ELINT／ESM系統(tǒng)與有源對抗技術的發(fā)展現(xiàn)狀綜述

余 強，畢大平，2，沈愛國，2，胡懋洋

（1.電子工程學院，安徽 合肥230037；2.安徽省電子制約技術重點實驗室，安徽 合肥230037）

0 引言

雷達對抗偵察作為獲取敵方輻射源信息（包括信號參數(shù)、調(diào)制樣式、輻射源載體等）的重要手段，在關鍵時刻，通過引導干擾源致使敵方失去對電磁頻譜的控制權，能起到扭轉(zhuǎn)戰(zhàn)局的作用。通常按照任務和用途將雷達對抗偵察分為雷達對抗情報偵察（ELINT）和雷達對抗支援偵察（ESM）［1］。

1 無源偵察系統(tǒng)的現(xiàn)狀

二戰(zhàn)以后的冷戰(zhàn)時期，美蘇兩個超級大國開始進行全球性質(zhì)的雷達對抗偵察。隨著知識理論體系、計算機技術、微電子技術的飛速發(fā)展，雷達對抗偵察領域發(fā)生了翻天覆地的變化，形勢多樣的偵察手段對各國的本土安全形成較大的威脅。

1.1 ESM／ELINT 系統(tǒng)的發(fā)展概況

在國際形勢風云變換的今天，各軍事強國的ESM／ELINT 系統(tǒng)從搭載平臺的種類、偵察對象的范圍到任務的艱巨程度都在迅速增加。

1.1.1 任務平臺的組成及特點

ESM／ELINT 任務設備的搭載平臺主要分為潛艇、偵察艦船、陸基、陸航機載、機載、臨近空間飛行器和空間飛行器等，其特點為：系統(tǒng)高度集成，瞬時帶寬達到上百兆赫茲，適應于高密度信號處理，采取寬帶接收機引導窄帶接收機工作的體制，其中寬帶接收機具有100%截獲概率，窄帶接收機靈敏度高，可對低截獲概率（LPI）雷達進行偵察，而其技術革新趨勢則是發(fā)展不斷擴充的傳感器平臺、非合作式雙基地雷達的被動成像偵察技術、戰(zhàn)場情報與態(tài)勢共享技術。

1.1.2 ESM／ELINT 系統(tǒng)面臨的現(xiàn)狀

隨著科技的日益發(fā)展，輻射源的種類不斷增加，致使ESM／ELINT 系統(tǒng)的偵察電磁頻譜范圍由傳統(tǒng)的2～18GHz逐漸向兩邊擴展，尤其是向著高頻率端延伸。例如：利用高功率微波束毀壞敵方電子設備和對人員造成殺傷的高功率微波武器［2］，其輻射頻率通常在1～30GHz范圍內(nèi)，導致強電磁脈沖成為重點關注的對象。新體制雷達的出現(xiàn)使得ESM／ELINT 系統(tǒng)的偵測能力在很大程度上被削弱，LPI雷達采取較小的時寬-帶寬積［3］，以極低的峰值功率探測空間，大幅降低了被偵察設備發(fā)現(xiàn)的概率；MIMO 雷達信號采用發(fā)射分集的技術［4］，以此實現(xiàn)各通道之間信號的獨立特性，對其進行偵察接收，就需要采取不同的發(fā)射分集模型來進行雷達信號偵收的預處理；現(xiàn)階段ESM／ELINT 系統(tǒng)對信號的脈沖描述字（PDW）的測量已經(jīng)不能滿足目前對情報的需求，正在逐漸向?qū)崿F(xiàn)指紋識別［5-6］、脈內(nèi)特征參數(shù)識別、電磁波極化參數(shù)測量方向發(fā)展，以謀求更為全面地描述輻射源特征，甚至獲取輻射源載體信息、威脅等級等情報。

電磁環(huán)境的復雜性也給偵察系統(tǒng)帶來了挑戰(zhàn)，例如：傳統(tǒng)遠洋海戰(zhàn)環(huán)境中通常包括水面艦船、潛艇、飛機等，由于距離陸地較遠，幾乎不會存在民用的輻射信號，而存在多種高占空比輻射源共存和伴隨的近海電磁環(huán)境則顯得極其復雜，導致傳統(tǒng)的ESM／ELINT 系統(tǒng)在近海地區(qū)的性能受到了限制。

1.2 ESM／ELINT 系統(tǒng)的技術體制

按照ESM／ELINT 系統(tǒng)對信號的處理流程，將無源偵察技術按照測頻技術、測向技術、信號預處理技術、信號主處理技術四個方面進行論述。

1.2.1 接收機測頻技術

現(xiàn)代電子戰(zhàn)接收機種類繁多，但總的說來尚無一種接收機能滿足電子偵察的所有要求。傳統(tǒng)的測頻接收機已經(jīng)不能滿足復雜的信號環(huán)境需求，表1［1］比較了各種接收機的性能特點。

通過表1可知，傳統(tǒng)單一體制的測頻接收機難以同時滿足戰(zhàn)時快速截獲與精確測定雷達信號參數(shù)的雙重要求，為了適應瞬時萬變的戰(zhàn)場電磁環(huán)境，需要運用綜合法測頻思想或者是數(shù)字化的方法進行頻率測量，比如利用IFM 接收機以及信道化接收機寬開的技術特點，進行頻率引導和粗測頻，之后則采用具備高靈敏度和頻率分辨力的超外差接收機，進行精確測頻，這樣不僅對輻射源信號的截獲概率達到了百分之百，也保證了能夠準確地檢測信號。

除了采取綜合測頻體制以外，為了能夠截獲和處理復雜多變的輻射源信號，目前各國均在大力研制數(shù)字信道化接收機，目前的數(shù)字偵察接收機具備以下性能：大的瞬時帶寬、信號實時接收以及處理、寬的動態(tài)范圍、高的靈敏度以及頻率分辨力、能分辨時域重疊信號。先進的DSP 技術［7］和計算機控制的數(shù)字化接收機，可以提高裝備適應復雜信號環(huán)境的能力，數(shù)字信道化接收機的系統(tǒng)結構主要分為四類：第一類是運用多通道思想將多部接收機并聯(lián)處理，稱之為單通道數(shù)字化接收機，主要分為：1）中頻數(shù)字信道化接收機，采用模擬混頻器以及濾波器實現(xiàn)信道劃分，之后進行采樣處理，雖然一定程度地降低了系統(tǒng)對ADC 的要求，但穩(wěn)定性較差［8］；2）基于DDC 的數(shù)字信道化接收機，射頻信號進行采樣，通過數(shù)字混頻和濾波實現(xiàn)信道的劃分，能充分發(fā)揮DC 和DSP 的優(yōu)點，由于眾多子信道相互間獨立，故各子信道能根據(jù)任務特點進行特殊設計，擁有很高的靈活性，但當需要較高的測頻精度而增加子信道數(shù)時，則導致硬件資源消耗較大，結構極其復雜，不利于推廣。第二類是基于FFT 的數(shù)字式信道化接收機，其特性是利用快速傅里葉變換建立頻率響應為辛克函數(shù)的頻域濾波器組，實現(xiàn)頻域信道分離技術，但是阻帶衰減較低，一般采用STFT 式信道化接收機可以通過時域加窗的方式提高濾波器組性能，這種接收機結構簡單，運算速率較高，適用于存在大量子信道的接收機，但不能靈活劃分子信道。第三類為基于WOLA 和多相DFT 的數(shù)字信道化接收機，以多相濾波結構提升運算效率，與數(shù)字下變頻濾波器結構相比，硬件資源消耗更小，然而其系統(tǒng)信道的靈活性差，在對未知參數(shù)信號進行偵收時，可能導致一個信號同時出現(xiàn)在多個信道，造成模糊，不能夠滿足對未知參數(shù)的輻射源信號［9］的偵察要求。第四類則為具備前三類接收機優(yōu)點的綜合體制類的信道化接收機，具體有基于樹型結構的數(shù)字信道化接收機、基于PFT／TPFT 的數(shù)字信道化接收機、基于非均勻濾波器組的數(shù)字信道化接收機。以上接收機采用的均勻或者非均勻劃分信道的技術有著一定的局限性，即信道劃分的靈活性與精確性是相互矛盾的，最新研究表明利用動態(tài)信道劃分技術可以通過一定的檢測條件和判決門限，對子信道進行合并或分離，達到“智能化”目的。但是由于目前的檢測技術和判決算法研究還不夠深入，導致動態(tài)信道化接收機存在于理論研究的初級階段。近年來新興的壓縮感知（CS）技術能夠以遠低于奈奎斯特采樣率的速率獲取信號的有效信息，完成AD 轉(zhuǎn)換并且精確地重構信號，在極短的時間內(nèi)覆蓋輻射源工作頻段范圍。

表1 接收機性能比較

1.2.2 測向技術體制

測向技術一般可以分為兩大類［1］，如圖1所示。

圖1 測向技術體制分類

對輻射源測向具有十分重要的意義。現(xiàn)代雷達為提高反偵察能力，雷達信號的參數(shù)常常是多變的，而方位參數(shù)則是相對固定的，通過對方位的測量，可以對不同雷達發(fā)射的脈沖串進行分選，偵察設備可將目標雷達的方位信息用于引導干擾設備實施干擾任務，同時偵察設備可為反輻射導彈提供目標雷達方位粗引導，便于精確打擊，表2 給出了常用測向接收機的性能對比情況［10］。

1.2.3 信號預處理技術

信號的預處理主要分為三部分進行：首先對接收機截獲的信號進行參數(shù)測量等準備工作；其次對信號進行分選，濾除不感興趣的信號，對“敏感信號”重點把控；最后完成數(shù)據(jù)的搜集整理工作。其具體工作流程如圖2所示［1］。

圖2 信號預處理流程圖

一般而言，預處理過程中最為關鍵的是信號分選過程，在此模塊中，接收機會根據(jù)數(shù)據(jù)庫中預先存儲的輻射源文件參數(shù)對截獲的信號進行比較和分選，將“感興趣”的信號從信號流中提取出來，如果由于接收機本身的原因（分選準則、算法）而導致威脅等級較高的信號的丟失，那么整個處理過程就屬于無效操作，從而可能對人員或者設備的安全造成極大的威脅。所以，此處只對輻射源的分選進行概述，目前的主要分選方法有：1）基于PRI的信號分選，主要包括動態(tài)擴展關聯(lián)法［11］，PRI 直 方 圖 法（TOA 差 直 方 圖 法、CDIF、SDIF），基于PRI變換分選算法，基于平面變換的分選算法。2）多參數(shù)匹配法，其中Wikinson和Waston使用AOA、RF、PW 等參數(shù)對處于密集環(huán)境中的輻射源信號進行分選，Mardia提出基于CAM 的多維聚類方案，Hassan提出一種自適應開窗聯(lián)合分選法。3）基于脈內(nèi)調(diào)制特征的信號分選，雷達信號的脈內(nèi)調(diào)制方式可分為脈內(nèi)有意調(diào)制及脈內(nèi)無意調(diào)制［12］。4）基于盲信號處理的信號分選算法，由Herault與Jutten建立了獨立分量分析的一般框架，Comon對此加以描述，Bell通過基于ICA 的信息最大化方法加快算法收斂速度，Te-Won Lee 提出新的ICA 信息最大化算法，Amarillo提出自然梯度算法，國內(nèi)而言，保錚、劉琚及張賢達給出了較為權威的研究［13］。5）聚類分選算法，按照一定相似性度量方法以及相應的評價準則將數(shù)據(jù)庫中的樣本歸類處理，進一步找出數(shù)據(jù)集合內(nèi)在組織結構分析數(shù)據(jù)內(nèi)在聯(lián)系。6）基于神經(jīng)網(wǎng)絡和人工智能技術的信號分選，基于神經(jīng)網(wǎng)絡和人工智能技術的系統(tǒng)在模式識別及分類方面取得了許多卓越成就，它具有解決復雜分類問題的能力，還具有對噪聲和其它干擾的不敏感性等優(yōu)點，因此選擇神經(jīng)網(wǎng)絡來解決信號分選所遇到的瓶頸問題也是一個不錯的研究方向。

表2 常用測向體制性能比較

1.2.4 信號主處理技術

信號的主處理是整個信號處理最重要的階段，該階段主要通過對比數(shù)據(jù)庫中的信號參數(shù)完成對輻射源的識別工作，包括對搭載平臺和武器系統(tǒng)威脅等級的確定等等，對于數(shù)據(jù)庫中尚未出現(xiàn)的信號進行整理和上報，具體流程如圖3所示［1］。

圖3 信號主處理流程圖

輻射源識別作為整個主處理過程的核心，其原理主要是基于信號的特征提取，傳統(tǒng)的PDW 已經(jīng)無法滿足目前的情報需求，人們通過研究發(fā)現(xiàn)利用雷達信號的脈內(nèi)無意調(diào)制特征可以反向推理獲得晶體振蕩器特征、進而確定為以某裝備作為平臺的雷達，完成對情報獲取的最大需求。雷達信號脈內(nèi)調(diào)制特征分析一般通過對采樣的信號進行一定的變換，使信號之間的個體特征更為明顯，達到區(qū)分和識別信號的目的，主要方法有：時域自相關法、調(diào)制域分析法、數(shù)字中頻處理法、時域倒譜法、譜相關法、時頻分布和小波變換法，處理非平穩(wěn)信號十分有效。此外，將Wigner分布用于提取輻射源信號的脈內(nèi)調(diào)制特征能得到很好的效果，Atlas運用算子理論構造類依賴的核函數(shù)以TFD 為特征進行識別，獲得對輻射源個體進行識別的能力，Ioannis采用TFD 以及WT 提取線性以及雙曲線調(diào)頻信號的脈內(nèi)調(diào)制特征［14］。對于數(shù)字調(diào)制信號，Liedtkd提出決策論和統(tǒng)計模式識別的方法。

2 有源干擾技術發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 對頻域參數(shù)測量實施干擾

林志遠、戴國憲分析了IFM 接收機的測頻原理，根據(jù)瞬時測頻接收機不能分辨同時達到的信號，提出了采取多個時域重疊信號干擾瞬時測頻接收機的方法。王柏杉、楊連洪等人針對瞬時測頻接收機無法對單個脈沖內(nèi)出現(xiàn)的多個載頻進行正確測量，提出在脈沖信號前沿產(chǎn)生假載頻的方法，使得接收機在采樣測頻時對假載頻進行測量，從而有效保護真實頻率。畢大平等［15］提出以步進頻率連續(xù)波（SFCW）的形式，在時域上完全掩蓋己方雷達脈沖信號的到達時間，仿真發(fā)現(xiàn)在干信比增加的情況下，測頻誤差隨之增大。對于信道化接收機，針對其特殊的測頻體制，可以采用梳狀譜干擾技術集中干擾幾個頻點，使接收機對常規(guī)雷達信號的測量“誤認為”頻率分集雷達信號，達到欺騙性效果［16］。而數(shù)字化接收機主要由接收和采樣兩部分組成，由于其采樣體制的先進性，傳統(tǒng)的干擾方法很難對其產(chǎn)生影響，對于接收部分，則可以通過增大干擾信號功率與雷達信號功率比值的方法，導致接收部分無法正確檢測，達到干擾目的。

2.2 對空域參數(shù)測量實施干擾

劉有軍定量分析了噪聲干擾對信號截獲部分（基于N-P準則）以及比幅測向系統(tǒng)（模擬雙通道比幅）的干擾效果。另外，分析了發(fā)射和被保護雷達信號同步的相干以及非相干信號，對信號截獲部分和比幅測向的系統(tǒng)的影響。林志遠研究了在現(xiàn)代雷達截獲接收機中得到廣泛應用的掃描恒差比幅測向系統(tǒng)的原理，推導了兩點源電子攻擊時，恒差比幅測向的誤差公式，并提出把該誤差公式作為理論根據(jù)，實施對雷達截獲系統(tǒng)進行空域電子攻擊。部分學者研究了時差定位電子偵察衛(wèi)星采用的經(jīng)典互相關時差估計算法，分析討論了有源干擾對單星和雙星實施干擾的兩種情況，得出對雙星干擾能夠引起時差檢測的偏移，表明了有源干擾對抗電子偵察的有效性?；凇岸鄰叫睂SM系統(tǒng)造成虛警影響的思考，還可以采用同步相干干擾信號進行欺騙干擾。采用相似脈沖進行干擾，要求干擾信號與雷達信號有相同的載頻和脈沖參數(shù)，通過與己方雷達的協(xié)同達到同時工作，保證干擾信號和雷達信號同時進入偵察系統(tǒng)，由于雷達信號與干擾信號的相關性，在干擾源與輻射源異地配置的情況下，使采用比幅法的測向接收機對輻射源的地理位置定位在其與干擾源之間的某處，達到欺騙性干擾的目的。趙銳等提出采取兩相干點源方式，采用兩個在空間上相隔一定距離的干擾輻射源，嚴格控制兩相干干擾信號的功率和相位等參數(shù)，使其合成信號在干涉儀接收天線口徑處發(fā)生相位波前畸變，從而使得干涉儀的角度測量產(chǎn)生較大的虛假誤差。

2.3 對信號分選的影響

2006年，林志遠、陶本仁根據(jù)電子攻擊信號脈沖與被保護雷達信號脈沖在重疊時間大小以及先后到達順序上的不斷變化，使合成信號的幅度發(fā)生起伏，改變了合成信號的脈沖寬度，掩蓋了目標雷達信號的時域參數(shù)，達到干擾分選的效果。王智、李建東等人提出將傳統(tǒng)的固定重頻、抖動重頻、參差重頻、滑動重頻等樣式進行復雜化，達到多重頻樣式影響分選的效果，同時采取線性調(diào)頻＋頻率步進、線性調(diào)頻＋頻率編碼、頻率編碼＋二相編碼、線性調(diào)頻＋二相編碼、非線性調(diào)頻＋二相編碼等組合調(diào)頻方式進行脈內(nèi)調(diào)制復雜化，造成電子偵察系統(tǒng)的識別困難。2011年，張林虎以k 已知條件下的K-means聚類分選算法建立評估隨機脈沖干擾效果的評價標準，通過軟件仿真，得出影響干擾效果的隨機脈沖參數(shù)規(guī)律。畢大平、張國利針對PRI主分選提出隨機脈沖干擾，通過仿真表明，由于受到干擾信號的影響，固定重頻信號雷達模值都已經(jīng)低于檢測門限，即使采用修正PRI算法，也無法對目標雷達信號進行正確檢測，干擾情況下，原被保護雷達的PRI調(diào)制樣式不能被正確檢測，從而無法進行正確分選。

2.4 干擾效果的評估

畢大平等人［17］選擇合適的雷達對抗偵察系統(tǒng)干擾效果評估準則，提取了干擾效果評估指標，依據(jù)雷達對抗偵察系統(tǒng)干擾效果綜合評估等級不易確定且干擾效果評估指標與各自相應評估等級之間的模糊映射關系，提出了基于集對勢和基于集對貼近度的雷達對抗偵察系統(tǒng)干擾效果綜合評估模型，在一定程度上填補了這一領域的空白。

3 結束語

本文對ESM／ELINT 系統(tǒng)及其對抗技術進行研究。目前，無源偵察系統(tǒng)中的測頻技術、測向技術、信號處理技術均發(fā)展得較為成熟，而有源對抗技術以及干擾效果評估技術的發(fā)展相對滯后，那么對于干擾方法的研究應當從各種單一體制的接收機技術入手，根據(jù)其特有的工作模式，提出有源干擾方案。再通過對各種干擾方案進行提取，找出共性，提出能夠?qū)Σ扇【C合技術體制的偵察系統(tǒng)造成影響的干擾措施?！?/p>

［1］羅景青.雷達對抗原理［M］.北京：解放軍出版社，2003.

［2］翟岱亮，張晨新，胡帥江.高功率微波武器的性能分析及其防御［J］.飛航導彈，2012（5）：59-62.

［3］Song Jie，Tang Xiaoming，He You.Muti-channel digital LPI signal detector［C］∥Proceeding of 2006 CIE International Conference on Radar，2006.

［4］楊少委，程婷，何子述.MIMO 雷達搜索模式下的射頻隱身算法［J］.電子與信息學報，2014（5）：1017-2022

［5］Win ZM.An effective fingerprint verification system［J］.Planetary Scientific Research Center Conference Proceedings，2011，2.

［6］Wang Jinxiang.Gabor filter based fingerprint image enhancement［J］.Proceedings of 2011 4th IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology（ICCSIT2011），2011，10.

［7］Choi BJ.Rapid features detection using improving algorithm for self localization in a DSP board［C］∥Lecture Notes in Information Technology——Proceedings of 2012 International Conference on Affective Computing and Intelligent Interaction（ICACII 2012），2012：409-411.

［8］Namgoong W，F(xiàn)eng L.Digitizing of UWB signals based on frequency channelization［C］∥Kobe，Japan：IEEE International Symposium on Circuits and Systems，2005：61-64.

［9］Lie JP，See CM，Ng BP.Ultra wideband direction finding using digital channelization receiver architecture［J］.IEEE Communications letters，2006，85-87.

［10］陳琳.全中頻比幅比相測向系統(tǒng)接收機的設計［D］.長沙：國防科學技術大學，2008.

［11］王杰貴，靳學明.現(xiàn)代雷達信號分選技術綜述［J］.雷達科學與技術，2006（2）：104-108，120.

［12］魏東升.雷達信號脈內(nèi)細微特征的研究［J］.艦船科學技術，1994（3）：23-30.

［13］劉據(jù)，何振亞.盲源分離和盲反卷積［J］.電子學報，2002，30（4）：570-576.

［14］龔仕仙，魏璽章，黎湘.寬帶數(shù)字化接收機綜述［J］.電子學報，2013（5）：949-959.

［15］張國利，畢大平，沈愛國，等.瞬時測頻接收機的連續(xù)被干擾技術［J］.現(xiàn)代雷達，2013（2）：61-63.

［16］張國利，畢大平，楊謝.信道化接收機的梳狀干擾效果分析［J］.電子信息對抗技術，2013（7）：47-50.

［17］畢大平，楊軍佳.基于AHP和SPA 法的預警機效能評估［J］.火力與指揮控制，2013（11）.