射頻隱身反隱身E&V系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

王經(jīng)商，吳 華，程嗣怡，陳 游，王文哲（空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，西安 710038）

射頻隱身反隱身E&V系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

王經(jīng)商，吳 華，程嗣怡，陳 游，王文哲
（空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，西安 710038）

針對(duì)戰(zhàn)機(jī)射頻隱身性能很難評(píng)估的現(xiàn)實(shí)問題，提出一種射頻隱身反隱身實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證半實(shí)物仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)不僅能對(duì)戰(zhàn)機(jī)的射頻隱身性能進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)還可以對(duì)飛機(jī)的隱身波形、輻射策略等設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)支撐。在分析輻射信號(hào)模型以及截獲模型的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的各功能組成和結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)可以開展對(duì)于射頻隱身的作戰(zhàn)需求、管控模型、使用準(zhǔn)則等方面的定量研究，對(duì)于提高戰(zhàn)機(jī)的生存能力、突防能力和作戰(zhàn)能力具有重要的意義。

射頻隱身，實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證系統(tǒng)，隱身波形，輻射策略，定量研究

0 引言

射頻隱身是指機(jī)載雷達(dá)、通信導(dǎo)航識(shí)別、數(shù)據(jù)鏈和電子戰(zhàn)等機(jī)載電子設(shè)備抵御射頻無源探測(cè)、跟蹤和識(shí)別，以減少射頻無源探測(cè)系統(tǒng)的作用距離及跟蹤制導(dǎo)精度的隱身技術(shù)。

目前，美國已經(jīng)全面掌握了各類機(jī)載電子設(shè)備輻射能量的自適應(yīng)控制技術(shù)、射頻隱身波形設(shè)計(jì)等射頻隱身技術(shù)，并且為新一代的主戰(zhàn)飛機(jī)配備了射頻隱身性能良好的機(jī)載電子設(shè)備［1］。而國內(nèi)對(duì)于射頻隱身技術(shù)的研究起步較晚，目前尚處于概念研究階段［2］。文獻(xiàn)［3-6］對(duì)于機(jī)載雷達(dá)、數(shù)據(jù)鏈以及機(jī)載電子對(duì)抗等有源輻射源的射頻隱身進(jìn)行了探索性的研究，提出了表征射頻隱身的性能參量和影響因素；文獻(xiàn)［7-9］從作戰(zhàn)過程中的輻射功率、開機(jī)時(shí)刻、駐留時(shí)間等參量提出了優(yōu)化控制方法；文獻(xiàn)［10-11］從輻射信號(hào)的波形出發(fā)提出了低截獲概率雷達(dá)信號(hào)波形設(shè)計(jì)方法等；文獻(xiàn)［12］給出了兩種能量控制策略下的最優(yōu)輻射策略方案?？梢妼?duì)于射頻隱身的準(zhǔn)則、策略、影響因素的理論研究已經(jīng)很多，而對(duì)其進(jìn)行性能評(píng)估和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的文獻(xiàn)則鮮有。而實(shí)際上未來戰(zhàn)機(jī)對(duì)于射頻隱身性能的需求將顯得更加迫切，所以急需建立一種實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證系統(tǒng)來對(duì)戰(zhàn)機(jī)的射頻隱身性能進(jìn)行驗(yàn)證。

文獻(xiàn)［13］結(jié)合某工程項(xiàng)目提出對(duì)于低截獲信號(hào)波形的驗(yàn)證方法。文獻(xiàn)［14］提出了新一代機(jī)載火控LPI（Low Probability of Intercept）雷達(dá)回波模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)于雷達(dá)波形的LPI性能評(píng)估具有實(shí)用性。但是上述文獻(xiàn)的驗(yàn)證僅僅是雷達(dá)信號(hào)波形的低可截獲性，而對(duì)于戰(zhàn)機(jī)總的輻射策略、隱身準(zhǔn)則和影響因素等缺少系統(tǒng)性的總體驗(yàn)證。針對(duì)這一不足，本文提出一種射頻隱身反隱身實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，該系統(tǒng)可以用于開展對(duì)于射頻隱身的作戰(zhàn)需求、管控模型、關(guān)鍵數(shù)據(jù)和使用準(zhǔn)則等方面進(jìn)行定量的研究，這對(duì)于提升戰(zhàn)機(jī)的射頻隱身性能具有重要的意義與價(jià)值。

1 系統(tǒng)方案

本文建立的實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證系統(tǒng)主要以硬件和半實(shí)物設(shè)備為主，包括機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)（AESA）、電子戰(zhàn)（ECM）、敵我識(shí)別（IFF）、機(jī)間鏈（IFDL）以及通信輻射源和機(jī)載被動(dòng)接收雷達(dá)、ESM、告警器等接收機(jī)平臺(tái)，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示:

圖1 射頻隱身反隱身E&V系統(tǒng)組成圖

射頻隱身反隱身實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證系統(tǒng)以半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為主體，同時(shí)包含“測(cè)試事件編輯與加載”、“測(cè)試結(jié)果分析與評(píng)估”、“對(duì)抗實(shí)驗(yàn)演示”等單元，其硬件構(gòu)成如圖2所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，以射頻注入方式模擬真實(shí)場景下射頻信號(hào)源和截獲接收機(jī)信號(hào)層面的對(duì)抗情況，進(jìn)行效能評(píng)估后形成某特定測(cè)試事件或測(cè)試任務(wù)序列的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。圖1所示的各類機(jī)載電子設(shè)備的外部輻射信號(hào)特征以及復(fù)雜的電磁環(huán)境信號(hào)特征主要通過多功能綜合信號(hào)模擬器來進(jìn)行模擬；而截獲接收機(jī)主要采用可編程寬帶截獲接收機(jī)來進(jìn)行模擬，它能夠根據(jù)仿真控制平臺(tái)給出的工作狀態(tài)及參數(shù)設(shè)定，模擬截獲接收機(jī)的工作過程，輸出實(shí)時(shí)截獲信號(hào)，送到射頻隱身反隱身性能分析、評(píng)估平臺(tái)，通過對(duì)截獲信號(hào)序列的識(shí)別、關(guān)聯(lián)、定位處理，輸出射頻對(duì)抗特性數(shù)據(jù)，進(jìn)行射頻隱身反隱身能力評(píng)估。

2 射頻隱身的技術(shù)概念及內(nèi)涵

戰(zhàn)機(jī)射頻隱身與否不僅取決于本機(jī)傳感器在工作時(shí)輻射信號(hào)的低可截獲性特性，還取決于敵方無源探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)能力。射頻信號(hào)從發(fā)射、傳輸?shù)奖粩撤浇孬@接收機(jī)截獲、分選、識(shí)別過程參見文獻(xiàn)［15］。因此，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)機(jī)的射頻隱身特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證，最關(guān)鍵的問題就是要能夠真實(shí)地模擬出敵我雙方在作戰(zhàn)對(duì)抗過程中信號(hào)級(jí)層面的對(duì)抗。

2.1 射頻輻射信號(hào)模型

2.1.1 雷達(dá)發(fā)射信號(hào)

以線性調(diào)頻信號(hào)為例，雷達(dá)發(fā)射信號(hào)可表示為:

式中u（t）為信號(hào)的復(fù)包絡(luò)，f0為載波頻率，K=B/T為頻率變化斜率，B為信號(hào)帶寬，T為時(shí)寬。

2.1.2 雷達(dá)回波信號(hào)模型

點(diǎn)目標(biāo)的回波信號(hào)模型一般表達(dá)式為:

2.1.3 雜波信號(hào)模型

常用的雜波信號(hào)模型通常采用幅度統(tǒng)計(jì)特性和功率譜特性來描述，常用的雜波幅度分布模型主要有瑞利分布，對(duì)數(shù)正態(tài)分布，威布爾分布等；常用的雜波功率譜模型有高斯譜、指數(shù)譜和柯西譜等，這里主要給出高斯譜的表達(dá)式。

瑞利分布為:

對(duì)數(shù)正態(tài)分布:

威布爾分布:

高斯譜為:

式中，σf為雜波均方譜寬，fd為雜波平均多普勒頻率。

2.1.4 射頻干擾信號(hào)的模型

常用的干擾分為有源干擾和無源干擾兩種，有源干擾又包含噪聲調(diào)幅、噪聲調(diào)頻、噪聲調(diào)相等，在這主要給出有源干擾的信號(hào)模型。

射頻噪聲干擾信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

噪聲調(diào)幅干擾信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

噪聲調(diào)頻干擾的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

噪聲調(diào)相干擾信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中，調(diào)制噪聲Un（t）為均值為零，方差為σn2的廣義平穩(wěn)隨機(jī)過程；φ為在［0，2π］均勻分布；ωj為中心頻率，KFM為調(diào)頻斜率，KPM為調(diào)相斜率。

要想使得驗(yàn)證系統(tǒng)得到的結(jié)果具有可信度，這就要求系統(tǒng)對(duì)于各類輻射信號(hào)以及電磁環(huán)境能夠做到真實(shí)模擬，本系統(tǒng)需要的各類射頻信號(hào)（從頻率較低的通信信號(hào)到頻率較高的機(jī)載雷達(dá)信號(hào)）主要靠多功能綜合信號(hào)模擬器來進(jìn)行產(chǎn)生，該模擬器不僅能夠模擬超寬頻帶在內(nèi)的包括雷達(dá)信號(hào)、目標(biāo)回波信號(hào)、戰(zhàn)場環(huán)境信號(hào)和干擾信號(hào)等信號(hào)的各類樣式，而且采用實(shí)時(shí)控制和預(yù)先編輯兩種模擬方式，并具備遠(yuǎn)程編輯與加載功能；具有覆蓋頻段寬、使用靈活的特點(diǎn)；同時(shí)還能夠模擬雷達(dá)接收機(jī)對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行接收和目標(biāo)干擾調(diào)制，能夠真實(shí)模擬雷達(dá)信號(hào)輻射與接收處理的射頻閉環(huán)全過程，為射頻隱身研究提供接近真實(shí)的輻射信號(hào)環(huán)境。圖3為利用多功能綜合信號(hào)模擬器產(chǎn)生的雷達(dá)信號(hào)、干擾信號(hào)以及雜波信號(hào)。

圖3 利用多功能綜合信號(hào)模擬器產(chǎn)生的雷達(dá)信號(hào)、干擾信號(hào)以及雜波信號(hào)

圖3（a）所示的線性調(diào)頻信號(hào)的參數(shù)設(shè)置為:脈沖重復(fù)周期為400 us，脈沖寬度為80 us，波形帶寬為5 MHz，駐留周期1 000 us，駐留內(nèi)波形個(gè)數(shù)為10個(gè)；圖3（b）所示的為相位編碼信號(hào)碼元個(gè)數(shù)為10個(gè)，碼元寬度為80 us，脈沖重復(fù)周期為400 us；

圖3（c）所示的噪聲調(diào)頻干擾在主顯示區(qū)為噪聲干擾波形時(shí)域曲線，左下圖為調(diào)頻噪聲統(tǒng)計(jì)分布曲線，右下圖為噪聲干擾頻譜曲線；圖3（d）所示的雜波波形主顯示區(qū)上圖為雜波時(shí)域曲線，左下圖為雜波幅度統(tǒng)計(jì)分布曲線，右下圖為雜波功率譜曲線。

2.2 截獲信號(hào)模型

不管是雷達(dá)信號(hào)還是干擾信號(hào)，被截獲接收機(jī)截獲的過程都是一樣的，截獲接收機(jī)要實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻輻射信號(hào)的可靠截獲需要從時(shí)域、空域、頻域、能量域以及極化方式等5個(gè)方面與輻射信號(hào)“匹配”，圖4為雷達(dá)信號(hào)的截獲示意圖。首先偵察天線需要與雷達(dá)天線對(duì)準(zhǔn)；其次是到達(dá)截獲接收機(jī)處的功率要大于偵察機(jī)的靈敏度在功率上才能達(dá)到截獲的觸發(fā)條件；現(xiàn)在的雷達(dá)大多采用頻率捷變體制，所以只有將測(cè)頻接收機(jī)的頻率調(diào)整到雷達(dá)信號(hào)的頻段上才能探測(cè)到信號(hào)。一般采用伯努利實(shí)驗(yàn)來描述截獲概率問題，截獲接收機(jī)對(duì)某一輻射信號(hào)截獲概率為:

式中，AF是指天線波束的覆蓋面積，Dt是截獲接收機(jī)的密度，TOT表示輻射源對(duì)截獲接收機(jī)的照射時(shí)間，TI表示截獲接收機(jī)搜索時(shí)間，Pd表示截獲接收機(jī)探測(cè)到輻射源能量的檢測(cè)概率，Pf表示截獲接收機(jī)調(diào)諧到發(fā)射機(jī)頻率的概率。

可編程寬帶截獲接收機(jī)采用全頻段寬開、多通道并行采集記錄和數(shù)字信號(hào)與可編輯信息高速處理的技術(shù)手段，具有覆蓋頻段寬、使用靈活等特點(diǎn)，為射頻隱身研究提供截獲接收特性的模擬設(shè)備，與多功能綜合信號(hào)模擬器和其他輔助信號(hào)源共同構(gòu)成射頻仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

圖4 雷達(dá)信號(hào)截獲示意圖

3 系統(tǒng)的功能組成及原理

射頻隱身反隱身實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證系統(tǒng)功能組成可分為多功能綜合信號(hào)模擬器、可編程寬帶截獲接收機(jī)、信號(hào)測(cè)試與采集、測(cè)試事件編輯與加載、測(cè)試結(jié)果分析與評(píng)估和對(duì)抗實(shí)驗(yàn)演示6個(gè)核心單元。多功能綜合信號(hào)模擬器和可編程截獲接收機(jī)已經(jīng)作過說明，下面簡單介紹其他4個(gè)單元的功能。

3.1 信號(hào)測(cè)試與采集單元

信號(hào)測(cè)試與采集部分主要是通過專業(yè)測(cè)試和數(shù)據(jù)采集儀器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)對(duì)抗實(shí)驗(yàn)過程中輻射/接收信號(hào)、測(cè)試平臺(tái)分析處理結(jié)果的實(shí)時(shí)采集。其基本組成包括:射頻輻射信號(hào)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)、天線近場特性測(cè)試系統(tǒng)和電磁頻譜監(jiān)測(cè)記錄系統(tǒng)等。由于實(shí)驗(yàn)過程中針對(duì)多個(gè)信號(hào)源、接收機(jī)處理結(jié)果進(jìn)行快速采樣，采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量大，系統(tǒng)中必須采用具有高速讀寫能力的大容量磁盤陣列。信號(hào)測(cè)試與采集單元的基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示:

圖5 信號(hào)測(cè)試與采集基本結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 測(cè)試事件編輯與加載單元

測(cè)試事件編輯與加載單元包括測(cè)試任務(wù)編輯與加載、測(cè)試方案形成、作戰(zhàn)想定編輯與加載和測(cè)試事件記錄庫，其主要功能是根據(jù)測(cè)試需求形成測(cè)試事件序列。仿真對(duì)抗實(shí)驗(yàn)前，通過用戶測(cè)試需求，建立測(cè)試任務(wù)列表，并形成有效的測(cè)試方案。測(cè)試方案包括測(cè)試儀器的選取、系統(tǒng)測(cè)試軟件的調(diào)用、測(cè)試平臺(tái)參數(shù)的設(shè)置等。作戰(zhàn)想定編輯與加載的內(nèi)容包括裝備性能參數(shù)、目標(biāo)與環(huán)境特征、作戰(zhàn)場景選取、作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃、綜合態(tài)勢(shì)生成等。“測(cè)試事件編輯與加載單元”提供測(cè)試事件記錄庫，保存當(dāng)前編輯與加載的測(cè)試事件，并與實(shí)驗(yàn)效能評(píng)估結(jié)果相關(guān)聯(lián)，方便實(shí)驗(yàn)后的查閱和對(duì)比分析。

3.3 測(cè)試結(jié)果分析與評(píng)估單元

測(cè)試結(jié)果分析與評(píng)估單元針對(duì)當(dāng)前測(cè)試需求，根據(jù)海量測(cè)試記錄數(shù)據(jù)，采用合理的評(píng)估模型給出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。其核心包括射頻管控策略分析與驗(yàn)證、機(jī)載/地面輻射源裝備性能驗(yàn)證和被動(dòng)接收機(jī)裝備性能驗(yàn)證3個(gè)部分。在評(píng)估分析過程中，需要建立有效的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則庫和經(jīng)驗(yàn)?zāi)０鍘臁Ｆ浠窘Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 測(cè)試結(jié)果分析與評(píng)估單元基本結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 對(duì)抗實(shí)驗(yàn)演示單元

對(duì)抗實(shí)驗(yàn)演示單元包括演示效果顯示控制席位、場景態(tài)勢(shì)及演示效果生成席位和多維顯示模型數(shù)據(jù)服務(wù)器等，用以在數(shù)字仿真進(jìn)程中實(shí)時(shí)顯示對(duì)抗態(tài)勢(shì)與射頻輻射情況、在數(shù)字仿真/半實(shí)物對(duì)抗實(shí)驗(yàn)完成后顯示實(shí)驗(yàn)的評(píng)估分析結(jié)果。

4 仿真結(jié)果與分析

最終建立的射頻隱身反隱身實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證系統(tǒng)的態(tài)勢(shì)，主要通過多功能綜合信號(hào)模擬器以及可編程寬帶截獲接收機(jī)的主次顯示界面來顯示。多功能綜合信號(hào)模擬器的主、次顯示界面如圖7所示；可編程寬帶截獲接收機(jī)的主、副顯示界面如圖8所示。

圖7 多功能綜合信號(hào)模擬器的主次顯示界面

圖7（a）是給出了一個(gè)假定典型工作場景的態(tài)勢(shì)圖，總共有兩個(gè)目標(biāo)通道，通道1設(shè)置了兩個(gè)目標(biāo)，通道2設(shè)置了4個(gè)目標(biāo)，工作頻率為3.4 GHz，接收衰減為10 dB，發(fā)射衰減為20 dB，圖中對(duì)應(yīng)的淡綠色的扇形區(qū)域?yàn)殡s波區(qū)域；而圖7（b）所顯示的是其對(duì)應(yīng)的方位角、俯仰角以及距離參數(shù)等實(shí)時(shí)信息；次顯示界面通過圖形、表格、文字等多種形式實(shí)時(shí)顯示信號(hào)處理結(jié)果、狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果信息等，對(duì)于主顯示界面具有很好的補(bǔ)充作用。

圖8則是將實(shí)時(shí)的輻射源數(shù)量、噪聲干擾源數(shù)量、數(shù)據(jù)處理結(jié)果等信息顯示出來并且將處理結(jié)果發(fā)送給射頻隱身反隱身性能分析評(píng)估軟件，以供實(shí)時(shí)和事后數(shù)據(jù)的分析。

圖8 可編程寬帶截獲接收機(jī)的主、副顯示界面

5 結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前戰(zhàn)機(jī)射頻隱身性能得不到很好驗(yàn)證的現(xiàn)狀，本文提出建立一種射頻隱身反隱身實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證的半實(shí)物仿真系統(tǒng)。在詳細(xì)分析輻射信號(hào)模型以及截獲模型的基礎(chǔ)上，通過多功能綜合信號(hào)模擬器以及可編程寬帶截獲接收機(jī)從信號(hào)級(jí)對(duì)抗的角度來模擬真實(shí)的戰(zhàn)場對(duì)抗過程。并對(duì)于系統(tǒng)的功能組成進(jìn)行了簡單介紹。該系統(tǒng)可以用來開展對(duì)于射頻隱身的作戰(zhàn)需求、管控模型和使用準(zhǔn)則等問題的定量研究。對(duì)于提升戰(zhàn)機(jī)的生存能力、突防能力和作戰(zhàn)能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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Design and Implementation of an RF Stealth Anti-stealth Experimentation and Verification System

WANG Jing-shang，WU Hua，CHENG Si-yi，CHEN You，WANG Wen-zhe
（School of Aeronautics and Astronautics Engineering，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China）

Aiming to the reality that the RF stealth performance of a fighter actually difficult to assess，this paper presents a design and implementation menthod of RF stealth anti-stealth experimentation and verification of hardware-in-the-loop simulation system.The system can not only validated RF stealth performance of a fighter，at the same time，it can also provide theoretical basis and experimental support for aircraft stealth waveform，radiation strategies design.Based on the analysis of radiation signal model and intercept model on the basis of detailed introduces，the composition of each function and structure diagram of the system are described.Practice results show that the system can be carried out for the RF stealth of the operational requirements，control model and using principles of quantitative research.It is great important for improving the penetration ability of aircraft，survival ability and combat ability.

RF stealth，experiment and verification system，stealth waveform，radiation strategy，quantitative research

TN97

A

1002-0640（2017）03-0141-05

2016-02-02

2016-03-09

航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20152096019；20145596025）

王經(jīng)商（1990- ），男，江蘇連云港人，碩士研究生。研究方向：電子對(duì)抗理論與技術(shù)。