飛行器射頻隱身技術(shù)內(nèi)涵及性能度量研究

朱銀川

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

1 引 言

在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)場(chǎng)上,幾乎所有的武器平臺(tái)都裝備有電子裝備,特別是飛行器平臺(tái),其信息化能力發(fā)揮都離不開電磁信號(hào)輻射。如飛機(jī)中典型的射頻傳感器就包括航管/IFF、雷達(dá)、電臺(tái)、無線電高度表等,無人機(jī)中還必須加裝無線電遙測(cè)遙控設(shè)備。

但在開放的戰(zhàn)場(chǎng)電磁空間中,敵方電子偵察系統(tǒng)可通過截獲我方發(fā)射的射頻輻射信號(hào),運(yùn)用各種信號(hào)與信息處理技術(shù)來獲取有用的情報(bào)信息,如射頻輻射源的有關(guān)參數(shù)、類型、空間位置等,對(duì)我飛行器平臺(tái)作戰(zhàn)力和生存力形成嚴(yán)重威脅。因此有必要在保障飛行器射頻傳感器任務(wù)前提下,通過射頻隱身使敵方電子偵察系統(tǒng)無法偵測(cè)或大幅度降低其截獲我方射頻信號(hào)能力。

但是關(guān)于射頻隱身的指標(biāo)體系至今未見國(guó)內(nèi)外公開報(bào)道,常見的低截獲信號(hào)研究也是建立在電子對(duì)抗的思路上,指標(biāo)體系與對(duì)方偵察接收機(jī)性能指標(biāo)緊密關(guān)聯(lián),重點(diǎn)用于評(píng)判被截獲性能,而且對(duì)方的偵察接收機(jī)性能指標(biāo)不僅與其技術(shù)體制相關(guān)還和其接收設(shè)備指標(biāo)相關(guān),無法指導(dǎo)開展射頻隱身技術(shù)研究。為此,需要清晰地整理出射頻隱身的概念和內(nèi)涵,并開發(fā)一種既能描述射頻隱身性能又可拋開偵察接收機(jī)性能指標(biāo)的表征參量。

2 射頻隱身技術(shù)概念和內(nèi)涵

隱身是武器平臺(tái)相對(duì)于敵方探測(cè)系統(tǒng)而言,目的是有效降低武器平臺(tái)被敵方發(fā)現(xiàn)、跟蹤、識(shí)別和攻擊的概率,根據(jù)敵方探測(cè)器種類(如雷達(dá)、紅外探測(cè)器、射頻無源探測(cè)、聲納等)的不同,可分為雷達(dá)隱身、紅外隱身、射頻隱身、聲隱身等。

射頻隱身即是相對(duì)于敵方的射頻輻射源偵測(cè)定位系統(tǒng)而言的,能否隱身由飛行器平臺(tái)射頻隱身能力和敵方探測(cè)器的探測(cè)能力共同決定。其中敵方探測(cè)器的探測(cè)能力不由我方掌握的,因此射頻隱身技術(shù)就是我方能實(shí)施的在保持機(jī)載射頻傳感器任務(wù)性能(飛機(jī)達(dá)成其任務(wù)目的)前提條件下,減縮、控制我機(jī)載射頻有源傳感器工作時(shí)輻射的射頻目標(biāo)特征信號(hào),實(shí)現(xiàn)敵對(duì)我射頻輻射信號(hào)低可探測(cè)性或?qū)蓽y(cè)平臺(tái)的信號(hào)不確定。

飛行器射頻傳感器輻射的射頻信號(hào)從發(fā)射、傳輸?shù)奖粩撤綗o源探測(cè)系統(tǒng)截獲、分析處理過程如圖1所示。

如圖1所示,飛行器射頻隱身的最終效果是敵方射頻無源探測(cè)系統(tǒng)的信息處理結(jié)果上無輸出或無序混亂。因此,我們可以將射頻隱身理解為多個(gè)層面的隱身。

(1)使無源探測(cè)系統(tǒng)接收到的輻射信號(hào)太弱,無法滿足其信號(hào)檢測(cè)門限,也就談不上進(jìn)一步的參數(shù)測(cè)量、信號(hào)分選、目標(biāo)識(shí)別等。此層面可以理解為能量檢測(cè)方面的隱身。

(2)使?jié)M足無源探測(cè)系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)門限的射頻輻射信號(hào)淹沒在其周邊電磁環(huán)境信號(hào)之下,使偵收機(jī)無法完成混亂無序的重疊信號(hào)分離,同樣也就談不上進(jìn)一步的參數(shù)測(cè)量、信號(hào)分選等,相當(dāng)于大腦“弱智”。此層面可以理解為信號(hào)處理方面的隱身。

(3)在無源探測(cè)系統(tǒng)具備實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器平臺(tái)信號(hào)的分離能力時(shí),通過飛行器平臺(tái)系統(tǒng)或飛行編隊(duì)的反制措施,促使無源探測(cè)系統(tǒng)無法完成對(duì)飛行器平臺(tái)的定位、跟蹤,相當(dāng)于“瞎子”。此層面可以理解為隱身策略方面的隱身。

因此,飛行器射頻隱身首先是盡可能地使敵方無源探測(cè)系統(tǒng)無法從能量上截獲飛行器的射頻輻射信號(hào)。

但實(shí)際中,大多數(shù)情況下無法滿足這點(diǎn),例如在自由空間中,雷達(dá)距離方程[1]和偵收機(jī)距離方程[2]分別如下:

式中,PT為發(fā)射功率(均方根值);GT為雷達(dá)發(fā)射天線增益;GTI為雷達(dá)發(fā)射天線相對(duì)于偵收機(jī)方向上的天線增益;GIP為偵收機(jī)天線相對(duì)于輻射源目標(biāo)方向上的接收天線增益;GR為雷達(dá)接收機(jī)處理器增益;GI為偵收機(jī)處理增益;PR為雷達(dá)接收機(jī)正確檢測(cè)目標(biāo)所要求的靈敏度;PI為偵收機(jī)正確檢測(cè)目標(biāo)所要求的靈敏度;λ為工作波長(zhǎng);σ表示目標(biāo)的雷達(dá)散射特征,即雷達(dá)截面(RCS)。

可以看出,雷達(dá)作用距離與其輻射特性(包括發(fā)射功率和天線增益)成4次方關(guān)系,偵收機(jī)作用距離與雷達(dá)輻射特性成2次方關(guān)系,所以很難保證敵方無源探測(cè)系統(tǒng)不能從能量上截獲飛行器射頻輻射信號(hào),除非大幅度提升主旁瓣比值(改善GTI),故第一層面的射頻隱身適用面很小。

另一方面,若通過改善雷達(dá)的處理增益(GR)的同時(shí),設(shè)法壓縮敵方偵收機(jī)的信號(hào)處理增益,即增大輻射信號(hào)特征的不確定性,破壞偵收機(jī)的信號(hào)相關(guān)積累效果,降低其信號(hào)參數(shù)預(yù)估、分選和定位能力,則可以保證我飛行器輻射的射頻信號(hào)在被敵方偵收機(jī)截獲時(shí),無法從復(fù)雜電磁環(huán)境信號(hào)中分選出來飛行器射頻信號(hào),更無法通過對(duì)飛行器射頻輻射信號(hào)的識(shí)別和定位達(dá)成對(duì)我飛行器定位、跟蹤。

3 國(guó)外研究情況

20世紀(jì)70年代初期美國(guó)在研制F-117的早期發(fā)現(xiàn),作戰(zhàn)過程中使用的常規(guī)射頻傳感器極易暴露自身位置,導(dǎo)致其精心設(shè)計(jì)的雷達(dá)隱身、紅外受到破壞,由此認(rèn)識(shí)到射頻隱身的重要性并開展了技術(shù)研究,但尚不具備工程應(yīng)用條件。故在F-117中沒有加裝雷達(dá),取消了無線電導(dǎo)航,并在作戰(zhàn)過程中只被動(dòng)接收作戰(zhàn)命令,從而實(shí)行全機(jī)電磁靜默攻擊。

為徹底解決此問題,20世紀(jì)70年代中期開始由美國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局(DARPA)、美國(guó)空軍和海軍主持,以休斯飛機(jī)公司為主承包商進(jìn)行了大量的射頻隱身技術(shù)研究工作,并進(jìn)行了大量試驗(yàn)驗(yàn)證。如1979～1980年針對(duì)法國(guó)幻影飛機(jī)的Cyrano雷達(dá)和F-111A飛機(jī)的無源探測(cè)系統(tǒng)完成了第一個(gè)射頻隱身的飛行試驗(yàn),僅滯后于 F-117A驗(yàn)證機(jī)首飛(1977年12月)一年多的時(shí)間。射頻隱身后雷達(dá)參數(shù)為5 W/波束、9 波束、320 MHz帶寬、天線旁瓣-55 dB、LPI波形。射頻隱身的作戰(zhàn)對(duì)象為F-111A飛機(jī)載的AN/ALR-62雷達(dá)尋的告警接收機(jī)(RHAW)(當(dāng)時(shí)美國(guó)最先進(jìn)的RHAW)、ELINT(電子情報(bào))和反輻射導(dǎo)彈(ARM)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 Cyrano雷達(dá)射頻隱身前后被探測(cè)距離比較[3]Table 1 Detected distance comparison of Cyrano before and after RF stealth

從表1可以看出,機(jī)載雷達(dá)采用射頻隱身技術(shù)后,在保持雷達(dá)對(duì)目標(biāo)作用距離不降低的條件下,無源探測(cè)系統(tǒng)RHAW對(duì)飛機(jī)的探測(cè)距離從346.3 km降低到8.5 km,無源探測(cè)系統(tǒng)ELINT的探測(cè)距離從2187.2 km降低到19.3 km,反輻射導(dǎo)彈的無源探測(cè)距離從55 km降低到0.48 km?？梢?采用射頻隱身技術(shù)后,3種無源探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)距離縮減均在97%以上,射頻隱身的效果十分顯著。

20世紀(jì)80年代中期,前蘇聯(lián)的無線電偵察與反偵察研究人員提出了無線電隱蔽的概念,指出無線電隱蔽是用于降低無線電偵察效果的綜合技術(shù)和組織措施。A.и.庫(kù)普里亞諾夫在其所著的《無線電偵察與反偵察》中也引用了無線電隱蔽的概念,并進(jìn)一步分析能量隱蔽、無線電設(shè)備信號(hào)參數(shù)的隱蔽、偵察和偽裝方法[4]。但其分析是建立在對(duì)抗的場(chǎng)景下,即無線電隱蔽的性能始終與偵察方接收機(jī)的性能指標(biāo)高度關(guān)聯(lián),因此其實(shí)質(zhì)是分析無線電隱蔽的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用效果。盡管文中指出在對(duì)抗條件下,因?yàn)閿撤降臒o線電偵察設(shè)備的性能可能隨時(shí)改進(jìn),造成無線電反偵察功能失效的問題,但文中并未對(duì)此作進(jìn)一步的詳細(xì)闡述和分析,特別是無線電設(shè)備自身的、與偵察方參數(shù)無關(guān)的隱蔽信號(hào)特征參量問題。

4 射頻隱身性能的度量

對(duì)于雷達(dá)隱身性能表征指標(biāo)如RCS至今已被國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用,其僅僅反映了自身平臺(tái)對(duì)雷達(dá)照射波的隱身性能,與對(duì)方雷達(dá)技術(shù)體制和性能指標(biāo)無關(guān),能很好地指導(dǎo)研究平臺(tái)結(jié)構(gòu)和隱身涂層材料的研究。同樣,紅外隱身也提出了紅外輻射強(qiáng)度的表征指標(biāo),反映了隱身平臺(tái)的對(duì)外紅外輻射特性,與對(duì)方紅外探測(cè)設(shè)備的技術(shù)體制和性能指標(biāo)無關(guān),能很好地指導(dǎo)平臺(tái)結(jié)構(gòu)、燃料和紅外隱身措施的研究。相反,射頻隱身至今仍沿用電子對(duì)抗的思路和指標(biāo)體系,常見的截獲概率、截獲球半徑等指標(biāo)均與對(duì)方偵察接收機(jī)技術(shù)體制和性能指標(biāo)緊密關(guān)聯(lián),不利于指導(dǎo)后續(xù)的射頻隱身技術(shù)研究。

事實(shí)上,射頻傳感器的輻射功率、輻射時(shí)間、信號(hào)格式、天線波束特性均與偵察方技術(shù)指標(biāo)無關(guān)而和射頻隱身性能的特征參量緊密關(guān)聯(lián)。對(duì)于信號(hào)的輻射功率、輻射時(shí)間和天線低副瓣技術(shù)方面,國(guó)內(nèi)外已有成套的指標(biāo)表達(dá)形式。但對(duì)于輻射信號(hào)的信號(hào)格式表征方面,卻未見公開文獻(xiàn)報(bào)道。因此本文提出反映射頻隱身性能的信號(hào)特征參量,用以描述輻射信號(hào)的信號(hào)格式。

根據(jù)圖1所示的偵收機(jī)截獲過程圖,一般的信號(hào)偵收過程中必須至少在同一偵收時(shí)段內(nèi)捕捉到多個(gè)特征相同或相似的特定信號(hào)段方能確認(rèn)該信號(hào)的存在,并借此確認(rèn)輻射源平臺(tái)的目標(biāo)屬性。也就是說,即使捕捉到1個(gè)信號(hào)段,特別是脈沖信號(hào)很可能會(huì)在信號(hào)處理中被誤認(rèn)為干擾脈沖或虛警信號(hào)而被過濾掉,從而不在偵收系統(tǒng)操作界面上實(shí)時(shí)顯示出來,盡管可能會(huì)在后期的數(shù)據(jù)挖掘中找出該信號(hào),但也因不具時(shí)效性而失去戰(zhàn)術(shù)使用價(jià)值,特別是對(duì)于飛行器這類高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。按此思路,則對(duì)于信號(hào)特征不確定的短脈沖信號(hào)一定具有隱身性能,那么針對(duì)給定波形特征空間中的特征集合,建立新型的波形特征不確定性度量方法和度量函數(shù),優(yōu)化選擇特征子集,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)波形參數(shù)不確定性的最大化也就成為其中一個(gè)研究重點(diǎn)。

為了提高飛行器射頻信號(hào)對(duì)偵察接收機(jī)的射頻隱身能力,使其無法完成信號(hào)的分選、特征識(shí)別和跟蹤,則需要使偵察接收機(jī)從飛行器射頻隱身波形中能夠提取的有用信息越少越好,也就是讓射頻波形參數(shù)的不確定性越大越好。在此設(shè)定在特征子集X中賦予一定結(jié)構(gòu)關(guān)系,構(gòu)成表示射頻隱身波形的某特征子空間 X,進(jìn)而構(gòu)造出波形特征不確定性度量函數(shù)H(X),用以表示由 X所決定的射頻隱身波形特征不確定性。

根據(jù)基于信息度量中的結(jié)構(gòu)度量、統(tǒng)計(jì)度量、語(yǔ)義度量、語(yǔ)用度量、模糊度量的原理與方法,我們擬以熵的形式來對(duì)波形特征的不確定性進(jìn)行度量。即若X是一個(gè)隨機(jī)變量,按照熵的定義[5]:

其中,H(X)越大,則隨機(jī)變量X所包含的不確定性就越高。

在離散系統(tǒng)中,根據(jù)概率論可以把離散的隨機(jī)變量x和它的概率分布表示為[6]

所以離散變量的熵即可表示為

如式(5)所示,熵反映了隨機(jī)變量 X的概率分布函數(shù)F(x～ p),可應(yīng)用于后續(xù)分析熵或根據(jù)熵設(shè)計(jì)隨機(jī)變量X的跳變圖案。

由于飛行器平臺(tái)的射頻信號(hào)所包含特征多,樣本數(shù)據(jù)量大,因此其特征不確定性一定具有空間高維復(fù)雜性特點(diǎn)。參見表2,某隱身飛行編隊(duì)由多個(gè)同類或異類隱身飛行平臺(tái)組成,其中單個(gè)隱身飛行平臺(tái)也是由多個(gè)射頻傳感器組成,對(duì)于單個(gè)射頻傳感器的射頻特征則由多個(gè)射頻波形參數(shù)組成等,如此可以不斷細(xì)分下去。

給定某單個(gè)飛行器平臺(tái)A的1號(hào)射頻傳感器射頻波形樣本數(shù)據(jù)集 I=(f,τ,T, ,V,P,…),其中f={f1,f2,f3,…,fα}、τ={τ1,τ2,τ3,…,τβ}、T={T1,T2,T3,…,Tδ}等分別表示平臺(tái)A的1號(hào)射頻傳感器射頻波形的各維度參數(shù)樣本集,其中工作頻點(diǎn)樣本集f中共存在α個(gè)點(diǎn),脈寬樣本集τ中存在β種參數(shù),周期樣本集 T中存在δ種參數(shù),等等。而且樣本數(shù)據(jù)集I=(f,τ,T, ,V,P,…)的每個(gè)子特征及子特征中包含的孫特征項(xiàng)均可看作隨機(jī)變量,于是特征子集 I=[f,τ,T, ,V,P,…]就是一個(gè)由多個(gè)子特征[f,τ,T, ,V,P,…]及孫特征(如[f1,f2,f3,…,fα]、[τ1,τ2,τ3,…,τβ]等)組成的隨機(jī)變量組。

于是參考式(4)～(5)可以針對(duì)所研究的特征子集,分別計(jì)算出H(f)、H(τ)、H(T)等各項(xiàng)特征參數(shù)不確定性的熵,表示為

若設(shè)計(jì)隱身波形時(shí)各組變化特征項(xiàng)之間均不相關(guān),則可以得到平臺(tái)A的1號(hào)射頻傳感器射頻波形的不確定性熵:

同理可以計(jì)算出2號(hào)、3號(hào)……傳感器的射頻波形的不確定性熵H(A2)、H(A3)……若本平臺(tái)內(nèi)的各射頻傳感器不相關(guān),則可以得到平臺(tái)A的射頻特征不確定性熵

考慮電磁環(huán)境影響時(shí),則可以將電磁環(huán)境參數(shù)作為一個(gè)虛擬的傳感器對(duì)待。以波形工作頻點(diǎn)為例。在該傳感器射頻輻射的時(shí)間和空間中,工作頻段上一定存在包括本傳感器頻點(diǎn)在內(nèi)的 m個(gè)信號(hào)頻點(diǎn),通過背景監(jiān)測(cè)可以得到各個(gè)頻點(diǎn)出現(xiàn)概率,由此計(jì)算出此虛擬傳感器的頻點(diǎn)熵值H(A0f),同樣計(jì)算得到 H(A0τ)、H(A0T)等 ,再共同應(yīng)用于式(8)～(9)中,得到平臺(tái)A在實(shí)際電磁環(huán)境下射頻特征不確定性的熵。

同樣道理可以引入到編隊(duì)之中。但實(shí)際應(yīng)用中,飛行器編隊(duì)各平臺(tái)間不可能是不相關(guān)的,因此編隊(duì)的射頻特征不確定熵計(jì)算要顧及平臺(tái)之間相關(guān)性,是一種條件熵。還需要引入編隊(duì)平臺(tái)間相關(guān)函數(shù)、邊界條件等參與計(jì)算,復(fù)雜性較高,在此不再展開論述。

如表2所示,飛行器平臺(tái)包含有多個(gè)射頻傳感器,每個(gè)傳感器的射頻信號(hào)波形又具有多維的信號(hào)特征。

表2 單一傳感器、射頻參數(shù)、單平臺(tái)以及多平臺(tái)編隊(duì)的聯(lián)合熵構(gòu)成表Table 2 Joint entropy table of single sensor,RF parameter,single platform andmulti-platform formation

5 不確定性熵值的考核方法和應(yīng)用

如圖2所示,當(dāng)已知特征參數(shù)的跳變圖案時(shí)或通過實(shí)際儀器進(jìn)行測(cè)試后,可以得出該特征參變量分布概率或概率密度函數(shù),繼而計(jì)算出該特征參變量的不確定性熵值。

反之,在對(duì)射頻傳感器的設(shè)計(jì)過程中,若要求提升某特征參變量的不確定性熵值,或者直接要求不確定性熵值達(dá)到某個(gè)目標(biāo)時(shí),可以計(jì)算出該特征參變量的概率密度函數(shù)或分布概率,再按照分布概率設(shè)置該特征參變量對(duì)應(yīng)的最佳跳變圖案。

同理,參見表2計(jì)算方法,可以利用聯(lián)合熵的計(jì)算方法進(jìn)行多維、多傳感器以及多平臺(tái)編隊(duì)時(shí)的不確定性熵值分析和設(shè)計(jì),合理分配各級(jí)、各特征參變量所對(duì)應(yīng)的最佳跳變圖案。

圖2 不確定性熵的應(yīng)用流程圖Fig.2 Application flowchart of entropy

6 結(jié)束語(yǔ)

通過分析無源探測(cè)機(jī)理,提出了射頻隱身技術(shù)概念和內(nèi)涵是多層次隱身的觀點(diǎn)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑,并切斷敵對(duì)方偵察接收機(jī)技術(shù)體制和性能指標(biāo)與射頻隱身指標(biāo)高度關(guān)聯(lián)性,提出了反映射頻隱身傳感器及平臺(tái)的不確定性技術(shù)指標(biāo)定義、分析計(jì)算方法和設(shè)計(jì)應(yīng)用方法,可為射頻隱身技術(shù)、低截獲信號(hào)設(shè)計(jì)等研究人員提供有價(jià)值參考。

本文中未提及條件熵的計(jì)算模型和分析,這需要在具體工程中結(jié)合實(shí)際來進(jìn)一步深入研究。

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