基于電子對抗環(huán)境的導(dǎo)引頭制導(dǎo)干擾集成技術(shù)研究

田冠鎖，馬 召，段婧婧，周國哲

(中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引言

未來信息化戰(zhàn)爭將是“陸、海、空、天、電”五維一體的聯(lián)合作戰(zhàn)，電磁維度的爭奪將貫穿戰(zhàn)爭全過程。未來戰(zhàn)場上，戰(zhàn)場偵察、信息傳輸主要依靠衛(wèi)星、預(yù)警機、偵察機和無人飛行器等設(shè)備支撐起的信息網(wǎng)絡(luò)來提供。這種電磁環(huán)境效應(yīng)直接影響飛行器的生存能力和使用效能。現(xiàn)代電子信息裝備面臨的戰(zhàn)場環(huán)境十分復(fù)雜，主要體現(xiàn)在用頻裝備種類繁多，電磁環(huán)境復(fù)雜多變；裝備部署統(tǒng)籌難度大，頻率沖突加劇[1]，電子對抗環(huán)境已成為信息化戰(zhàn)場的主要特征之一。在電子對抗環(huán)境下，合理、巧妙地利用復(fù)雜電子對抗環(huán)境，開展飛行器雷達制導(dǎo)干擾一體化技術(shù)研究，對提高飛行器的使用效能具有重要的意義。

飛行器雷達制導(dǎo)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于尋的制導(dǎo)和成像制導(dǎo)，高烽[1]給出了雷達尋的技術(shù)在精確制導(dǎo)武器中的應(yīng)用，李耀國[2]給出了飛行器雷達成像制導(dǎo)技術(shù)在目標識別上的應(yīng)用。在雷達制導(dǎo)電子對抗方面，目前的研究主要集中在雷達抗干擾方面，來慶福等[3]給出利用慣性輔助信息提升雷達制導(dǎo)的抗干擾能力。在雷達制導(dǎo)一體化方面，當前的研究熱點主要集中在利用共享天線技術(shù)、寬帶T/R組件技術(shù)、共用信號技術(shù)實現(xiàn)一體化設(shè)計的途徑[4-5]等方面。

本文在此基礎(chǔ)上，從復(fù)雜電磁環(huán)境入手，在分析雷達制導(dǎo)技術(shù)與干擾技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)雷達系統(tǒng)和干擾系統(tǒng)的組成及功能相近的特點，提出共用一套硬件實現(xiàn)集成化設(shè)計的目的。鑒于相參干擾信號與雷達回波相似程度較高，本文提出了利用雷達指紋特點識別干擾信號回波與雷達信號回波。

1 電子對抗環(huán)境及制導(dǎo)干擾一體化現(xiàn)狀

電子對抗環(huán)境是指電子戰(zhàn)雙方在感興趣的特定區(qū)域內(nèi)，由使用各自電磁能的電子戰(zhàn)系統(tǒng)構(gòu)成的信號特性和信號密度的總和。電子對抗環(huán)境主要包括自然環(huán)境和人為環(huán)境[6]。

自然環(huán)境因素包括：雷電電磁輻射源、靜電電磁輻射源、太陽系和星際電磁輻射源、地球和大氣層電磁場。

人為環(huán)境因素包括：敵方針對雷達制導(dǎo)信號實施的壓制式干擾或欺騙式干擾，戰(zhàn)場上指揮系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等無線系統(tǒng)發(fā)射的各種電磁信號。

1.1 電子對抗環(huán)境的特征

電子對抗環(huán)境的特征主要有交織性、動態(tài)性和對抗性[7]等，其中涉及的輻射信號樣式紛繁復(fù)雜、信號變換密集交疊、電磁能量跌宕起伏。

(1)信號樣式紛繁復(fù)雜

隨著廣播電視、無線通信、民用航空等民用無線設(shè)備的廣泛使用，以及測控通信、雷達制導(dǎo)、聲納探測等軍用電子信息裝備的發(fā)展，各種輻射源數(shù)量大量增加，電子信息系統(tǒng)的規(guī)模越來越龐大。復(fù)雜的電子信息系統(tǒng)產(chǎn)生了紛繁復(fù)雜的電磁信號樣式。

(2)信號變換密集交疊

在一定的空域、時域、頻域上，大量電子信息系統(tǒng)同時集中使用，不同的工作任務(wù)將導(dǎo)致工作區(qū)域內(nèi)的電磁信號高度密集和不斷變化。另外，新體制以及特殊體制雷達的廣泛使用，使得信號種類繁多、波形復(fù)雜。在用頻設(shè)備集中的區(qū)域，局限的空間下形成了密集程度較高的輻射信號，這些輻射信號形成電磁環(huán)境敏感區(qū)，對區(qū)域內(nèi)設(shè)備的正常工作造成較大的影響。

(3)電磁能量跌宕起伏

隨著電子信息裝備性能的提升，發(fā)射功率越來越大。在電磁環(huán)境中，由于各種輻射源的隨機分布，加上電磁波傳播因素的影響，物理空間上的電磁信號能量在有些地方能量集中，有些地方能量分散。隨著輻射源的運動和輻射能量的改變，電磁環(huán)境表現(xiàn)出實時動態(tài)變化的特性，同一位置的電磁能量、電磁信號頻率可能時刻不同。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外在雷達制導(dǎo)、干擾一體化方面已開展了大量的研究，并取得了工程應(yīng)用。美國的APG-81機載火控雷達能夠同時承擔通信、制導(dǎo)、干擾、探測等任務(wù)，系統(tǒng)集成化程度非常高。美國的AN/ASQ-239機載專用雷達系統(tǒng)具備偵察、告警、態(tài)勢感知、環(huán)境探測等功能，能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境下，同時處理空空和空地的電子對抗作戰(zhàn)任務(wù)，可以快速對敵方空中和地面的作戰(zhàn)目標進行準確地探測、辨識、跟蹤和打擊，同時，該電子對抗系統(tǒng)還能夠?qū)C載有源電掃相控陣雷達作為一種定向能武器，對敵方雷達和無線傳感器進行電子干擾攻擊，形成非動能、高功率電磁脈沖軟殺傷。

國內(nèi)由于管理體制的歷史原因，雷達、通信、干擾系統(tǒng)一直分屬于不同的管理部門，有各自獨立的規(guī)劃與發(fā)展，沒有作為一個整體系統(tǒng)進行綜合、統(tǒng)一的考慮。因此，在雷達、通信、電子戰(zhàn)一體化技術(shù)方面的發(fā)展較慢。當前主要集中在理論研究，在工程應(yīng)用方面的研究相對較少。“十一五”期間，成都某研究所開展了“雷達干擾與探測一體化技術(shù)”預(yù)研項目研究，成都某高校開展了“雷達、通信、電子戰(zhàn)一體化新體制研究—雷達電子戰(zhàn)一體化體制和共享信號研究”等相關(guān)技術(shù)研究，取得了較好的理論成果[8]。

1.3 典型電磁威脅環(huán)境

典型電磁干擾威脅環(huán)境是研究飛行器雷達制導(dǎo)及干擾系統(tǒng)的重要依據(jù)。因此，開展典型電磁威脅環(huán)境的研究至關(guān)重要。

典型電磁干擾威脅環(huán)境主要包括遠距離支援干擾、隨行支援干擾、相互支援干擾以及自衛(wèi)式干擾等。

遠距離支援干擾是在飛行器作用范圍之外，掩護自身突防。通常采用大功率壓制干擾機，對目標搜索雷達進行干擾，使其無法測出方位和距離信息。

隨行支援干擾與飛行器一起進入作戰(zhàn)區(qū)域，因而其干擾效果比遠距離支援干擾好，但容易受到對方的干擾和打擊。因此，采用隨行干擾時要特別注意對其保護。

相互支援干擾是飛行器之間相互配合，干擾對方的截獲、跟蹤雷達。該干擾的優(yōu)點是通過空間功率合成，可以獲得比較大的有效輻射功率。另外，該方法使用靈活，效能發(fā)揮顯著。

自衛(wèi)式干擾是飛行器為確保自身的安全及突防能力，干擾敵方的制導(dǎo)、探測雷達，降低或破壞制導(dǎo)系統(tǒng)的探測、跟蹤和攻擊能力。

綜合上述多種干擾的特點可以看出，飛行器雷達制導(dǎo)干擾一體化技術(shù)與飛行器自身的飛行軌跡相關(guān)性較強，因此可以應(yīng)用于近程相互支援和自衛(wèi)式干擾方面。

2 飛行器雷達制導(dǎo)技術(shù)

飛行器雷達制導(dǎo)依靠雷達導(dǎo)引頭來實現(xiàn)，雷達導(dǎo)引頭的工作原理與地面雷達相同，其基本的雷達方程為[9]

(1)

式中，Pr為接收信號的功率(天線端)，Pt為發(fā)射信號的功率(天線端)，Gt為發(fā)射天線功率增益，Gr為接收天線功率增益，σ為雷達目標截面積，λ為波長，F(xiàn)t為從發(fā)射天線到目標的方向圖傳播因子，F(xiàn)r為從目標到接收天線的方向圖傳播因子，R為雷達到目標的距離。

傳統(tǒng)雷達導(dǎo)引頭的發(fā)射機和接收機通過雙工器和天饋系統(tǒng)的和差器相連接，天線的幅相分布是固定的，天線的波束指向需要由機械伺服系統(tǒng)來完成，天線的方向圖無法改變，其組成示意圖見圖1。因此，它在性能上存在諸多不足之處。其掃描速度較小，機械伺服系統(tǒng)無法實現(xiàn)邊跟蹤邊掃描[10]，無法實現(xiàn)導(dǎo)引頭功能的拓展。

圖1 傳統(tǒng)機械雷達組成示意圖Fig.1 Composition sketch of traditional mechanical radar

相控陣雷達導(dǎo)引頭突破了傳統(tǒng)雷達導(dǎo)引頭的限制，其天線系統(tǒng)本身與傳統(tǒng)雷達導(dǎo)引頭類似，但是每個天線單元都有一個移相器和衰減器，可以進行天線口面幅度和相位分布調(diào)整，實現(xiàn)電掃描和方向圖的捷變。天線系統(tǒng)采用強制饋電方式，每個天線單元都有單獨的T/R組件、移相器和衰減器，每個發(fā)射模塊的功率直接由天線單元輻射，形成空間功率合成的方向圖，其組成示意圖見圖2。因?qū)б^的功率不受天饋系統(tǒng)和雙工器的限制，只受飛行器電源的約束，可以最大限度地提高發(fā)射功率。

圖2 相控陣雷達導(dǎo)引頭組成示意圖Fig.2 Composition sketch of phased array radar seeker

通過上面的對比分析可以看出，與傳統(tǒng)機械雷達導(dǎo)引頭相比，相控陣雷達導(dǎo)引頭在波束掃描速度、發(fā)射功率方面均具有較大的優(yōu)勢，為拓展導(dǎo)引頭的功能，開展雷達制導(dǎo)與干擾一體化設(shè)計方面奠定了基礎(chǔ)。

3 干擾技術(shù)

干擾技術(shù)包括無源干擾技術(shù)和有源干擾技術(shù)。無源干擾技術(shù)主要包括箔條、角反射器等；有源干擾技術(shù)包括壓制式干擾和欺騙式干擾，具體干擾樣式有單音干擾、多音干擾、調(diào)幅干擾、調(diào)頻干擾、脈沖干擾和轉(zhuǎn)發(fā)干擾[11]。為了與雷達進行一體化設(shè)計，下面對有源干擾技術(shù)進行介紹。

3.1 有源壓制干擾

有源壓制干擾包括噪聲壓制干擾和相位噪聲調(diào)制干擾。噪聲壓制干擾是利用微波放大器將高斯白噪聲進行放大，作為干擾信號發(fā)射出去。相位噪聲調(diào)制干擾是在相位上調(diào)制高斯白噪聲，實現(xiàn)對信號的干擾。

通過采用數(shù)字射頻存儲器(DRFM)技術(shù)，將接收到的射頻輸入信號進行存儲處理，并采用噪聲調(diào)制技術(shù)，在雷達發(fā)射信號處，采用2路正交信號作為噪聲壓制干擾信號的載波，其數(shù)學表達式為[12]

SJ(n)=A(n)ejφ(n)

=A(n)cosφ(n)+jA(n)sinφ(n)

(2)

式中,包絡(luò)序列A(n)服從瑞利分布,相位序列φ(n)服從均勻分布。

采用相位噪聲調(diào)制干擾信號為了可以有效地干擾相參雷達，該方法是將噪聲信號直接調(diào)制到雷達發(fā)射信號上，其數(shù)學原理為

J(n)=s(n)exp(jKu(n))

(3)

式中，K為相位噪聲調(diào)制因子。

3.2 有源欺騙干擾技術(shù)

有源欺騙干擾主要包括：距離欺騙干擾和速度欺騙干擾。

雷達通過發(fā)射信號與回波信號之間的延時來測量目標距離信息。在進行距離欺騙時，通過干擾雷達信號回波的延時，將距離波門拖離真實目標回波，使雷達無法對目標進行穩(wěn)定、實時、準確跟蹤。利用DRFM技術(shù)延時控制電路控制DRFM電路中數(shù)據(jù)輸出相對于數(shù)據(jù)存儲的延遲時間，控制輸出干擾信號相對于雷達發(fā)射信號的延遲時間，可以達到距離欺騙干擾的效果。在干擾過程中，延時時間周期性地變化，就可以對雷達的距離拖引進行有效干擾。

雷達對目標運動速度的測量是通過探測回波信號的多普勒頻移來實現(xiàn)的。因此，對雷達的速度欺騙干擾可以通過在雷達發(fā)射信號上疊加多普勒頻移fd來實現(xiàn)。若假設(shè)雷達發(fā)射信號為

S(n)=A(n)cos[2πj0n+φ(n)]

(4)

疊加了多普勒頻移fd之后的欺騙干擾信號為[12]

SJ(n)=SI(n)cos[2πfdn+φ(n)]-SQ(n)sin(2πfdn)

=A(n)cos[2π(f0+fd)n+φ(n)]

(5)

4 制導(dǎo)干擾一體化技術(shù)研究

4.1 系統(tǒng)組成

開展飛行器雷達制導(dǎo)、干擾一體化設(shè)計，需要在系統(tǒng)的發(fā)射端、接收端以及信號處理方面兼容雷達與干擾機的工作特點。雷達制導(dǎo)干擾一體化系統(tǒng)與雷達系統(tǒng)和干擾系統(tǒng)的組成類似，主要包括天線系統(tǒng)、偵察接收系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、混頻及檢波系統(tǒng)。另外為了有效識別雷達回波與干擾信號，還需要有雷達指紋識別系統(tǒng)。

制導(dǎo)干擾一體化系統(tǒng)組成示意圖見圖3。

圖3 制導(dǎo)干擾一體化系統(tǒng)組成示意圖Fig.3 Composition sketch of integrated guidance and jamming system

在該系統(tǒng)中，為了達到較好的干擾效果，需要使干擾發(fā)射信號與對方的雷達輻射信號一致。而干擾信號同時用于自身雷達制導(dǎo)，因此，自身的雷達回波信號與對方雷達的發(fā)射信號相似程度較高。需要通過雷達指紋特征提取系統(tǒng)獲得自身的回波信號。

雷達指紋識別系統(tǒng)是制導(dǎo)干擾一體化的關(guān)鍵組成部分，用于識別對方雷達的輻射信號與自身雷達的回波信號。雷達指紋識別系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)獲取、無意調(diào)制、預(yù)處理、特征提取、分類器等內(nèi)容，系統(tǒng)組成見圖4。

圖4 雷達指紋識別系統(tǒng)Fig.4 Radar fingerprint recognition system

4.2 雷達指紋識別的基本原理

在雷達干擾一體化發(fā)射系統(tǒng)的特征參數(shù)中，相位噪聲、脈沖頂部包絡(luò)、載波頻率偏移等特性與發(fā)射系統(tǒng)的硬件緊密相關(guān)，具有唯一性，可以應(yīng)用于雷達指紋的識別[13]。

下面以線性調(diào)頻信號為例，給出基于相位噪聲的雷達指紋識別的基本原理。

假設(shè)線性調(diào)頻信號為

x(t)=A(t)sin(2πfct+kπt2+φ0)

(6)

加入相位噪聲后，線性調(diào)頻信號可表示為

x(t)=A(t)sin[2πfct+kπt2+Msin(2πfmt)]

(7)

采用非參數(shù)化的雙譜估計的直接估計法，可以對雷達信號進行雙譜估計，獲得雷達的指紋特征[14]。

將接收到的數(shù)據(jù){x(0),x(1),…,x(N-1)}分為K段，每段M個樣本，即N=KM，并減去每段的樣本均值。數(shù)據(jù)的離散傅里葉變換系數(shù)為

(8)

將數(shù)據(jù){x(0),x(1),…,x(N-1)}的雙譜估計進行K段雙譜估計的平均值計算，可得到

(9)

由直接估計法可以得到雷達信號的雙譜，通過雙譜估計能夠反映不同雷達信號的非高斯分布信息，進而得到自身雷達的指紋特性。

4.3 工作模式

加裝雷達制導(dǎo)干擾一體化系統(tǒng)的飛行器在飛行過程中，為達到較好的干擾效果，采用相參壓制干擾壓制對方雷達。

飛行器飛行過程中，首先使用偵察接收系統(tǒng)進行電子偵察的信號處理，得出復(fù)雜電磁環(huán)境下多個輻射源脈沖到達時間、載頻、脈沖寬度、幅度、到達角、脈內(nèi)調(diào)制方式等脈沖描述字(PDW)，并與飛行器內(nèi)部的威脅數(shù)據(jù)庫進行比對，選出威脅程度最高的輻射源。然后，利用射頻轉(zhuǎn)發(fā)的方式復(fù)制對方雷達的信號特征，并發(fā)射出與其相同的雷達信號，實現(xiàn)干擾信號與雷達信號的一體化設(shè)計。

接收到回波信號后，通過限幅處理先進行粗分類識別，再利用雷達指紋識別技術(shù)，對飛行器自身的雷達回波進行脈沖壓縮處理，解算出回波信息，獲取外界物體的位置和速度特征。

4.4 仿真案例分析

加裝雷達制導(dǎo)干擾一體化系統(tǒng)的飛行器在飛行過程中，為達到較好的干擾效果，采用相參壓制體制干擾對方雷達。

制導(dǎo)干擾一體化系統(tǒng)接收到回波信號后，通過限幅處理先進行粗分類識別，再利用雷達指紋識別技術(shù)，對飛行器自身的雷達回波進行脈沖壓縮處理，解算出回波信息，獲取外界物體的位置和速度特征。

假設(shè)對方探測雷達頻率為30GHz，脈沖重復(fù)周期為500μs，脈沖持續(xù)時間為50μs，信號調(diào)制帶寬為10MHz，則該信號的幅頻特性見圖5。

圖5 對方探測雷達的幅頻特性Fig.5 Amplitude-frequency characteristics of counterpart detection radar

飛行器制導(dǎo)雷達的相位噪聲信息為[1，10，100，1000，5×104，5×105，5×106，5×107，2.5×108，3×109，9×1010]，單位為Hz。飛行器制導(dǎo)雷達經(jīng)自身的相位噪聲調(diào)制后，其幅頻特性見圖6。經(jīng)雙譜分析處理后，獲取的等高線見圖7。從圖7中可以看出，采用雙譜分析，可以對飛行器制導(dǎo)雷達的回波和對方探測雷達的信號進行區(qū)分。

圖6 飛行器制導(dǎo)雷達的幅頻特性Fig.6 Amplitude-frequency characteristics of aircraft guided radar

圖7 雙譜處理后的等高線圖Fig.7 Contours after bispectrum processing

5 結(jié)論

本文從分析復(fù)雜電磁環(huán)境入手，介紹了復(fù)雜電磁環(huán)境的基本情況和研究現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上，初步闡述了典型電磁威脅環(huán)境。本文通過分析雷達制導(dǎo)技術(shù)和典型干擾技術(shù)，創(chuàng)新性地提出了制導(dǎo)干擾一體化技術(shù)，實現(xiàn)利用雷達導(dǎo)引頭進行探測、制導(dǎo)的同時，與干擾技術(shù)進行結(jié)合，實現(xiàn)對高威脅輻射的干擾。理論分析表明，該技術(shù)在拓展飛行雷達導(dǎo)引頭的功能方面具有重要的作用。