基于模式識(shí)別的自適應(yīng)有源干擾策略研究

崔積豐 胡富增

（解放軍91404部隊(duì) 秦皇島 066001）

1 引言

隨著信息化水平和電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境日益復(fù)雜，傳統(tǒng)雷達(dá)對(duì)抗裝備作戰(zhàn)效能面臨許多問題，尤其是雷達(dá)快速發(fā)展的抗干擾能力使電子戰(zhàn)裝備干擾效果無法達(dá)成、作戰(zhàn)對(duì)象不斷提升的智能化水平對(duì)雷達(dá)對(duì)抗裝備智能化提出更高要求等［1］，雷達(dá)對(duì)抗裝備面臨發(fā)展瓶頸迫切需要變革，認(rèn)知電子戰(zhàn)是目前提升雷達(dá)對(duì)抗裝備作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵技術(shù)［2］。本文從認(rèn)知電子戰(zhàn)出發(fā)，以雷達(dá)模式識(shí)別為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)有源干擾策略，通過實(shí)時(shí)更新被干擾對(duì)象工作狀態(tài)自適應(yīng)切換有源干擾樣式，以達(dá)到更好的干擾效果。

2 認(rèn)知電子戰(zhàn)概念及現(xiàn)狀

2.1 認(rèn)知電子戰(zhàn)概念

認(rèn)知電子戰(zhàn)是為了應(yīng)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境日益復(fù)雜、新波形的不斷出現(xiàn)及作戰(zhàn)目標(biāo)的智能發(fā)展而產(chǎn)生的電子戰(zhàn)新思想和新方式［3］。認(rèn)知電子戰(zhàn)要具備惡劣作戰(zhàn)環(huán)境下在任意空間和任意時(shí)間可自主預(yù)測(cè)、發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和對(duì)抗任意威脅，因此具備作戰(zhàn)環(huán)境的實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)和感知、干擾樣式的智能選擇和干擾效果實(shí)時(shí)評(píng)估等能力，是一個(gè)智能的、自適應(yīng)的人機(jī)交互動(dòng)態(tài)閉環(huán)系統(tǒng)。其組成框圖如圖1所示。

圖1 認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)組成框圖

2.2 認(rèn)知電子戰(zhàn)關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 認(rèn)知情報(bào)偵察

認(rèn)知情報(bào)偵察技術(shù)主要分為兩類，第一類是頻譜感知和自主頻譜學(xué)習(xí)，用于戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境與雜波感知、場(chǎng)景感知與目標(biāo)建模以及信號(hào)偵察與識(shí)別；第二類是自適應(yīng)輻射源分選，用于對(duì)大量的分布于頻域、時(shí)域、空間域及能量域輻射源到達(dá)信號(hào)進(jìn)行智能分類，增加脈沖間的相關(guān)性，利用自適應(yīng)快速聚類分析確定信號(hào)的類型和參數(shù)動(dòng)態(tài)變化信息。

2.2.2 認(rèn)知建模

認(rèn)知建模技術(shù)主要分為兩類，第一類是自主推理與輔助決策，通過智能算法的協(xié)作自主完成認(rèn)知電子戰(zhàn)裝備的任務(wù)部署與轉(zhuǎn)換；第二類是動(dòng)態(tài)電磁環(huán)境描述，通過基于認(rèn)知庫的電磁環(huán)境統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和架構(gòu)完成對(duì)動(dòng)態(tài)電磁環(huán)境的描述，識(shí)別并快速認(rèn)知偵收信號(hào)的動(dòng)態(tài)參數(shù)。

2.2.3 電子干擾

自適應(yīng)電子干擾技術(shù)是認(rèn)知電子戰(zhàn)技術(shù)的核心技術(shù)，由于認(rèn)知雷達(dá)、數(shù)字陣列雷達(dá)體制多變、工作模式靈活多樣、信號(hào)形式復(fù)雜多變，常規(guī)電子干擾技術(shù)對(duì)其實(shí)施偵察并干擾難度較大，難以取得較好的干擾效果，自適應(yīng)電子干擾技術(shù)引入智能化思想，在軟件算法設(shè)計(jì)中使用干擾措施合成技術(shù)，綜合考慮針對(duì)不同類型目標(biāo)的干擾參數(shù)設(shè)置、不同威脅等級(jí)目標(biāo)的干擾措施合成、智能生成干擾策略等問題，開發(fā)探索高實(shí)時(shí)性和適應(yīng)能力的智能優(yōu)化算法。

2.2.4 自適應(yīng)效能評(píng)估

自適應(yīng)效能評(píng)估技術(shù)通過被干擾對(duì)象在干擾前后的信號(hào)參數(shù)和特征變化快速實(shí)時(shí)評(píng)估干擾措施的有效性，主要通過偵收各種雷達(dá)目標(biāo)的不同工作參數(shù)并分析總結(jié)不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)形成智能推理機(jī)制，推測(cè)目標(biāo)所處的工作狀態(tài)并判斷其戰(zhàn)術(shù)意圖，從而指導(dǎo)干擾措施合成優(yōu)化實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的干擾效果。

3 自適應(yīng)有源干擾策略

3.1 雷達(dá)模式識(shí)別

高威脅雷達(dá)信號(hào)在戰(zhàn)爭(zhēng)中將表現(xiàn)出一系列的特征和規(guī)律［4］，包括信號(hào)參數(shù)變化、任務(wù)類型調(diào)整、任務(wù)特點(diǎn)變動(dòng)、工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換等，由于雷達(dá)技術(shù)不斷取得突破性進(jìn)展，雷達(dá)功能更趨豐富，而且雷達(dá)根據(jù)環(huán)境和任務(wù)需求、變化等進(jìn)行調(diào)整的能力也快速發(fā)展，造成電子戰(zhàn)裝備偵收到的雷達(dá)特征和規(guī)律更趨多樣化和復(fù)雜化，但也為電子戰(zhàn)裝備根據(jù)雷達(dá)參數(shù)特征變化進(jìn)行自適應(yīng)、針對(duì)性的有源干擾提供了契機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)較好的干擾效果，必須準(zhǔn)確測(cè)量偵收雷達(dá)信號(hào)。電子戰(zhàn)裝備偵收的雷達(dá)信號(hào)特征參數(shù)中，常見的參數(shù)變化包括載頻捷變、波形變化、脈沖周期變化、脈寬變化、掃描周期與方式變化等，本文以雷達(dá)掃描方式變化為例進(jìn)行分析。

跟蹤雷達(dá)天線方向圖通常是窄波束，為覆蓋特定范圍空域，需要雷達(dá)使用窄波束掃描指定空域，不時(shí)變化波束位置，當(dāng)跟蹤鎖定特定目標(biāo)時(shí)，雷達(dá)波束將駐留［5］。雷達(dá)波束實(shí)際上并非完全對(duì)稱，水平和俯仰波束寬度通常不同。以覆蓋半球形空域?yàn)槔蠹s需要的獨(dú)立波束數(shù)目Nbp為

式中，θAZ、θEL分別是3dB水平波束寬度和3dB俯仰波束寬度，單位為弧度。

雷達(dá)掃描空域范圍大小由雷達(dá)任務(wù)模式?jīng)Q定，若使用半球空域搜索目標(biāo)，也會(huì)采用小范圍搜索方式達(dá)成精確定位［6］，跟蹤雷達(dá)有可能停止搜索進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，因此可根據(jù)雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的恒定照射判定雷達(dá)是否處于跟蹤鎖定狀態(tài)。于電子掃描陣列而言，跟蹤波形為數(shù)量較多的重復(fù)突發(fā)脈沖，接收的雷達(dá)脈沖幅度一般相同，可根據(jù)脈沖幅度特征區(qū)分跟蹤狀態(tài)與非跟蹤狀態(tài)。

設(shè)每個(gè)波束位置的脈沖數(shù)目為Nppbw，對(duì)于重周固定的雷達(dá)，波束駐留時(shí)間Td為

式中，PRI為脈沖重復(fù)周期。雷達(dá)在特定掃描方式下完成指定空域掃描的總時(shí)間為Tscan，其計(jì)算方法為

3.2 有源干擾原理

實(shí)現(xiàn)對(duì)需干擾的雷達(dá)目標(biāo)模式識(shí)別后，需要在不同的雷達(dá)工作模式階段針對(duì)性地采取不同的干擾樣式，目前常用的雷達(dá)有源干擾樣式主要分為三類，分別是壓制干擾、欺騙干擾和復(fù)合干擾，本文選擇的干擾樣式為壓制干擾，其原理是利用噪聲遮蓋雷達(dá)接收到的真實(shí)目標(biāo)回波，降低雷達(dá)接收信號(hào)信噪比，干擾甚至阻止雷達(dá)正常獲取目標(biāo)信息和檢測(cè)目標(biāo)，常用的壓制干擾包括射頻噪聲干擾、噪聲調(diào)幅干擾、噪聲調(diào)頻干擾、噪聲調(diào)相干擾等樣式［7］。

本文主用的連續(xù)波干擾和阻塞式干擾都屬噪聲調(diào)頻干擾，連續(xù)波干擾是采用連續(xù)波信號(hào)對(duì)雷達(dá)目標(biāo)實(shí)施干擾，在時(shí)域上進(jìn)行持續(xù)壓制，其優(yōu)點(diǎn)是只要時(shí)域和方位正確，干擾信號(hào)都能進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)，缺點(diǎn)是容易暴露干擾源位置，因此干擾時(shí)機(jī)需要靈活掌握。

阻塞式干擾信號(hào)時(shí)域表達(dá)形式為

式中，u(t′)是廣義平穩(wěn)隨機(jī)過程，其均值為0，φ是[0 ,2π)范圍內(nèi)均勻分布隨機(jī)變量，Uj、fj、KFM分別為干擾信號(hào)的振幅、中心頻率和調(diào)頻斜率，其值均為常數(shù)。

阻塞式干擾帶寬通常需要滿足下列條件：

式中，Δfj為干擾信號(hào)帶寬，Δfr為雷達(dá)接收帶寬，fj為干擾信號(hào)中心頻率。對(duì)于阻塞式干擾，在干擾信號(hào)帶寬Δfj較大的情況下，頻率引導(dǎo)時(shí)允許存在一定誤差，可有效降低頻率引導(dǎo)精度需求便于工程實(shí)現(xiàn)。而且阻塞式干擾可覆蓋一定頻率范圍，可對(duì)頻率捷變雷達(dá)進(jìn)行干擾。

3.3 自適應(yīng)干擾策略

自適應(yīng)干擾策略流程如圖2所示，雷達(dá)對(duì)抗裝備首先根據(jù)偵收到的掃描周期等參數(shù)判定被干擾目標(biāo)的掃描模式或跟蹤模式，根據(jù)被干擾目標(biāo)工作模式分別選擇干擾樣式1、干擾樣式2。在干擾過程中雷達(dá)對(duì)抗裝備保持對(duì)被干擾對(duì)象信號(hào)的實(shí)時(shí)偵收，若被干擾對(duì)象跟蹤狀態(tài)變化則切換干擾樣式，跟蹤狀態(tài)不變則保持原干擾樣式，若被干擾對(duì)象信號(hào)消失則停止干擾。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 驗(yàn)證方法

為驗(yàn)證該干擾策略的干擾效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試框圖如圖3所示，被干擾對(duì)象選擇跟蹤雷達(dá)模擬系統(tǒng)，在天線前端進(jìn)行預(yù)定值衰減以模擬電磁波信號(hào)發(fā)射和接收時(shí)在自由空間的衰減。根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)，在雷達(dá)模擬系統(tǒng)處于跟蹤狀態(tài)時(shí)使用連續(xù)波干擾，在雷達(dá)模擬系統(tǒng)處于掃描搜索狀態(tài)時(shí)使用脈沖阻塞干擾，以免造成跟蹤雷達(dá)模擬系統(tǒng)跟蹤雜波源自動(dòng)跟蹤目標(biāo)，雷達(dá)對(duì)抗裝備根據(jù)識(shí)別的干擾目標(biāo)工作模式自適應(yīng)切換干擾樣式。

圖2 自適應(yīng)干擾策略

圖3 測(cè)試框圖

4.2 驗(yàn)證結(jié)果

使用示波器讀取雷達(dá)對(duì)抗裝備的檢波信號(hào)，檢測(cè)到的兩種時(shí)域信號(hào)如圖4所示，圖（a）中下方為雷達(dá)偵察設(shè)備傳輸?shù)嚼走_(dá)干擾設(shè)備的目標(biāo)信號(hào)，上方為連續(xù)波時(shí)域信號(hào)；圖（b）中下方為雷達(dá)偵察設(shè)備傳輸?shù)嚼走_(dá)干擾設(shè)備的目標(biāo)信號(hào)作為門限，上方為脈沖阻塞式干擾時(shí)域信號(hào)。在干擾過程中雷達(dá)有源對(duì)抗設(shè)備根據(jù)接收到的信號(hào)特征判定跟蹤雷達(dá)模擬系統(tǒng)的工作模式變換情況，并自適應(yīng)地切換有源干擾樣式。

圖5分別為連續(xù)波干擾和阻塞式干擾的頻域波形，差別較為明顯。

干擾效果判定選用跟蹤雷達(dá)模擬系統(tǒng)一定時(shí)間段內(nèi)的跟蹤誤差抽樣并加權(quán)的方式計(jì)算干擾成功率，其統(tǒng)計(jì)機(jī)理在此不作說明，多次實(shí)施有源干擾統(tǒng)計(jì)得自適應(yīng)干擾的干擾成功率為73.9%，單一脈沖阻塞式干擾的干擾成功率為40.5%，單一連續(xù)波干擾的干擾成功率為17.1%。測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果表明采用自適應(yīng)有源干擾后干擾成功率得到提高。

圖4 干擾信號(hào)時(shí)域波形

圖5 干擾信號(hào)頻域波形

5 結(jié)語

本文對(duì)認(rèn)知電子戰(zhàn)的概念及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，并依照認(rèn)知電子戰(zhàn)的框架設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)有源干擾策略，雷達(dá)對(duì)抗裝備通過模式識(shí)別判定跟蹤雷達(dá)工作模式，依據(jù)工作模式的不同自適應(yīng)地采用不同的干擾樣式，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的干擾效果。本策略需要情報(bào)支持和電子戰(zhàn)對(duì)被干擾對(duì)象工作模式的判別，由于目前雷達(dá)工作模式更趨復(fù)雜多樣，增加了雷達(dá)模式識(shí)別的難度和效率，如何建立更普適性的模式識(shí)別準(zhǔn)則并減少對(duì)預(yù)先情報(bào)的依賴，是提高干擾有效性的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。