機載自衛(wèi)電子戰(zhàn)系統(tǒng)對引信信號偵察的作用評估

廖輝榮1，李國林

(1.海軍航空工程學院 研究生管理大隊,山東 煙臺 264001;2.海軍航空工程學院 戰(zhàn)略導彈工程系，山東 煙臺 264001)

1 引 言

縱觀世界最近幾次高技術(shù)局部戰(zhàn)爭，從科索沃戰(zhàn)爭到第二次伊拉克戰(zhàn)爭，都顯示機載作戰(zhàn)平臺已嚴重受到地空導彈的威脅，升級作戰(zhàn)飛機上的現(xiàn)有電子戰(zhàn)系統(tǒng)，提高飛機生存能力已經(jīng)成為共識。機載自衛(wèi)電子對抗系統(tǒng)主要由威脅告警、偵察監(jiān)視和電子干擾等設備組成，從戰(zhàn)術(shù)使用上大體可以分為4個層次：第一層即針對搜索截獲系統(tǒng)的對抗；第二層為針對跟蹤雷達的告警和對抗；第三層為針對制導系統(tǒng)的偵察和干擾；第四層為針對引信的偵察和對抗。其中針對引信的對抗由于難度極大，其發(fā)展尚處于薄弱狀態(tài)，實用裝備中基本上都是采用簡單的噪聲壓制干擾。

隨著引信信號形式及處理能力的發(fā)展，引信抗噪聲干擾的能力越來越強，在復雜電磁環(huán)境中采用簡單的阻塞式噪聲壓制或進行簡單的測頻引導干擾，其效果已經(jīng)很有限。戰(zhàn)場電磁環(huán)境的復雜性特征主要表現(xiàn)在信號密集、樣式復雜、沖突激烈和動態(tài)交迭疊4個方面[1]，而其復雜程度可以根據(jù)信息裝備和武器裝備信息系統(tǒng)受其影響而喪失作戰(zhàn)效能的情況來劃分等級。

機載自衛(wèi)電子戰(zhàn)系統(tǒng)面臨的戰(zhàn)場環(huán)境中主要有自身機載平臺的雷達、通信數(shù)據(jù)鏈信號，來襲導彈的跟蹤制導雷達信號及無線電引信信號，防空系統(tǒng)的搜索及跟蹤雷達信號，敵我識別器信號，敵方無線電通信信號，地面雜波及環(huán)境噪聲等各種信號，信號樣式繁雜,體制多樣。無線電引信抗干擾能力較強的信號就有噪聲引信、偽碼脈沖引信、調(diào)頻脈沖引信等多種信號波形。各種信號在空域、時域及頻域沖突交錯和動態(tài)交疊，嚴重制約著簡單干擾模式的干擾效果，因此，十分有必要研究在對引信進行偵察的條件下進行新體制干擾。

本文通過分析導彈無線電引信對抗的現(xiàn)狀，從效率評定準則和功率評定準則著手，建立了有偵察引導的對引信欺騙干擾的評估模型，來論證機載自衛(wèi)電子戰(zhàn)系統(tǒng)對導彈無線電引信信號偵察的必要性。

2 機載自衛(wèi)電子戰(zhàn)系統(tǒng)中的引信對抗

所謂的機載平臺自衛(wèi)電子戰(zhàn)系統(tǒng)本質(zhì)就是獲取威脅信息，啟動或調(diào)整相應的對抗措施。例如，俄產(chǎn)新型L370光電干擾機用于保護戰(zhàn)斗和空降突擊直升機免遭來襲導彈系統(tǒng)以及戰(zhàn)斗機的攻擊。當探測到威脅時，自動操作系統(tǒng)會通過多功能顯示器及音頻信號向機組人員發(fā)出告警，啟動對抗措施并給出機動提示。

目前，機載自衛(wèi)電子戰(zhàn)系統(tǒng)總體思想上是對預警雷達和引信系統(tǒng)實施了壓制性干擾，對導彈攻擊雷達實施欺騙性干擾的電子戰(zhàn)措施。例如，以色列的“飛行衛(wèi)士(Flight Guard)系統(tǒng)”、韓國的“ALQ-X電子干擾系統(tǒng)”等針對射頻引信的干擾方式都是采用噪聲壓制干擾。

噪聲干擾波形具有自身固有的缺陷性。比如噪聲質(zhì)量因子，它是指理想情況下干擾機噪聲應當盡可能接近高斯白噪聲(例如接收機噪聲)。對目前可知的在役或在研的干擾機的測量表明，與理想噪聲波形相比其噪聲質(zhì)量因子可引起大到17 dB的損失[2]。即便是對引信進行噪聲干擾也需要對引信信號進行偵察測頻，得到敵方射頻引信的頻率范圍，以便對噪聲干擾機進行快速頻率引導，進行瞄準式噪聲壓制干擾，會比掃描式或阻塞式噪聲干擾更經(jīng)濟高效。

同時，引信抗干擾技術(shù)不斷發(fā)展，引信信號波形設計更加復雜先進，簡單的噪聲干擾越來越失去對引信的作用效果。例如，采用擴頻體制的偽碼脈沖引信能從較寬的接收帶寬相干解調(diào)到較窄的信號帶寬，從而得到很大的處理增益，取得對輸入噪聲很大的抗干擾能力。這就迫使對射頻引信采用轉(zhuǎn)發(fā)式或應答式的欺騙干擾方式。欺騙式干擾需要得知更多的目標信號的特征參數(shù)，對引信信號進行偵察和識別就必不可少。

3 效率評定準則下干擾性能對比分析

設對引信施加的干擾為ξ(t)，引信接收機輸入信號可表示為

xt=st;α+ξ(t)

(1)

式中，st;α為目標反射信號。設β=(β1,β2,…,βk)∈B是表征目標距離、速度、DOA等信息的參數(shù)矢量，B為引信作用區(qū)域內(nèi)目標的k維目標參量空間，當β∈B1?B時，無線電引信發(fā)出執(zhí)行指令，β=β0時是無線電引信發(fā)出執(zhí)行指令的最佳時刻；回波信號s(t,α)(0≤t≤T)可看作函數(shù)空間S中一個點，T為觀測時寬，α=(α1,α2,…,αl)∈A為表征回波信號幅度、頻率、相位、時延等參數(shù)的矢量，A為l維回波信號參數(shù)空間。無線電引信信號處理系統(tǒng)的任務是根據(jù)輸入信號x(t)判定s(t;α)是否屬于啟動區(qū)域內(nèi)目標的回波信號。根據(jù)統(tǒng)計學知識，可將判決歸結(jié)為二元假設檢驗問題，即檢驗如下兩個假設H0和H1哪個為真：

(2)

對應的判決也有兩個：d0表示作出H0為真的判決，d1表示作出H1為真的判決。以Cij表示假設Hj為真時而判決為di時引入的損失或風險，得到風險矩陣為

(3)

如果先驗概率P(H0)和P(H1)以及風險矩陣已知，那么可以根據(jù)Bayes準則得出判決規(guī)則為[3]

(4)

式(4)中的似然比Λ(x)定義為假設H0和H1分別成立時，觀測值x的條件概率之比。圖1給出了根據(jù)一次觀測值x(t)在假設H0和H1的條件下的條件概率密度函數(shù)的示意圖。根據(jù)式(4)和圖1解釋無線電引信發(fā)生“早炸”和“瞎火”為：“早炸”就是當H0為真而判決為d1，即β?B1時就給出了啟動信號；當H1為真而判決為d0時，即β∈B1卻沒有給出啟動信號，這時引信“瞎火”。

圖1 無線電引信早炸與瞎火的示意圖Fig.1 Illustration of wireless jamming effects

如果限于單次觀測，那么無線電引信可能發(fā)生兩種錯誤，即“早炸”與“瞎火”。實際上，無線電引信一旦進入作用區(qū)域，就會對目標進行持續(xù)觀測，并把處理后觀測結(jié)果持續(xù)與能量門限進行比較，一旦超過門限就會引爆戰(zhàn)斗部。這個過程可以理解為：在彈目交會過程中，引信接收機先對[0,T]內(nèi)的觀測信號進行處理判決，如果結(jié)果選擇H0，那么繼續(xù)對[dt,T+dt]內(nèi)的觀測信號進行判決，dt在模擬接收機中代表電路的延遲時間，而在數(shù)字接收機中代表一個采樣間隔，如此不斷進行處理和判決，一旦結(jié)果選擇H1，則引爆戰(zhàn)斗部。假設單次觀測的“早炸”與“瞎火”概率都為1%，那么可以算出460次獨立觀測的“早炸”概率為99%，而連續(xù)460次獨立觀測的“瞎火”概率幾乎為零。盡管在彈目交會的時間內(nèi)的獨立觀測次數(shù)不能達到這個數(shù)值，但它能說明：如果不存在閉鎖電路或者干擾造成引信電路硬殺傷的情況下，有源干擾很難造成無線電引信的瞎火，因此干擾無線電引信的主要目的是造成無線電引信的早炸。

目前裝備的電子戰(zhàn)武器對導彈引信系統(tǒng)的干擾主要采用壓制性干擾，引信系統(tǒng)因接收到大量的干擾信號而過早引爆戰(zhàn)斗部，使戰(zhàn)斗部殺傷效率下降。導彈殺傷效率的發(fā)揮，依賴于引信實際引爆區(qū)與戰(zhàn)斗有效啟爆區(qū)的一致程度，這就是引戰(zhàn)配合特性。

為了清楚地表示配合概率，我們假設機載平臺的中心或質(zhì)心為相對速度坐標系原點，坐標系如圖2所示。

圖2 彈目交會幾何關(guān)系圖Fig.2 Geometric map of missile-target encountering

圖2中ρ為脫靶量，ρmax為最大脫靶距離，φ為脫靶方位角。設啟動點為(z/ρ,φ)時，戰(zhàn)斗部的條件殺傷概率為pd(z/ρ,φ)；彈著點為(ρ,z)時，引信啟動點(炸點)沿坐標z軸分布的啟動概率密度函數(shù)為f(z/ρ,φ)；mz為沿Z軸的平均啟動位置，σz為啟動位置散布的均方根值，g(ρ,φ)為由導引誤差確定的，落點為(ρ,φ)時的概率密度函數(shù)，k為導彈武器系統(tǒng)的可靠性系數(shù)，則引戰(zhàn)配合概率函數(shù)為

(5)

而單發(fā)導彈毀傷概率表示為

(6)

從式(5)可看出，只有當引信實際引爆區(qū)(啟動點概率密度函數(shù))落入戰(zhàn)斗部有效啟爆區(qū)(戰(zhàn)斗部條件殺傷概率)內(nèi)時，戰(zhàn)斗部動態(tài)殺傷區(qū)才會穿過目標要害部位，殺傷概率增大，也就是引戰(zhàn)配合效率提高。

圖3表示的是在理想的引戰(zhàn)配合效率情況下，引信實際引爆區(qū)與戰(zhàn)斗部有效啟爆區(qū)的關(guān)系。圖4表示的是“早炸”情況下，引信實際引爆區(qū)與戰(zhàn)斗部有效啟爆區(qū)錯位的情況下，引戰(zhàn)配合效率形成情況。

圖3 理想的引戰(zhàn)配合效率示意圖Fig.3 Illustraion of idea fuze warhead coordination effectiveness

圖4 “早炸”情況下的引戰(zhàn)配合效率圖Fig.4 Illustration of fuze warhead coordination effectiveness under early burst condition

4 功率評定準則下干擾性能對比分析

對引信的壓制干擾，無論是阻塞式干擾還是掃描干擾，要想達到干擾引信的目的(使其“早炸”)，必須有足夠的功率壓制引信的功率。

在引信具有抗干擾設計的情況下，干擾機為達到預期的干擾效果所需的最小干擾功率為[4]

(7)

式中，δr為引信接收機中采用干擾識別和抗干擾電路時其功率改善因子，Prs為引信正常啟動信號功率電平，Δfa為引信接收機帶寬，ΔFe為干擾機噪聲調(diào)頻等效頻偏，Gg(θ)為干擾機天線在引信方向上的增益，Gr(θj)為引信天線在干擾機方向上的增益，γg為極化失配系數(shù)。

如果干擾功率增大，就意味著干擾設備的體積、質(zhì)量增大，成本也增高，特別是機載自衛(wèi)電子對抗系統(tǒng)的體積和質(zhì)量都受到嚴重限制。

5 同等干擾功率下對引戰(zhàn)配合效率影響的對比仿真分析

由式(7)可知，在一定的干擾功率下，使引信啟爆的彈目距離可表示如下：

(8)

在此種干擾情況下，引信沿Z軸平均啟爆位置mz可從幾何關(guān)系上推導如下：

(9)

把式(8)代入式(9)，再把式(9)代入到式(5)中，并根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計理論中的中心極限定理，可以認為啟動點分布密度函數(shù)為正態(tài)分布函數(shù)，因此可設：

(10)

同理可設：

(11)

這樣就得到下式：

(12)

其中：

(13)

噪聲壓制干擾與欺騙式干擾的影響區(qū)別主要在于對式(13)中參數(shù)ηδr的影響。在其它參數(shù)取典型值的情況下，ηδr取0～10 dB，進行仿真計算，結(jié)果如圖5所示。

圖5 引戰(zhàn)配合效率變化仿真圖Fig.5 Simulation result of the change of fuze warhead coordination effectiveness

從圖中可以看出，在其它參數(shù)取經(jīng)典值的情況下，當ηδr降到4 dB以下時，引信的引戰(zhàn)配合效率會隨著急劇降低，而ηδr的下降與對引信信號偵察識別引導干擾機進行對抗有直接關(guān)系。

6 欺騙式干擾中的信號偵察

欺騙式干擾波形能更有效地利用干擾能量來干擾引信系統(tǒng)，其主要優(yōu)點就是所有干擾功率均能被引信接收機所吸收，引信系統(tǒng)的抗干擾信號處理增益也可部分被抵消或全部被抵消[5]。例如轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾對脈沖多普勒引信極有效(與噪聲干擾相比)，因為這種引信采用相干積累技術(shù)，對噪聲干擾有很大的處理增益，可將噪聲干擾信號衰減20～60 dB，而類似回波信號的轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾信號則不會被衰減。

但轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾必須截獲并存儲引信信號波形的基本頻譜和時域特性[6]，這就需要自衛(wèi)電子戰(zhàn)系統(tǒng)在復雜電磁對抗環(huán)境中偵察截獲并識別引信信號，對信號進行瞬時測頻。要實現(xiàn)對引信信號的識別就必須對信號的時域參數(shù)如脈沖寬度、脈沖重復頻率等進行偵測。

應答式欺騙干擾則是典型的先偵察后引導干擾的干擾方式，首先偵察接收機捕獲信號環(huán)境，然后分析環(huán)境以便分選出特定類型引信信號，再進行參數(shù)識別并作出實施干擾的決定。把壓控振蕩器(VCO)或直接數(shù)字頻率合成器(DDS)調(diào)諧到引信信號頻率并進行時域調(diào)制，在合適的時間將此干擾波形信號發(fā)射回去，使引信早炸或瞎火，降低引戰(zhàn)配合效率。

采用DDS技術(shù)可以精確產(chǎn)生偵察到的復雜引信脈內(nèi)波形，從而合成目標引信信號波形，例如脈沖壓縮或編碼波形。這樣，干擾波形可以進入引信接收機的匹配濾波網(wǎng)絡，從而抵消引信的處理增益。

7 結(jié) 論

從干擾對引信抗干擾功率改善因子及干擾頻譜系數(shù)的作用來計算分析干擾對引信引戰(zhàn)配合效率的影響，證明了具有偵察引導的欺騙式干擾比噪聲壓制干擾能更好地降低來襲導彈引戰(zhàn)配合效率，提高機載平臺的生存能力，降低對干擾機功率的要求。在電磁環(huán)境日趨復雜以及引信對抗面臨新的挑戰(zhàn)情況下，有偵察引導的欺騙式干擾將得到更充分的重視并發(fā)揮更大的價值。

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