雷達告警器面臨的挑戰(zhàn)與思考

王國濤，姜秋喜，劉 鑫，惠小東

(1.國防科技大學(xué)，安徽 合肥 230037；2.解放軍77626部隊，西藏 拉薩 850000)

0 引 言

在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中，電子對抗在戰(zhàn)場中發(fā)揮的作用越來越突出。電子對抗是交戰(zhàn)雙方在電磁信息領(lǐng)域中爭奪電磁優(yōu)勢、以謀求奪得制電磁權(quán)的作戰(zhàn)行動，是交戰(zhàn)雙方在信息獲取、傳遞、處理、應(yīng)用及對抗等諸多環(huán)節(jié)的較量。作戰(zhàn)中，雷達告警設(shè)備發(fā)揮著早期預(yù)警的作用，它可以截獲、識別、定位敵方的輻射源，分析判定威脅等級，及時提供告警信息[1]。

然而在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，愈來愈復(fù)雜的電磁環(huán)境給告警器帶來了許多挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在以下4個方面：一是雷達體制多樣化；二是密集復(fù)雜電磁環(huán)境；三是雷達信號模擬干擾；四是噪聲調(diào)制干擾。本文介紹了雷達告警器的構(gòu)造和工作原理，分析了其在現(xiàn)代戰(zhàn)爭環(huán)境中存在的問題，并就如何應(yīng)對提出了幾點思考。

1 雷達告警器工作原理及存在問題

1.1 雷達告警器工作原理

雷達告警是指利用電子偵察接收機截獲空間存在的各種電磁信號，通過告警設(shè)備內(nèi)部的信號處理模塊進行分析識別后，給出相應(yīng)的威脅等級結(jié)果，實時發(fā)出聲光或顯示告警，并立即為我方戰(zhàn)斗人員提供相應(yīng)的對抗措施規(guī)避威脅[2]。其主要告警對象是對我方有威脅的敵火控雷達和來襲導(dǎo)彈。

瑞典BOW機載雷達告警器[3]為一款非常典型的雷達告警器，其基本系統(tǒng)由單脈沖天線、寬帶接收機、窄帶接收機、脈沖處理器以及雷達告警計算機組成?？蛇x單元包括單脈沖天線、干涉儀天線、數(shù)字接收機以及輔助計算機，可以根據(jù)不同的模塊進行組合。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 BOW雷達告警器工作原理

雷達告警工作流程[4]如圖2所示。接收機在截獲信號后，分別在天線、寬窄接收機和脈沖處理器中完成輻射源特征提取，包括脈沖幅度(PA)、脈沖到達時間(TOA)、到達角(DOA)、信號載頻(CF)和脈沖重復(fù)周期(PRI)等，這些統(tǒng)稱為輻射源描述字(EDW)。信號處理器利用輻射源描述字完成輻射源威脅等級的判定。文獻[5]給出了一種利用綜合賦權(quán)法，對輻射源威脅指標進行加權(quán)后得出的威脅等級判定方法，文獻[6]給出利用關(guān)聯(lián)比較器(CP)與脈沖重復(fù)周期過濾器結(jié)合的方法實現(xiàn)對已知雷達信號的快速分選。

圖2 雷達告警工作流程

1.2 雷達告警存在問題

從相關(guān)研究文獻可以看出，目前雷達告警器對目標識別以及威脅等級的判斷主要依據(jù)是輻射源描述字中的5個常規(guī)參數(shù)，而這些參數(shù)很容易被模擬出來或者被調(diào)制干擾。模擬器可以利用這些參數(shù)模擬產(chǎn)生類似的高威脅雷達信號，而且如果同時產(chǎn)生多波形多體制的雷達信號時，很容易造成告警器的高虛警，從而失去告警意義。噪聲調(diào)制干擾可以與真實雷達信號混合，影響參數(shù)的測量，導(dǎo)致告警器測不準，識別不了。

2 雷達告警器面臨的主要挑戰(zhàn)

在戰(zhàn)爭的電子對抗階段，雷達告警器發(fā)揮著早期預(yù)警的作用，是我軍戰(zhàn)斗部自衛(wèi)的重要手段之一，而現(xiàn)代戰(zhàn)爭中復(fù)雜的電磁作戰(zhàn)環(huán)境卻給告警器帶來了諸多挑戰(zhàn)，本節(jié)就雷達體制多樣化、密集復(fù)雜電磁環(huán)境、雷達模擬器干擾和噪聲調(diào)制干擾4個方面進行分析。

2.1 雷達體制多樣化

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭對雷達對抗的愈加重視，雷達的體制樣式愈發(fā)多樣化，應(yīng)用也越來越廣泛。低截獲概率雷達、脈沖壓縮雷達、脈間波形變換雷達和捷變頻雷達等特殊體制的雷達越來越多地投入到戰(zhàn)場中。這些特殊體制的雷達信號采用了脈內(nèi)調(diào)頻、調(diào)相、重頻抖動和參差等信號形式，其信號常規(guī)參數(shù)隨機可變，且無規(guī)律，使傳統(tǒng)的基于輻射源描述字的信號分選識別方法性能變差，甚至失效。

2.2 密集復(fù)雜電磁環(huán)境

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，越來越多的信息化武器裝備被投入到戰(zhàn)場中。這類電子設(shè)備所占比例的增加使戰(zhàn)場電磁環(huán)境變得愈加復(fù)雜?？罩械碾姶挪ú粌H數(shù)量龐大,體制復(fù)雜,種類多樣，而且在對抗條件下更會產(chǎn)生多類型、全頻譜、高密度的電磁輻射信號[7]。這些電磁信號中，既有敵方釋放的有意干擾信號，也有己方電子設(shè)備輻射的信號，還有民用電子設(shè)備發(fā)射的信號。在這種密集復(fù)雜的電磁環(huán)境中，雷達告警器接收機很容易飽和，影響對目標的檢測判定從而產(chǎn)生漏警的情況。電磁環(huán)境的復(fù)雜性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

一是構(gòu)成上表現(xiàn)為類型眾多，影響各異；二是時間上表現(xiàn)為變幻莫測，密集交迭；三是頻譜上表現(xiàn)為無限寬廣，擁擠重疊；四是能量上表現(xiàn)為密度不均，跌宕起伏；五是樣式上表現(xiàn)為數(shù)量繁多，波形復(fù)雜。

2.3 雷達信號模擬器干擾

雷達信號通?？梢员硎緸椋?/p>

x(t)=A(t)cos[2πf0t+φx(t)+φ0]

(1)

式中：A(t)為信號的幅度；f0為載頻；φx(t)為相位調(diào)制信息；φ0為初相。

對A(t)、f0和φx(t)進行調(diào)制從而產(chǎn)生不同類型的雷達信號，雷達信號模擬器是利用雷達原理并結(jié)合計算機技術(shù)產(chǎn)生所需雷達信號的電子設(shè)備，它是計算機仿真技術(shù)、數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)和武器裝備技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物[8]。在現(xiàn)代作戰(zhàn)中，雷達信號模擬器常被用來模擬產(chǎn)生虛假的雷達信號，以干擾敵機載雷達告警器，極大提升其虛警率，致使其失去早期告警作用，其主要組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 雷達模擬器結(jié)構(gòu)原理圖

雷達信號模擬器主要有以下特點：

(1) 使用直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)產(chǎn)生激勵信號，能夠模擬產(chǎn)生常見的數(shù)字雷達信號和模擬雷達信號，也能產(chǎn)生頻率跳變、頻率分集、重頻抖動和脈沖壓縮等復(fù)雜體制雷達信號。

(2) 使用數(shù)字信號處理+現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)技術(shù)，波形設(shè)計靈活，可以根據(jù)需要產(chǎn)生指定雷達參數(shù)的模擬信號。

(3) 能夠同時模擬產(chǎn)生多部不同體制、不同類型的雷達信號。

2.4 噪聲壓制干擾

噪聲干擾是指頻率、相位、幅度隨機變化的電磁信號干擾，其產(chǎn)生原理如圖4所示。噪聲干擾信號按頻譜結(jié)構(gòu)可劃分為：瞄準式噪聲、阻塞式噪聲、梳齒式噪聲。

圖4 噪聲干擾產(chǎn)生原理圖

噪聲調(diào)制干擾是利用高功率、寬頻帶信號與真實雷達輻射信號疊加在一起，造成信號參數(shù)的隨機變化，尤其是當(dāng)噪聲干擾的分布形式未知時，極大地影響了對信號的檢測，使告警器不能對威脅輻射源進行準確識別；或者噪聲的功率強度大于雷達信號時，使信號完全淹沒在干擾中，從而難以檢測到真實雷達信號。噪聲壓制干擾的信號時域波形與信號頻譜如圖5所示。

圖5 噪聲干擾信號的時域波形及頻譜圖

3 應(yīng)對的主要策略

針對上節(jié)提出的告警器面臨的4個挑戰(zhàn)，下面就基于盲源分離的雷達信號預(yù)分選、雷達信號有意調(diào)制識別和無意調(diào)制識別3個方面進行改進研究。

3.1 基于盲源分離的雷達信號預(yù)分選

在現(xiàn)代復(fù)雜密集的電磁環(huán)境中，空間的信號脈沖密度達到百萬級，如何將混疊交錯的雷達信號進行分離是需要面對的嚴峻問題。盲源分離技術(shù)是基于信號源的獨立性來完成信號的分離，該技術(shù)無需學(xué)習(xí)樣本的選取，在源信號和傳統(tǒng)通道信息完全未知的情況下，僅根據(jù)觀測到的混合信號提取恢復(fù)出源信號的一種技術(shù)，其代表是獨立成分分析(ICA)算法[9]?？焖買CA算法(FastICA)也稱為快速不動點算法，是ICA算法中發(fā)展較為成熟并且得到廣泛應(yīng)用的算法之一。該算法較其他算法復(fù)雜度低，收斂速度快，可以很好地分離不同調(diào)制脈沖雷達信號以及連續(xù)波雷達信號，而且也能夠在強高斯白噪聲干擾背景下提取出微弱信號，較傳統(tǒng)基于輻射源描述字的信號分選算法有較大的優(yōu)勢。而且近年來也有許多學(xué)者提出了改進型FastICA算法，提高了算法的運行效率，將該算法應(yīng)用到告警器系統(tǒng)中必然大大改善信號的分選效果。

3.2 雷達信號有意調(diào)制識別

隨著雷達對抗技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代新體制雷達普遍對信號進行了脈內(nèi)調(diào)制，使得雷達信號的波形更加多樣化，參數(shù)設(shè)置也更加靈活多變。為了應(yīng)對這種情況，必須對雷達信號的脈內(nèi)有意調(diào)制類型進行識別。在確定了信號的調(diào)制類型后，才可以有針對性地選擇參數(shù)估計與測量的方法，提高參數(shù)的準確度和可信性。同時，對信號的有意調(diào)制方式的識別也能進一步對雷達的功能進行定位，是輻射源識別的一種重要參數(shù)。目前，雷達信號脈內(nèi)調(diào)制識別方法主要有時頻曲線法、延時自相關(guān)法、分形測度法以及小波變換法。其中時延自相關(guān)法是基于調(diào)制信號的瞬時自相關(guān)函數(shù)特征進行脈內(nèi)有意調(diào)制識別的，算法處理速度較快，國內(nèi)已經(jīng)應(yīng)用于工程實踐，在雷達告警系統(tǒng)中有較好的應(yīng)用前景。

3.3 雷達信號無意調(diào)制識別

對于雷達信號模擬器干擾，應(yīng)從輻射源個體識別角度入手。雷達信號的無意調(diào)制，即輻射源個體識別，是指在同型號不同個體的雷達之間，通過對所產(chǎn)生信號的細微特征進行測量，提取能反映目標特征的信息，與特征庫進行對比從而確定輻射源個體的技術(shù)。由于輻射源個體使用物理器件的差異或者設(shè)計原理的不同，會在產(chǎn)生的信號中留下個體特征，這種特征也叫做“指紋”特征。例如，發(fā)射機中脈沖調(diào)制器間的差異會造成發(fā)射信號的包絡(luò)特征不同，頻率源所使用的晶體振蕩器之間穩(wěn)定度不同也會體現(xiàn)在載波的頻率穩(wěn)定度和脈沖重復(fù)頻率的穩(wěn)定度上，這些都是輻射源個體所具有的固定特性。有許多學(xué)者分別從信號的常規(guī)參數(shù)、包絡(luò)特征、瞬時特征、調(diào)制參數(shù)以及頻譜分布等不同角度研究了雷達個體識別的方法[10]，目前也取得了較大的進展。雷達模擬器因工程設(shè)計與功能定位的原因，信號特性與真實雷達有較大差別，因此可以通過信號的無意調(diào)制特征識別，降低模擬信號造成的干擾，提高威脅告警的準確率。

4 結(jié)束語

雷達告警器是空戰(zhàn)防御系統(tǒng)中不可缺少的一部分，如何應(yīng)對不斷發(fā)展的電子對抗技術(shù)，在戰(zhàn)爭中盡快盡早識別出干擾信號，降低虛警概率的同時提高發(fā)現(xiàn)概率，對提升未來戰(zhàn)爭的生存能力有著重要的意義，需要科研工作者進一步思考研究。本文第一部分以瑞典BOW機載雷達告警器為例介紹了雷達告警器的工作原理和輻射源威脅等級判定方法，指出了其存在的問題；第二部分就雷達告警器面臨的挑戰(zhàn)，分別列舉4種情況進行分析思考；第三部分提出了應(yīng)對策略，但在告警器平臺上的具體算法還需進一步深入探討和挖掘。