時分制RWR／ESM處理方法對脈沖丟失的影響?

王星，周東青??，張曦，張敬偉

（空軍工程大學航空航天工程學院，西安710038）

時分制RWR／ESM處理方法對脈沖丟失的影響?

王星，周東青??，張曦，張敬偉

（空軍工程大學航空航天工程學院，西安710038）

隨著戰(zhàn)場電磁環(huán)境日趨復雜，當前體制下的RWR／ESM正逐漸暴露出其誤警率高、漏警率大和告警時間長等嚴重問題，其根本原因是由于接收機測量體制引起的脈沖丟失問題，導致威脅信號源的截獲概率降低。結(jié)合RWR／ESM測量體制，對時分制頻段處理方法引起的脈沖丟失進行理論分析，推導出工程上可行的應用公式，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于脈沖密度分配系統(tǒng)資源的改進方法，并結(jié)合仿真結(jié)果對兩種方法引起的脈沖丟失做了對比分析。研究結(jié)果為今后新型RWR／ESM的研制提供了理論參考。

RWR／ESM；時分制；脈沖丟失；脈沖密度

1 引言

雷達告警接收機／電子支援措施（Radar Warning Receiver／Electronic Support Measures，RWR／ESM）是一類重要的電子偵察任務設(shè)備，是現(xiàn)代作戰(zhàn)中飛機用于電磁態(tài)勢感知必備的基本作戰(zhàn)裝備之一［1］。它通過測量和分析照射到載機上的雷達信號向飛行員提示威脅的方位、類型和工作狀態(tài)，以確保飛行員可以全面把握戰(zhàn)場態(tài)勢；根據(jù)已知雷達的特征參數(shù)，對高威脅雷達信號進行快速識別，進行威脅告警；并及時引導干擾設(shè)備，或者提示飛行操作人員及時采取恰當?shù)膶够蛘咭?guī)避等保護措施，提高載機在戰(zhàn)場中的生存能力［2］。

傳統(tǒng)RWR／ESM測量體制的設(shè)計符合當時技術(shù)水平和電磁環(huán)境條件［3］。隨著戰(zhàn)場電磁環(huán)境的日趨復雜，RWR／ESM設(shè)計者們在原來的基礎(chǔ)上進行了一定程度的改進，但是傳統(tǒng)RWR／ESM的工作體制沒有改變多少。隨著戰(zhàn)場電磁環(huán)境日趨復雜，舊體制RWR／ESM逐漸暴露出其缺點，虛警率高、漏警率大、告警時間長等嚴重影響了其戰(zhàn)場生存能力。其中漏警率高的一個重要原因是由于接收機測量體制引起的脈沖丟失，導致威脅信號源的截獲概率降低［4］。本文結(jié)合RWR／ESM典型結(jié)構(gòu)，對RWR／ESM測量體制引起的脈沖丟失進行分析。

2 典型RWR／ESM的測量體制

RWR／ESM空域覆蓋范圍360°，頻域覆蓋范圍2～18 GHz，具有較大的動態(tài)范圍。為了稀釋脈沖密度和提高測量精度，首先對各個天線接收到的信號進行頻段劃分，其次將不同天線相同頻段的信號進行歸并，最后對各個頻段內(nèi)的脈沖信號依次順序處理，得到脈沖的各個參數(shù)［5］，如圖1所示。

圖1 RWR／ESM典型測量體制Fig.1 Typical measurement system for RWR／ESM

RWR／ESM 2～18 GHz的頻段劃分為2～6 GHz、6～10 GHz、10～14 GHz、14～18 GHz 4個頻段，從而實現(xiàn)對整個頻段的覆蓋。隨著戰(zhàn)場電磁環(huán)境的日益復雜，脈沖密度不斷增加，這種測量體制勢必造成大量的脈沖丟失。主要分為兩個方面：第一是測量某一頻段時，頻段內(nèi)的脈沖交疊引起的脈沖丟失；第二是接收機在處理某一頻段時，其他3個頻段內(nèi)的信號是無法進行測量的。因此這種時分制測量體制無法達到頻域的完全覆蓋，導致一定數(shù)量的信號無法測量到載頻信息。下面就結(jié)合這兩個方面進行具體分析。

3 時分制頻段處理脈沖丟失分析

3.1 理論分析

目前，RWR／ESM接收機由于硬件條件所限，各個頻段不能并行處理數(shù)據(jù)，只能采取時分制共享一個處理器。如圖2所示，接收機采取順序切換頻段的方法依次完成對整個頻域內(nèi)脈沖的測量，圖2中陰影部分為接收機處理器工作的時間。對于接收機測量某一頻段的時間T，稱之為接收機對該頻段的監(jiān)視時間。在該頻段的監(jiān)視時間內(nèi)，接收機可以對頻段內(nèi)到達的脈沖進行測量，監(jiān)視時間結(jié)束后，接收機順序切換到下一頻段，繼續(xù)對下一個頻段內(nèi)的脈沖進行測量。以此類推，直到完成一次全頻段的覆蓋。最后再由最后一個頻段切換至第一頻段進行全頻域的掃描。接收機以這種頻率切換的方式循環(huán)往復地在頻域內(nèi)掃描，我們稱這種切換頻段的方式為順序切換頻段。

圖2 頻段的切換Fig.2 Switch of bands

3.2 測量頻段內(nèi)脈沖交疊數(shù)量

文獻［6］運用隨機過程理論、概率統(tǒng)計理論推導出脈沖重疊概率，相比文獻［7］和文獻［8］具有較強的理論依據(jù)，因此我們采用其脈沖交疊概率的計算方法：

式中，Ti、τi表示某一雷達序列的脈沖重復周期／頻率、脈沖寬度，α表示雷達脈沖信號的總占空比。

根據(jù)文獻［9］可以得到某一路頻段內(nèi)脈沖占空比與全頻段脈沖總占空比的關(guān)系：

所以測量頻段內(nèi)脈沖交疊概率為

測量頻段內(nèi)脈沖交疊數(shù)量

式中，ˉNi為某一路頻段內(nèi)脈沖交疊數(shù)量，αi為各頻段內(nèi)的脈沖總占空比，α為環(huán)境總脈沖占空比，Ni為各頻段脈沖數(shù)量，N為環(huán)境脈沖總數(shù)量。

3.3 非測量頻段的脈沖丟失

接收機在處理某一頻段時，頻段監(jiān)視時間Δt內(nèi)各個頻段內(nèi)的脈沖數(shù)量為Ni，那么在頻段監(jiān)視時間Δt內(nèi)非測量頻段丟失的脈沖數(shù)為

式中，n為劃分頻段的數(shù)量，k為正在測量的第k個頻段，ˉN為丟失的脈沖總數(shù)。完成一次全頻段掃描，由非測量頻段引起的脈沖丟失數(shù)量為

要求出式中（6）的Ni，必須要知道某一頻段內(nèi)的脈沖密度。對于一部雷達輻射源，雷達發(fā)射的脈沖重復頻率指的是其單位時間內(nèi)的脈沖個數(shù)，在一定意義上，某一部雷達的脈沖重復頻率可以等效為一部雷達的脈沖密度，即

對于多部雷達，它的脈沖密度可以表示為

代入式（6），得

式中，λi為某一頻段內(nèi)的脈沖密度。

從測量總時間T的角度分析，接收機的測量時間T被等分地劃分為m個Δt監(jiān)視時間段。假設(shè)雷達輻射源是均勻向外輻射信號，同時接收機的測量時間T相對于頻段的監(jiān)視時間Δt足夠長，則可以認為處理器分配給每一個頻段的時間資源是相同的。那么，對于劃分為n個頻段的接收機來說，每一路頻段所占用接收機資源的時間為

那么接收機在測量脈沖期間，由非測量頻段引起的脈沖丟失數(shù)量為

結(jié)合頻段內(nèi)脈沖交疊的數(shù)量，可得由時分制頻段處理方法引起的脈沖丟失數(shù)量為

4 基于頻段內(nèi)脈沖密度分配系統(tǒng)資源的改進方法

4.1 理論分析

時分制順序頻段處理的方法其優(yōu)點是原理簡單，工程上容易實現(xiàn)，但是其缺點也是顯而易見的：頻段必須嚴格按照系統(tǒng)所設(shè)定的方式依次順序切換，當系統(tǒng)監(jiān)視頻段內(nèi)沒有脈沖出現(xiàn)或是非監(jiān)視頻段有脈沖出現(xiàn)，都會對脈沖的截獲造成影響；同時，如果脈沖密度在各個頻段內(nèi)分布不均勻，有的頻段脈沖分布密集，有的頻段脈沖分布稀疏，仍按照系統(tǒng)設(shè)定的順序切換頻段的方法，會造成大量的脈沖丟失。

在目前現(xiàn)有裝備的基礎(chǔ)上，每個頻段后接一個控制器，以脈沖的有無來控制頻段的切換與選擇。即某個頻段接收到脈沖信號，系統(tǒng)就將處理器資源分配給該頻段，當脈沖結(jié)束后，系統(tǒng)收回資源。這樣可以最大限度地利用處理器資源，同時保證了脈沖密度大的頻段所占用系統(tǒng)的資源就多，脈沖密度小的頻段占用系統(tǒng)的資源就少，從而就可以達到根據(jù)各個頻段的脈沖密度分配處理時間。下面具體分析這種方法。

4.2 脈沖丟失概率分析

各頻段所占處理器的測量時間應該與各頻段之間的脈沖數(shù)量有關(guān)，若某個頻段內(nèi)進入的脈沖數(shù)量越大，則告警器對這個頻段的處理時間越長，該頻段所占處理器的資源也就越多；反之，若某個頻段脈沖數(shù)量越小，則該頻段所占處理器的資源越少。所以，各頻段占處理器的時間比（即測量概率）為

T1，T2，…，Tn分別表示各個頻段所占處理器的時間，N1，N2，…，Nn分別表示各個頻段在測量時間T內(nèi)的脈沖數(shù)量，且T＝T1＋T2＋…＋Tn。

所以各頻段占用處理器的時間為

從測量總時間T的角度分析，接收機的測量時間被劃分為若干Δt時間段，分別處理各個頻段內(nèi)的脈沖。如圖3所示的陰影部分為處理第k頻段脈沖時非測量頻段內(nèi)的脈沖丟失。對所有非測量時間段Δt進行求和，可得在時間T內(nèi)非測量頻段的脈沖丟失數(shù)量。

圖3 測量頻段對非測量頻段的影響Fig.3 Effect of measurement band on non-measurement band

那么在測量時間T內(nèi)，接收機處理第k頻段時非測量頻段所引起的脈沖丟失數(shù)量為

由于告警器接收到脈沖數(shù)量巨大，可以認為是其分布符合隨機過程。在處理一個頻段的脈沖時，其他頻段信號的有無是一個概率事件。非測量頻段內(nèi)脈沖丟失數(shù)量與頻段內(nèi)的脈沖密度有關(guān)，頻段脈沖密度越大，丟失數(shù)量就越大；脈沖密度越小，丟失數(shù)量就越小，而跟脈沖密度直接相關(guān)的物理量就是脈沖的占空比。

一個脈沖在時間軸上出現(xiàn)的概率即為該脈沖的占空比τ／T，那么在一個頻段內(nèi)，脈沖出現(xiàn)的概率即為該頻段內(nèi)脈沖的總占空比α，結(jié)合文獻［7］，可得脈沖在某一時刻出現(xiàn)的概率

式中，Nj為對應頻段的脈沖總數(shù)量。結(jié)合公式（16）可得非測量頻段內(nèi)脈沖丟失數(shù)量為

將式（17）代入公式（16）中可得

上式表示在接收機接收時間T內(nèi)，接收機由于非測量頻段引起的脈沖丟失數(shù)量。因為測量頻段內(nèi)還存在脈沖交疊，所以將上式再加上測量頻段內(nèi)由于脈沖交疊引起的脈沖丟失，可得RWR／ESM接收機由時分制頻段處理方式引起的脈沖丟失計算公式：

5 仿真結(jié)果及分析

5.1 模型建立

利用MATLAB／simulink建立輻射源模型和接收機模型，模擬雷達輻射源信號和RWR／ESM接收機。仿真流程如圖4所示。

圖4 仿真流程Fig.4 Simulation flow

5.2 結(jié)果分析

首先結(jié)合公式（12）仿真順序切換頻段工作體制下的脈沖丟失。在公式（10）推導的過程中，做了Ti＝m·Δt≈（1／n）·T等效替換。但是，考慮實際情況中順序切換頻段的方法對于頻段的監(jiān)視時間是有一定要求的，監(jiān)視時間的長短對脈沖丟失概率會有一定的影響。通過設(shè)置不同的監(jiān)視時間（監(jiān)視時間下限為最小脈沖寬度），得到不同的脈沖丟失情況，如圖5所示。

圖5 頻段監(jiān)視時間與脈沖丟失概率的關(guān)系Fig.5 Pulse loss probability vs.band monitoring time

分析圖5知，頻段的監(jiān)視時間較短時，脈沖丟失概率較小，但也達到了50%以上；隨著頻段監(jiān)視時間的變長，脈沖丟失概率逐漸趨于75%左右，平均脈沖丟失概率達到了73.38%。

分析輻射源數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當監(jiān)視時間小于10μs時，頻段監(jiān)視時間對脈沖丟失的影響非常大，當頻段監(jiān)視時間在50μs左右時，脈沖丟失數(shù)量逐漸趨于穩(wěn)定，此時隨著監(jiān)視時間的增加，脈沖丟失概率不再增大。

仿真數(shù)據(jù)庫中雷達輻射源最大的脈寬為17μs，最小的脈寬為0.1μs。也就是說當監(jiān)視時間遠遠大于脈沖寬度時，頻段監(jiān)視時間的長短對脈沖丟失概率影響將不是很大，而監(jiān)視時間與脈沖寬度相差不大時，監(jiān)視時間的長短對脈沖丟失概率的影響較大。

如圖6所示，考慮兩種極端情況，第一種情況是順序切換頻段時的監(jiān)視時間t1非常短，達到脈沖的脈寬級別，那么此時由頻段切換體制引起的脈沖丟失主要由測量頻段內(nèi)的脈沖交疊和非測量頻段脈沖持續(xù)期內(nèi)的同時到達信號引起。由于監(jiān)視時間很短，所以在監(jiān)視時間持續(xù)期內(nèi)，信號的同時到達與脈沖密度之間具有一定的關(guān)系，脈沖密度越大，同時到達信號的概率越大，脈沖丟失數(shù)量就越大；脈沖密度越小，同時到達信號的概率越低，脈沖丟失數(shù)量也就越小。

圖6 監(jiān)視時間對非測量頻段的影響Fig.6 Effect of monitoring time on non-measurement band

第二種情況是頻段監(jiān)視時間t2非常長，遠遠大于頻段內(nèi)的脈沖寬度，這相當于在監(jiān)視時間持續(xù)期內(nèi)增加了同時到達信號的概率。此時由于監(jiān)視時間較長，非測量頻段內(nèi)信號的同時到達是一個定數(shù)，所以隨著監(jiān)視時間的增長，非測量通道內(nèi)的同時到達信號概率將大大增大，脈沖丟失概率也就越大。所以監(jiān)視時間在脈沖寬度量級左右時，脈沖丟失概率必定會發(fā)生較大的突變。

隨著監(jiān)視時間的不斷增大（上限為一次測量中對所有頻段完成一次切換），脈沖的丟失數(shù)量將不會發(fā)生太大的波動，與理論分析值相差不大，這是因為隨著監(jiān)視時間的增長，相當于對每個監(jiān)視頻段平均劃分監(jiān)視時間。系統(tǒng)只分配給每個頻段25%的處理時間，加上頻段內(nèi)脈沖交疊概率，所以整體脈沖丟失概率穩(wěn)定在75%左右，與監(jiān)視時間的改變沒有太大的關(guān)系。

公式（19）中，系統(tǒng)的監(jiān)視時間是以脈沖寬度為衡量標準，是理想化的，具體仿真結(jié)果見圖7，是基于頻段脈沖密度分配系統(tǒng)資源的改進方法的仿真結(jié)果。

圖7 理想化監(jiān)視時間與脈沖丟失關(guān)系Fig.7 Idealized pulse loss probability vs.monitoring time

由圖7可知，理想化的基于脈沖密度分配處理時間的方法的脈沖丟失概率要遠遠小于順序切換頻段的方法。脈沖丟失概率一直穩(wěn)定在15%左右，這是因為頻段的監(jiān)視時間是以脈沖的寬度為衡量標準，測量脈沖持續(xù)期內(nèi)引起的非測量脈沖的丟失概率大大降低。由于仿真條件設(shè)置為接收機接收穩(wěn)定脈沖流，所以脈沖丟失基本穩(wěn)定在15%左右。

但是考慮工程實現(xiàn)中，監(jiān)視時間以脈沖寬度為度量很難實現(xiàn)，往往仍需要以一個固定的監(jiān)視時間作為普遍的監(jiān)視標準。圖8為不同監(jiān)視時間下順序切換頻段和根據(jù)脈沖密度切換頻段的脈沖丟失概率?？梢钥闯?，監(jiān)視時間越短，兩種方法相差越大，隨著監(jiān)視時間的增長，兩者的脈沖丟失概率越來越接近。

圖8 頻段監(jiān)視時間與脈沖丟失關(guān)系Fig.8 Band pulse loss probability vs.monitoring time

通過仿真分析可知，基于脈沖密度分配處理時間的方法在頻段監(jiān)視時間較短的情況下可以很好地減小脈沖丟失概率，這是因為監(jiān)視時間越短，越接近脈沖的實際寬度，這種情況下減小了非測量頻段內(nèi)的脈沖丟失概率。但是監(jiān)視時間的增長，與順序切換頻道的方法相差不大，脈沖丟失概率減小得不是很明顯，所以基于脈沖密度分配處理時間的方法應用的前提是監(jiān)視時間必須足夠小。同時，由圖8可以看出，大約經(jīng)過100μs左右，脈沖丟失概率發(fā)生一次突變，說明仿真條件設(shè)置中，整個脈沖流密度的變化周期在100μs左右，這也從另一個方面說明了脈沖密度與脈沖丟失概率之間的關(guān)系。

目前隨著硬件水平的不斷提高，RWR／ESM處理器的監(jiān)視時間可以做得足夠小，達到脈沖寬度量級，即做到監(jiān)視時間與脈沖寬度同步。那么可以在不增加處理器個數(shù)的情況下，最大限度地利用處理器資源，降低脈沖丟失，所以本方法有很好的應用前景。

6 結(jié)束語

本文結(jié)合典型RWR／ESM測頻體制，對測頻過程中順序切換頻段引起的脈沖丟失問題進行了理論分析，建立了相應的數(shù)學模型，推導出了工程上可行的數(shù)學公式，并提出了一種基于頻段脈沖密度分配系統(tǒng)資源的改進方法。通過仿真驗證了結(jié)論，結(jié)合仿真結(jié)果分析了監(jiān)視時間和脈沖丟失概率之間的關(guān)系。本文可為RWR／ESM的改進提供參考，同時也為新型RWR／ESM提出了一種效能評估手段。

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WANG Xing was born in Dalian，Liaoning Province，in 1965.He is now a professor.His research concerns theory and technology of electronic warfare.

周東青（1988—），男，江蘇鹽城人，2010年獲工學學士學位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向為電子對抗理論與技術(shù)；

ZHOU Dong-qing was born in Yancheng，Jiangsu Province，in 1988.He received the B.S.degree in 2010.He is now a graduate student.His research concerns theory and technology of electronic warfare.

Email：zhoudq.1988＠163.com

張曦（1979—），男，黑龍江密山人，博士，講師，主要研究方向為電子對抗干擾理論與應用；

ZHANG Xi was born in Mishan，Heilongjiang Province，in 1979.He is now a lecturer with the Ph.D.degree.His research concerns theory and technology of electronic warfare.

張敬偉（1969—），男，吉林四平人，副教授，主要研究方向為電子對抗干擾理論與應用。

ZHANG Jing-wei was born in Siping，Jilin Province，in 1969. He is now an associate professor.His research concerns theory and technology of electronic warfare.

Effect of Time Division RWR／ESM Processing on Pulse Loss

WANG Xing，ZHOU Dong-qing，ZHANG Xi，ZHANG Jing-wei
（School of Aeronautics and Astronautics Engineering，Air Force Engineering University，Xi′an 710038，China）

With the electromagnetic environments of war-field being so intricate and complex，the high false alarm rate，big missed detection rate and long warning time are big problems faced by the RWR／ESM（Radar Warning Receiver／Electronic Support Measure）receiver.The basic reason is the pulse loss caused by measurement system that leads to the reduce of the intercept of threaten signal.In combination with measurement system this paper analyzes the pulse loss caused by time division，and infers computational formula of the pulse loss probability.On this base，an improved method based on pluse density is proposed to distribute system resource. The pulses loss caused by the two methods are compared according to simulations.The research in this paper provides theoretical reference for developing new RWR／ESM in the future.

RWR／ESM；time division；pulse loss；pluse density

The Defense Key Laboratory Foundation of Electronic Information Control（9140C100S051103）；The Natural Science Foundation of Shaanxi Province（2012JQ 8019）

date：2013－01－05；Revised date：2013－07－15

電子信息控制國防重點實驗室基金資肋項目（9140C1005051103）；陜西省自然科學基金資助項目（2012JQ8019）

??通訊作者：zhoudq.1988＠163.comCorresponding author：zhoudq.1988＠163.com

TN97

A

1001－893X（2013）09－1136－06

王星（1965—），男，遼寧大連人，教授，主要研究方向為電子對抗理論與技術(shù)；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.09.004

2013－01－05；

2013－07－15