲、跟蹤、識別和測量。在大多數(shù)情況下，光電紅外探測設備與雷達配合使用，作為互相補充的探測手段。

電子戰(zhàn)裝備主要包括雷達對抗、通信對抗、光電對抗、水聲對抗、導航對抗及引信對抗敵我識別對抗等領域，通常由于使用環(huán)境的限制而有各自不同的應用。例如，海戰(zhàn)中，艦艇主要面臨機載導彈和艦艦導彈的威脅，且艦上空間小，難以安裝大量電子戰(zhàn)裝備，艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)主要用于艦艇自身的防御，以干擾導彈的探測系統(tǒng)。故此海軍作戰(zhàn)艦艇常用艦載電子戰(zhàn)裝備為雷達對抗裝備、光電對抗裝備和水聲對抗裝備。由于電子對抗裝備具有一定的電磁探測能力，也成為艦艇預警探測體系中的一個重要組成部分。

2 海上作戰(zhàn)預警探測體系面臨的主要問題

預警探測系統(tǒng)無論是在戰(zhàn)爭時期還是在和平時期，都堅持著全天候晝夜值班狀態(tài)，在盡可能遠的警戒距離內(nèi)，實現(xiàn)對目標的精確定位，參數(shù)測定和目標性質(zhì)識別，為軍事指揮系統(tǒng)提供更多的預警時間，以防敵人的突然襲擊。優(yōu)秀的預警探測系統(tǒng)能夠做到盡快提供敵方攻擊警報，可以應對和防止敵方的戰(zhàn)略空襲，這對于戰(zhàn)略部隊的生存至關重要，預警探測系統(tǒng)的早期預警能力直接影響著戰(zhàn)爭的走向。

一個多世紀以來，雷達作為主要的探測和信息獲取的手段，一直隨著應用需求的不斷更新和無線電技術的進步得到創(chuàng)新發(fā)展，特別是軍事應用的需求，極大地推動了雷達技術的不斷突破［6］。從防撞、預警、定位到準確探測和目標識別，雷達設計師們一直在試圖挖掘隱含在回波中的各種目標信息，隨著精確打擊的需要，不僅要求雷達能精確定位目標的空間位置，更要求雷達能獲取目標的特征，從而為指揮員提供更精確的目標圖像，以便進一步采取相應措施應對，這也為預警探測系統(tǒng)提出了更高的要求。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭是由存在于陸、海、空、天等空間的系統(tǒng)構成的大系統(tǒng)所進行的體系與體系之間的對抗，這也預示著預警探測體系將面臨各種各樣的困難。近年來隨著美軍隱身飛機頻頻亮相，隱身技術已為公眾所矚目，成為各國在軍事高技術競爭中競相爭奪的一張重要“王牌”。隱身技術是改變武器裝備等目標的可探測信息特征，使敵方探測系統(tǒng)不易發(fā)現(xiàn)或發(fā)現(xiàn)距離縮短的綜合性技術。隨著隱身理論研究及其應用技術的不斷深入和拓展，以及在現(xiàn)代戰(zhàn)爭探測防御系統(tǒng)飛速發(fā)展的推動下，隱身技術正在不斷地向各類武器系統(tǒng)滲透。隱身技術的應用，不僅大大提高了軍事目標的隱蔽性能，而且增強了武器的突防和攻擊能力。隱身己成為武器裝備發(fā)展的重要特征，也是信息化戰(zhàn)爭的必然趨勢。

隱身武器投入使用后，打破了已形成的攻防平衡態(tài)勢，給以雷達為核心的預警探測體系帶來了巨大的挑戰(zhàn)。隱身技術的飛速發(fā)展使得雷達小目標如無人機、隱身目標及巡航導彈等，具有散射面積小、機動性和續(xù)航能力強、可超低空飛行以及威脅程度高等特點，加之復雜電磁環(huán)境及隱身技術常用的突發(fā)性通信手段，這使得預警探測體系中對空情報雷達的探測距離大大減小，難以可靠、連續(xù)地檢測目標，發(fā)現(xiàn)難，跟蹤難，對預警探測系統(tǒng)造成了巨大威脅，給現(xiàn)代雷達防空系統(tǒng)提出了巨大的挑戰(zhàn)，對作戰(zhàn)樣式和防御系統(tǒng)建設產(chǎn)生了重大影響。因此，必須對預警探測系統(tǒng)進行改進與完善，建立一套行之有效的防空預警探測系統(tǒng)是抗擊隱身武器攻擊的當務之急。

3 偵察技術在預警探測系統(tǒng)中的應用

信號偵察是通信對抗的基礎與前奏，旨在運用靈敏度很高的無線電接收設備，偵聽敵方的無線電信號，查明其技術參數(shù)(主要是工作頻率和發(fā)射功率)和信號特征(主要是信號傳輸體制和調(diào)制方式);運用無線電測向設備測定其位置，為對它實施通信干擾和實體摧毀提供依據(jù)。由于復雜電磁環(huán)境及隱身技術常用的突發(fā)性通信手段對于預警探測系統(tǒng)有著較大的影響，而相應的信號偵察技術很好地解決了此問題。

當前體系對抗的需求對通信對抗系統(tǒng)提出了極為復雜苛刻的要求。從偵察效率出發(fā)，要求速度快，能夠對復雜環(huán)境中的各類信號開展高概率截獲和偵測;從偵察平臺出發(fā)，要求達到通用化、模塊化、標準化，以適合機載、艦載等多種安裝平臺要求;從特殊需求出發(fā)，要考慮直擴、跳頻和猝發(fā)信號的偵察;從對網(wǎng)絡偵察出發(fā)，要考慮復雜的數(shù)學運算;從情報偵察和支援偵察出發(fā)，對速度、內(nèi)容要求各有不同;從發(fā)展的角度出發(fā)，要求具有升級能力，保證對新信號的適應性;從網(wǎng)絡中心戰(zhàn)和綜合一體化的要求出發(fā)，要求接口、總線、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議相互兼容，可以互聯(lián)互通。信號偵察的主要功能為:

①具有通信信號頻譜的全頻段或分頻段顯示功能，能完成對目標信號的實時監(jiān)視和自動搜索;

②能夠依靠人工和自動的手段實現(xiàn)對通信信號調(diào)制體制識別，并具有對信號的調(diào)制參數(shù)(包括調(diào)制系數(shù)、信號帶寬、載頻及碼速率等)的測量功能，建立輻射源目標特征庫;

③能夠根據(jù)信號的識別結果，實時或離線完成信號的解調(diào)，獲取情報內(nèi)涵信息;

④能夠對通信信號進行寬帶或窄帶測向，具有交匯定位功能和目標態(tài)勢顯示功能。

從以上對信號偵察的功能和性能要求的分析可以看出，信號偵察在海上作戰(zhàn)預警探測體系建設中可以發(fā)揮獨到的作用。由于海上作戰(zhàn)不同于地面作戰(zhàn)，發(fā)生在遠離陸岸的海區(qū)，交戰(zhàn)雙方的指揮、控制、協(xié)同配合和情報傳輸只能靠唯一的手段——無線電通信來完成。特別是隱身武器為了達到精確的打擊目的，必須依靠實時的、連續(xù)的通信組織和引導，即便是自身實行無線電靜默，也要通過無線電通信實現(xiàn)全程的指揮和控制。因此，充分利用信號偵察探測手段，對敵方通信實施長期和臨戰(zhàn)相結合的搜索、識別、監(jiān)視、測試、記錄、分析和處理，不僅可以掌握敵方通信系統(tǒng)的組織特點，活動規(guī)律和技術性能等，且可對其兵力活動情況實施監(jiān)視，了解其軍事動向，獲得大量戰(zhàn)略、戰(zhàn)役和戰(zhàn)術情報，并可根據(jù)偵察的通信信號及早獲取敵方隱身武器的攻擊態(tài)勢信息，從而彌補預警探測體系的缺陷，這對于控制海上和空中電磁環(huán)境及戰(zhàn)場主動權有著重要意義。

對于連續(xù)的信號偵察檢測可以綜合考慮頻率、帶寬和場強等多種信息，得到初步的信號參數(shù)列表，在后處理上強化對信號的波形、參數(shù)的分析建庫和匹配識別能力，通過對電磁背景、民用目標以及低威脅等級目標、狀態(tài)穩(wěn)定已知未變的信號進行篩除，凈化信號環(huán)境，解決信號多的問題;通過對信號波形、信號參數(shù)與樣本庫的匹配識別，在一定程度上實現(xiàn)對目標的識別，其主要檢測流程如圖1所示。

圖1 基于FFT的寬頻段內(nèi)信號檢測流程

算法1通過對M幀F(xiàn)FT幅度譜的統(tǒng)計分析，實現(xiàn)對持續(xù)信號的檢測。檢測步驟如下:

①計算每幀數(shù)據(jù)的FFT，F(xiàn)FT結果取模后輸出瞬時幅度譜，F(xiàn)FT點數(shù)可設;

②一路瞬時幅度譜送入最大保持模塊，計算瞬時最大保持譜;

③一路瞬時幅度譜送入滑動平均模塊，輸出平均譜，平均次數(shù)L可設;

④當達到平均次數(shù)后，最小保持模塊記錄平均譜最小值，輸出最小保持平均譜;

⑤瞬時最大保持譜與最小保持平均譜差分運算后輸出差分譜，當統(tǒng)計幀數(shù)超過M時，累積模塊將差分累積譜送至峰值融合信號搜索模塊，此時差分累積譜中只存在突發(fā)信號;

⑥信號搜索模塊基于峰值融合策略完成信號搜索，計算搜索到的每個信號的中心頻率、帶寬與信噪比;由于是基于差分譜完成的信號搜索，因此，搜索到的信號能量反映的既是信噪比;

⑦每完成一幀數(shù)據(jù)的計算，幀計數(shù)器加1，當統(tǒng)計幀數(shù)超過M時，重置幀計數(shù)器、最大保持模塊與累積模塊。

4 偵察技術在預警探測系統(tǒng)中的應用

在復雜電磁環(huán)境下，監(jiān)測頻段內(nèi)信號密集、種類繁多，通聯(lián)規(guī)律不定，持續(xù)時間不一，且高速跳頻、猝發(fā)等新體制通信信號越來越廣泛的應用等都給預警探測體系帶來了困難。

隱身技術常用的突發(fā)性通信通過信息壓縮、短時發(fā)送來降低被截獲的概率，增加截獲的難度，而且不易冒充和欺騙。其優(yōu)點是在窄帶帶寬下也能發(fā)送大量的數(shù)據(jù)，通信時間短，隱蔽性好。突發(fā)信號最顯著的特點就是通信時間短，一次通信時間一般在100～600 ms左右，且目前已出現(xiàn)持續(xù)時間50 ms的猝發(fā)信號，并且信號出現(xiàn)時刻是隨機的，如何捕獲、分析突發(fā)信號一直以來都是通信信號檢測工作中的難點，這也直接關系到預警探測體系的性能。寬帶內(nèi)對于突發(fā)信號進行檢測，流程如圖2所示。

圖2 突發(fā)信號實時檢測流程

算法2通過對M幀F(xiàn)FT幅度譜的統(tǒng)計分析，實現(xiàn)對突發(fā)信號的檢測。具體算法步驟如下:

①計算每幀數(shù)據(jù)的FFT，F(xiàn)FT結果取模后輸出瞬時幅度譜，F(xiàn)FT點數(shù)可設;

②一路瞬時幅度譜送入最大保持模塊，計算瞬時最大保持譜;

③一路瞬時幅度譜送入滑動平均模塊，輸出平均譜，平均次數(shù)L可設;

④當達到平均次數(shù)后，最小保持模塊記錄平均譜最小值，輸出最小保持平均譜;

⑤瞬時最大保持譜與最小保持平均譜差分運算后輸出差分譜，當統(tǒng)計幀數(shù)超過M時，累積模塊將差分累積譜送至峰值融合信號搜索模塊，此時差分累積譜中只存在突發(fā)信號;

⑥信號搜索模塊基于峰值融合策略完成信號搜索，計算搜索到的每個信號的中心頻率、帶寬與信噪比;由于是基于差分譜完成的信號搜索，因此，搜索到的信號能量反映的既是信噪比;

⑦每完成一幀數(shù)據(jù)的計算，幀計數(shù)器加1，當統(tǒng)計幀數(shù)超過M時，重置幀計數(shù)器、最大保持模塊與累積模塊。

5 信號偵察在海戰(zhàn)預警系統(tǒng)中的幾點建議

現(xiàn)代戰(zhàn)爭表明，精確制導技術的發(fā)展使精確摧毀目標成為可能，但它是以及時發(fā)現(xiàn)和跟蹤監(jiān)視目標為前提的，只有對情報進行快速處理，以及對目標進行快速發(fā)現(xiàn)與識別，才能做到快速決策、快速反應和有效打擊，才能贏得最終的勝利，如果沒有強大的預警探測系統(tǒng)，再先進的武器、再強大的作戰(zhàn)力量也難以贏得作戰(zhàn)勝利［7］。因此，及時、連續(xù)高概率的發(fā)現(xiàn)低空/隱身目標，是對其進行正確識別和穩(wěn)定跟蹤的前提，繼而分配火力，以迅速、準確、突然、猛烈的火力抗擊，殺傷目標，從而完成防空任務。

以美國為首的發(fā)達國家，紛紛以網(wǎng)絡和信息柵格作為信號感知、信號處理、信息傳輸、信息交換和信息獲取的平臺，從而保證在網(wǎng)絡中心戰(zhàn)概念下“從傳感器到射手”等先進戰(zhàn)略戰(zhàn)術思想的實現(xiàn)，因此，在作戰(zhàn)實踐中通信裝備的使用是必不可少的，甚至是使用的更多更全面，這就為通信偵察在海上作戰(zhàn)預警探測體系的建設中發(fā)揮重要作用提供了可能［8］。

由此提出以下3點建議:

①加強信號偵察系統(tǒng)的建設。盡可能在作戰(zhàn)艦艇上配裝信號偵察系統(tǒng)，通過預警探測系統(tǒng)的集成改造，把信號偵察融入整個海上預警探測體系之中，發(fā)揮信號偵察對敵方攻擊武器指揮、控制信號的發(fā)現(xiàn)、識別和早期探測的優(yōu)勢，為預警探測系統(tǒng)提供早期預警信息。

②進行多平臺信號偵察系統(tǒng)組網(wǎng)應用系統(tǒng)的建設。通過多平臺交匯定位功能，可盡早確定敵方攻擊武器的位置信息。同時，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)鏈信息系統(tǒng)功能，實現(xiàn)信號偵察系統(tǒng)信息共享，從而擴大海上預警探測范圍，縮短海上預警探測時間［9］，為防御武器預警抗擊提供寶貴的時間。

③注重通信信號數(shù)據(jù)庫的建設。制定通信信號特征描述規(guī)范，研究確定通信信號識別參數(shù)，加強平時外軍通信信號偵收、儲存、識別和分析工作，特別是加強對潛在敵方導彈制導、控制數(shù)據(jù)鏈信號的偵察和分析，掌握其信號特征，努力從信號識別向信號指紋識別過渡，從而為戰(zhàn)時快速、高效的發(fā)現(xiàn)、識別及跟蹤敵方攻擊武器奠定技術基礎［10］。

6 結束語

預警探測系統(tǒng)是一個龐大的系統(tǒng)工程，常規(guī)的探測方法已難以適應隱身技術給攻擊武器帶來的發(fā)展，而指揮控制的通信需求及裝備的信息化建設卻為信號偵察在預警探測中發(fā)揮作用提供了極大的發(fā)展空間和良好的發(fā)展機遇，一體化開發(fā)建設對預警探測系統(tǒng)的發(fā)展會有很大的促進作用。 ■

［1］電子戰(zhàn)技術與應用—通信對抗篇編寫組.電子戰(zhàn)技術與應用—通信對抗篇［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［2］詹 毅.通信偵察技術未來發(fā)展方向探討［J］.通信對抗，2007(1):48－54.

［3］趙 輝，嚴曉芳.美軍天基信息系統(tǒng)與網(wǎng)絡中心站［J］.航天制造技術，2010(3):11 －16.

［4］黃挺松，李長軍.美軍預警探測系統(tǒng)組成概述［J］.中國科技信息，2010(17):32－35.

［5］馮 毅.戰(zhàn)略預警探測系統(tǒng)［J］.信息站論壇，2004(3):87－101.

［6］匡興華.高技術武器裝備與應用［M］.北京:解放軍出版社，2011.

［7］任江河，李文明，郭繼偉.我國戰(zhàn)略預警系統(tǒng)建設急需解決的幾個問題［C］∥軍事電子信息學術會議論文集(下冊)，2012:746－749.

［8］王鴻飛.低空超低空隱身目標預警探測體系建設淺析［C］∥軍事電子信息學術會議論文集(下冊)，2012:767－770.

［9］郎淞茗，洪勁松，王秉中.一種可應用于電磁隱身目標探測的新方法［C］∥全國微波毫米波會議論文集(下冊)，2011:1783－1785.

［10］黃山良，卜 卿，熊朝華.面向反隱身目標的防空探測系統(tǒng)體系結構［C］∥中國電子學會電子系統(tǒng)工程分會第十九屆軍隊信息化理論學術研討會論文集，2011:366－373.