相控陣技術(shù)對電子情報偵察影響研究

王志鋼　王建濤　楊承志

摘 要：針對相控陣雷達技術(shù)引起的射頻信號復雜多變的問題，提出一種基于對雷達射頻信號進行動態(tài)信號級仿真的雷達偵察數(shù)據(jù)分析方法。對典型相控陣雷達系統(tǒng)應用的相控陣雷達技術(shù)進行了分析,并運用Matlab 7.0仿真工具軟件對相控陣雷達射頻信號進行了實時信號級仿真，獲得了射頻信號模型，分析了相控陣技術(shù)對電子情報偵察的影響。

關(guān)鍵詞：相控陣;電子情報;偵察;雷達射頻信號

中圖分類號：TN95文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2009)05-042-05

Influences Studying of the Phased Array Technique to Reconnoiter the Electronic Intelligences

WANG Zhigang,WANG Jiantao,YANG Chengzhi

(Aviation University of Air Force,Changchun,130022,China)

Abstract：To investigate the problem of complexity and diversity of the radio frequency signal caused by phased array radar,the analytical method analyzing the reconnoitered data of the radar radio frequency signal on real-time signal simulation is present in this paper.The phased array technique used in typical phased array systems is analyzed.The radar radio frequency signal is simulated by Matlab7.0 on real-time signal model.The model of radio frequency signal is obtained.The influence on reconnoiter of electronic intelligences caused by the phased array technique is analyzed.

Keywords：phased array technique;electronic intelligences;connoiter;radar frequency signal

0 引 言

現(xiàn)代電子技術(shù)在軍事斗爭及武器裝備的廣泛應用，使得爭奪電磁頻譜的主動權(quán)，即制電磁權(quán)，成為現(xiàn)代化信息戰(zhàn)爭的最明顯特征。制電磁權(quán)的基礎為電子情報的偵察與分析。傳統(tǒng)的電子情報處理方法為計算機與專家系統(tǒng)相結(jié)合的半自動處理方式，全自動處理的情報虛警率較高。對于相控陣雷達的高變化，偽隨機變化射頻信號，此種方法速度低、精度差，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭對電子情報的需要。利用仿真工具對相控陣雷達進行信號級仿真，能夠獲得電子情報偵察接收機的實際接收信號模型；能夠有效提高電子情報處理的分析速度和精度，尤其相控陣雷達的多變發(fā)射的方式、偽隨機變化的射頻信號發(fā)射參數(shù)對于電子情報偵察的影響，此方法效果較好。

1 影響電子情報因素分析

1.1 電子情報的意義與內(nèi)容

廣義的電子情報是指從感興趣的信號截獲的信息，其信號為任何非通信輻射信號。狹義的電子情報特指對雷達系統(tǒng)發(fā)射的信號進行觀測的結(jié)果，目的是獲得有關(guān)雷達的各類信息。文中的電子情報即指后者。電子情報的價值在于能夠及時提供有關(guān)威脅系統(tǒng)（如引導飛機或?qū)楋w向目標的雷達）的信息，也能夠提供有關(guān)防御系統(tǒng)的信息和為電子進攻提供重要的情報。電子情報依據(jù)用途可分為兩大類：雷達電子偵察情報和電子支援情報。雷達電子偵察情報是指根據(jù)偵收到的雷達裝備的射頻信號經(jīng)過信號處理和數(shù)據(jù)處理所獲得的雷達裝備信息。電子支援情報通常是指地方雷達所處戰(zhàn)斗態(tài)勢和電子攻擊樣式的情報。

電子情報的生成流程如圖1所示。

圖1 電子情報生成流程

電子情報的生成可分為五個步驟：

(1) 電子情報接收機對偵收到的雷達射頻信號進行測量，獲得雷達系統(tǒng)全脈沖數(shù)據(jù)；

(2) 對雷達系統(tǒng)全脈沖數(shù)據(jù)進行分選和處理，獲得雷達系統(tǒng)輻射源數(shù)據(jù)；

(3) 對雷達系統(tǒng)輻射源數(shù)據(jù)進行脈內(nèi)分析和識別獲得基于雷達工作樣式的雷達電子偵察情報；

(4) 基于已有的雷達原理信息，利用仿真模型作為工具，對雷達電子偵察情報進行雷達系統(tǒng)內(nèi)部工作機理研究，以求達到對輻射源進行個體識別的目的；

(5) 應用雷達系統(tǒng)內(nèi)部工作機理研究獲得的雷達戰(zhàn)術(shù)情報獲得電子支援情報；最后，將獲得的雷達支援情報直接應用于反輻射打擊，電子壓制等電子進攻作戰(zhàn)，此部分是電子支援情報應用的一個重要部分。

1.2 電子情報偵察方程

文獻［1］中指出，在自由空間中，電子情報接收機接收到的雷達發(fā)射信號電平可由下式進行描述：

S璄=P璽G璗EG璄λ2(4π)2R2璄L璗L璄

其中：S璄為電子情報接收機處的信號電平；G璗E為電子情報接收機方向上雷達發(fā)射天線增益；G璄為雷達發(fā)射天線方向上的電子情報接收機接收天線增益；R璄為從雷達發(fā)射天線到電子情報接收機天線的距離；λ為雷達波長；L璗為雷達發(fā)射機到天線的射頻損耗；L璄為電子情報接收機從天線到接收機前端的射頻損耗。

進行分析可以得出影響電子偵察接收機接收端信號功率的主要因素有：電子情報接收機直接測量的雷達系統(tǒng)全脈沖數(shù)據(jù)為信號到達時間，信號到達角，信號載頻、信號脈寬、信號幅度。文獻［2］中指出接收機的最主要參數(shù)接收機靈敏度的定義為：接收機及輸入端需要的最小信號功率。僅有在接收功率大于靈敏度時接收機才可以截獲射頻信號。因此，在信號環(huán)境、信號調(diào)制和偵察系統(tǒng)本身的適應能力等外界條件不變的情況下，從信號本身的角度考慮，測量參數(shù)主要取決于電子情報接收機處的信號功率。

1.3 相控陣雷達仿真模型應用于電子情報偵察影響研究

由于相控陣雷達采用能夠快速掃描和自適應控制的雷達天線同時配合固態(tài)雷達發(fā)射技術(shù)和軟件化雷達技術(shù)使得相控陣雷達擁有許多傳統(tǒng)雷達不具備的特點，主要有：能夠執(zhí)行多目標搜索、跟蹤與多種不同種類雷達作戰(zhàn)任務；能夠?qū)崿F(xiàn)雷達系統(tǒng)最優(yōu)化工作方式管理；能夠?qū)崿F(xiàn)高搜索數(shù)據(jù)率和跟蹤數(shù)據(jù)率；能夠?qū)崿F(xiàn)空間濾波能力和自適應空時處理能力;能夠?qū)崿F(xiàn)大功率孔徑乘積與可變功率孔徑乘積；能夠?qū)崿F(xiàn)天線孔徑與雷達平臺的共形；能夠?qū)崿F(xiàn)低可探測搜索，自適應反干擾接收等多種電子反對抗技術(shù)；能夠?qū)崿F(xiàn)雷達、電子對抗和通信設備多種裝備的射頻系統(tǒng)共用功能。

由于相控陣雷達具有許多傳統(tǒng)雷達不具備的特點，因此傳統(tǒng)的通用雷達系統(tǒng)已無法滿足電子情報偵察的影響研究的需要。基于以上相控陣雷達的各特點，可以得出以下應用于電子情報偵察的影響研究的相控陣雷達仿真模型的具體技術(shù)要求：

(1) 仿真模型應為一基于作戰(zhàn)效果的自適應仿真系統(tǒng)。

(2) 仿真模型應可以對系統(tǒng)所處狀態(tài)進行管理與控制。

(3) 仿真模型應具有高搜索數(shù)據(jù)率和跟蹤數(shù)據(jù)率。

(4) 仿真模型應具有實現(xiàn)空間濾波能力和自適應空時處理能力。

(5) 仿真模型應能夠模擬低可探測搜索，自適應反干擾接收等多種電子反對抗技術(shù)。

2 應用于電子情報偵察影響研究的相控陣雷達仿真模型

2.1 應用于雷達截獲信號的影響研究的相控陣雷達仿真系統(tǒng)

基于電子情報偵察的影響研究的相控陣雷達仿真模型的具體技術(shù)要求，重新設計相控陣雷達仿真系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 相控陣雷達仿真模型基本結(jié)構(gòu)圖

對相控陣雷達仿真的目的是獲得相控陣雷達自適應變化的射頻信號。依據(jù)此目的可對相控陣雷達系統(tǒng)進行等效。由雷達反對抗控制系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)和發(fā)射天線系統(tǒng)組成相控陣雷達仿真系統(tǒng)的發(fā)射鏈路。由接收天線系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成相控陣雷達仿真模型的接收鏈路。錄取控制系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)連接接收與發(fā)射系統(tǒng)。由于仿真的目的為獲得相控陣雷達的射頻信號,因此對于接收鏈路可以將其等效為對錄取、控制系統(tǒng)內(nèi)雷達工作參數(shù)表變化的影響。設仿真開始時，雷達的接收信號為零，按照預設參數(shù)發(fā)射理想信號。當接收系統(tǒng)接收到目標回波后，則依據(jù)回波信號選擇最優(yōu)的發(fā)射參數(shù)進行發(fā)射，依據(jù)此方法可以得出相控陣雷達仿真系統(tǒng)的仿真技術(shù)重點為相控陣天線線陣和陣列綜合技術(shù)及發(fā)射數(shù)字波束形成技術(shù)。

2.2 線陣和陣列綜合技術(shù)的仿真

泰勒線源綜合法是一種十分有效的描述理想狀態(tài)下天線線陣和陣列方向圖的方法。更為重要的是經(jīng)過改進的n參數(shù)修正方法能夠有效抑制副瓣和約束零點位置。因此n參數(shù)泰勒線源綜合被廣泛應用于相控陣雷達天線的發(fā)射波束。

Taylor n參數(shù)分布線源綜合法能夠有效約束波瓣圖零點的位置，同時可對副瓣進行有效的抑制。Taylor用sinc(πφ)作為基本函數(shù)，通過調(diào)整近區(qū)零點位置，形成方向圖：

F(φ)=sinc(πφ)∏nn=11－φ2(σφ璶)2〗∏nn=1(1－φ2n2)

式中:φ璶為方向圖的零點位置;當1≤n≤n時,

φ璶=A2+(n－1/2)2;

當n≥n時,φ璶=±n;σ為波束擴展因子，此參數(shù)的作用在于使前n個旁瓣能平滑過渡到1/U包絡,

σ=n/A2+(n－1/2)2;n表示有n個旁瓣受到控制。

2.3 發(fā)射數(shù)字波束形成技術(shù)的仿真

多波束天線具有探測范圍大、數(shù)據(jù)錄取率高、覆蓋空域大等諸多優(yōu)點，因此在雷達發(fā)射波束中得到了廣泛應用。發(fā)射數(shù)字波束形成是將傳統(tǒng)相控陣發(fā)射波束形成所需要的幅度加權(quán)和移相從射頻部分放到數(shù)字部分來實現(xiàn)，從而形成發(fā)射波束。

空域內(nèi)一點射頻能量為：

E(u)=∑iA璱W璱F璱(u)

式中：A璱為第i個陣元輻射能量;W璱為第i個陣元的權(quán)系數(shù);

F璱（u）為第i個陣元的天線圖函數(shù)。

采用最大輸出信噪比準則能夠有效抑制天線、饋線系統(tǒng)帶來的射頻噪聲，因此被廣泛應用于發(fā)射波束控制領域內(nèi)。最大輸出信噪比準則的準則內(nèi)容為：

設第i個陣元所感應的復振幅為：

x璱=s璬e－j(i－1)β璬

式中：β璬為所需信號的復振幅，β璬=2πdsin θ璬λ。

加權(quán)輸出為：

y璼=∑Mi=1W璱s璬e－j(i－1)β璬=Ms璬WHa(θ璬)

W=［W1,W2,…,W璏］T

a(θ璬)=1M［1,e－jβ璬,…,e－j(M－1)β璬］T

陣列輸出的信號功率為:

p璽=MS璬2WHa(θ璬)aH(θ璬)W

2.4 相控陣雷達系能量管理技術(shù)的仿真

相控陣雷達由于其全系統(tǒng)均可實現(xiàn)捷變，以此必須利用反饋和最優(yōu)化技術(shù)對雷達工作狀態(tài)進行管理選擇最有效的工作方式。對相控陣雷達發(fā)射的能量進行管理，能夠使發(fā)射能量達到最大利用率。

傳統(tǒng)雷達的掃描方式為一定角度內(nèi)的均勻掃描和對某一批目標的連續(xù)跟蹤,無法解決瞬時探測范圍與跟蹤精度之間的矛盾，而相控陣技術(shù)能夠有效解決此矛盾。相控陣技術(shù)采用數(shù)字形成多波束的方法獲得最大的能量利用。設雷達天線在掃描時,每個波束位置要駐留N個脈沖,則單位仰角波束內(nèi)的輻射能量密度為：

dEdφ=NEφ璙=N(P璽τ)φ璙

式中:φ璙為仰角波束寬度。

立體空域里的總能量為：

E=2πθ璈E璻=(p璽τ)NG璵ax1.45Rn璵ax∫φ璵axφ璵inRn(φ)dφ

當n=0時,為等能量分布，所用能量最大：

E0=(p璽τ)NG璵ax(φ璵ax－φ璵in)1.45

能量管理的原則如下：

以指定空域為約束條件使得能量節(jié)約因子最大。經(jīng)分析可以得出制約能量節(jié)約因子的參數(shù)包括：天線增益、仰角功率、波束駐留時間。

3 相控陣技術(shù)對雷達截獲信號的影響分析

3.1 空間某點雷達截獲信號射頻模型

由于線性調(diào)頻信號能夠有效解決距離分辨率和多普勒分辨率兩者兼顧的問題，因此相控陣雷達的發(fā)射信號多采用線性調(diào)頻信號，本文中也采用線性調(diào)頻信號作為仿真模型信號。線性調(diào)頻信號可用下式進行表示：

s(t)=A0exp［j2π(f璫+bt)t］， 0≤t≤τ

0，其他

對相控陣雷達的射頻信號進行仿真,仿真結(jié)果如圖3~圖11所示。

圖3~圖9中橫坐標為時間（μs）；縱坐標為歸一化處理后的信號幅度（V）。

圖10~圖11中橫坐標為天線方向與正北方向夾角的正弦值；縱坐標為歸一化后的天線功率譜。

圖3 普通射頻信號：載頻1 250 MHz，脈沖重復周期4 000 μs，

脈沖寬度1 100 μs

圖4 由1,2,3,4號脈沖組成的多脈沖射頻信號

圖5 1號脈沖:載頻1 215 MHz，脈沖重復周期4 000 μs,

脈沖寬度400 μs

圖6 2號脈沖:載頻1 300 MHz，脈沖重復周期4 000 μs,

脈沖寬度400 μs

圖7 3號脈沖:載頻1 325 MHz，脈沖重復周期4 000 μs，

脈沖寬度400 μs

圖8 4號脈沖:載頻1 400 MHz，脈沖重復周期4 000 μs，

脈沖寬度400 μs

3.2 結(jié)論

(1) 運用已有的信號規(guī)律描述偵察到的相控陣雷達信號是十分困難的。圖4中的信號是實際射頻信號，由于其采用的多脈沖技術(shù)，四個脈沖相疊加使得偵察時將其誤認為是相位編碼信號，使得判斷失誤。

(2) 比較圖9~圖11可以發(fā)現(xiàn)，由于發(fā)射波束的高速隨機性位置轉(zhuǎn)換，其發(fā)射天線的主瓣駐留時間縮短至普通天線駐留時間的1/10 。因此使得利用偵測主瓣偵察方法的作用距離大大降低。

圖9 多脈沖射頻發(fā)射信號

圖10 相控陣天線圖

圖11 普通天線圖

(3) 比較圖9~圖11可以發(fā)現(xiàn)相控陣天線的副瓣已達到-40 dB，即使在不使用自適應零點對正技術(shù)的情況下，仍然很難偵測到天線的副瓣。因此對于偵測雷達天線副瓣的偵察方法影響較大。

3.3 相控陣技術(shù)對電子情報偵察的影響

(1) 相控陣雷達技術(shù)的廣泛應用使得雷達射頻信號的變化速度大幅度提高，變化形式多種多樣。應用已有的信號變化規(guī)律已經(jīng)很難詳細說明雷達射頻信號的特點。

(2) 相控陣技術(shù)在天線電子掃描方面的廣泛應用，使得發(fā)射波束變化迅速且波束寬度極窄。因此，使得依靠對雷達發(fā)射天線主瓣的偵察的方法的作用距離大幅度下降。

(3) 相控陣技術(shù)和自適應線陣綜合技術(shù)使得天線獲得比傳統(tǒng)天線低很多的天線副瓣，使得依靠偵察副瓣方法的偵察設備偵察效果大幅度下降。

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