現(xiàn)代電子戰(zhàn)仿真與測(cè)試的發(fā)展探討

屈進(jìn)軍

摘? 要：介紹了國(guó)外電子戰(zhàn)測(cè)試機(jī)制。說(shuō)明了國(guó)外基于商用現(xiàn)貨的方法。論述了不斷變化的相控陣?yán)走_(dá)以及帶寬的挑戰(zhàn)，

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代電子戰(zhàn);仿真與測(cè)試;發(fā)展探討

0 引 言

電子戰(zhàn)是一個(gè)十分廣闊的領(lǐng)域，是從直流到可見(jiàn)光的電磁頻譜的戰(zhàn)斗，也是在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中剝奪敵方使用電磁頻譜，同時(shí)保護(hù)己方使用電磁頻譜的戰(zhàn)斗。冷戰(zhàn)結(jié)束以后，軍事信息領(lǐng)域的對(duì)抗非但沒(méi)有減少，反而愈演愈烈。20世紀(jì)80年代以來(lái)，戰(zhàn)爭(zhēng)的形態(tài)發(fā)生了巨大變化，即從傳統(tǒng)的“陸?？铡比S立體戰(zhàn)爭(zhēng)變成了“陸?？仗祀姟甭?lián)合行動(dòng)，信息戰(zhàn)、電子戰(zhàn)的研究方興未艾，歷時(shí)42天的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)使電子戰(zhàn)的地位得到進(jìn)一步提升。電子對(duì)抗已經(jīng)變成決定作戰(zhàn)雙方勝負(fù)的關(guān)鍵因素之一，電子戰(zhàn)也從雙方單一裝備之間的對(duì)抗，發(fā)展到系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)、體系對(duì)體系間的對(duì)抗。隨著電子戰(zhàn)理論與實(shí)踐研究的不斷深入，單一武器平臺(tái)或局部的仿真已不能夠滿足對(duì)整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境與作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)的模擬，因此必須對(duì)包含雷達(dá)、通信及其對(duì)抗裝備的復(fù)雜電子戰(zhàn)環(huán)境進(jìn)行模擬，通過(guò)單元仿真集成為綜合的電子戰(zhàn)模擬與仿真系統(tǒng)。

電子戰(zhàn)（EW）的概念非常寬泛，但通常都包括干擾敵方使用電磁波譜（EMS），或通過(guò)分析敵方有意或無(wú)意發(fā)送的電磁（EM）信號(hào)，以收集有關(guān)敵方行動(dòng)計(jì)劃或作戰(zhàn)能力的情報(bào)。

仿真電子戰(zhàn)系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)遇到的頻譜環(huán)境是一項(xiàng)極其復(fù)雜的任務(wù)：要在嚴(yán)格的預(yù)算下完成超乎想象的高效率且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的測(cè)試操作能力。

電子戰(zhàn)包括三個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用領(lǐng)域：電子攻擊（EA）、電子防御（EP）和電子支援（ES）。

電子攻擊包括利用一切手段，如大功率阻塞技術(shù)和選擇性欺騙技術(shù)等，對(duì)威脅目標(biāo)實(shí)施干擾，其優(yōu)點(diǎn)是本方的系統(tǒng)不會(huì)像敵方一樣受到干擾。武器系統(tǒng)也屬于電子攻擊系統(tǒng)的一部分，例如高速反輻射導(dǎo)彈（HARM）和主動(dòng)輻射誘餌彈。

電子防御包括管理您使用的頻譜，以找到干凈和安全的工作區(qū)域，以及確保本方系統(tǒng)不會(huì)輕易被敵方的電子攻擊攻陷;還包括控制本方的輻射，以免敵方火力利用本方信號(hào)找到攻擊目標(biāo)。

電子支援包括稱為電子支援措施（ESM）的系統(tǒng)，它提供威脅警告、信號(hào)采集和分類管理以及測(cè)向（DF）功能。在測(cè)向應(yīng)用中，我們可以根據(jù)敵方的輻射找到他們。

電子戰(zhàn)系統(tǒng)的測(cè)試一直以來(lái)都是一項(xiàng)舉足輕重的工程挑戰(zhàn)，并且隨著電子戰(zhàn)系統(tǒng)的技術(shù)水平和預(yù)期性能的提高以及不斷增強(qiáng)的相控陣（AESA）雷達(dá)威脅而迅速發(fā)展。每種新型電子戰(zhàn)系統(tǒng)都將在試驗(yàn)靶場(chǎng)上面臨最后一關(guān)，在這里必須測(cè)試系統(tǒng)在作戰(zhàn)使用中可能遇到的各種情況。但是，電子戰(zhàn)系統(tǒng)在進(jìn)入試驗(yàn)靶場(chǎng)前，首先要在具有復(fù)雜威脅環(huán)境模擬器的安裝系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備中進(jìn)行全面的評(píng)估。甚至在電子戰(zhàn)系統(tǒng)達(dá)到這些測(cè)試處理階段前，還必須先在系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)室和半實(shí)物的測(cè)試設(shè)備中完成許多測(cè)試。這些測(cè)試階段極其重要，因?yàn)闇y(cè)試期間能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并使研發(fā)人員在轉(zhuǎn)向上述更昂貴的測(cè)試階段前解決問(wèn)題。其目的就是要經(jīng)常進(jìn)行測(cè)試和早期測(cè)試，特別是在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行測(cè)試。幸好，軟件仿真工具和商用現(xiàn)貨測(cè)試系統(tǒng)日趨成熟，現(xiàn)在已經(jīng)成為成本高度敏感的電子戰(zhàn)開(kāi)發(fā)環(huán)境的必備工具。

1 電子戰(zhàn)測(cè)試機(jī)制

由于試驗(yàn)靶場(chǎng)非常少，幾乎一直處于“使用中”狀態(tài)，“預(yù)訂”測(cè)試時(shí)間如同預(yù)約頂級(jí)醫(yī)療專家一樣難。因此，國(guó)外一些主承包商和測(cè)試設(shè)備制造商迫于壓力，只好將仿真與測(cè)試盡量從試驗(yàn)靶場(chǎng)轉(zhuǎn)移回實(shí)驗(yàn)室。這就推動(dòng)了對(duì)實(shí)驗(yàn)室具備更復(fù)雜先進(jìn)測(cè)試能力的需求。不管怎樣，由于這些基于商用現(xiàn)貨的仿真與測(cè)試平臺(tái)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，所以現(xiàn)在的電子戰(zhàn)系統(tǒng)在面臨最終的驗(yàn)證挑戰(zhàn)前就能得到更全面更好的評(píng)估。

上述想法旨在利用仿真軟件和商用測(cè)試設(shè)備，在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期進(jìn)行絕大多數(shù)的仿真、測(cè)試和分析。必須進(jìn)行大量測(cè)試，讓電子戰(zhàn)系統(tǒng)在最大帶寬范圍內(nèi)經(jīng)受最大容量信號(hào)的考驗(yàn)，包括信號(hào)環(huán)境中頻繁變化的波形、干擾、已知的威脅以及其他動(dòng)態(tài)變化的因素。

這種測(cè)試系統(tǒng)的能力是全面的，必須能正確模擬實(shí)時(shí)雷達(dá)脈沖特征、干擾和傳播異常，包括如下方面：

·脈沖上升沿和下降沿時(shí)間

·脈沖寬度， 脈沖重復(fù)頻率及模式

·每個(gè)脈沖的調(diào)制

·頻率和頻譜特征

·信號(hào)幅度

·雷達(dá)天線方向圖

·天線掃描方式

這些測(cè)試系統(tǒng)還必須能產(chǎn)生和動(dòng)態(tài)改變輻射源類型，對(duì)模式的變化進(jìn)行仿真并實(shí)現(xiàn)其他功能，與先進(jìn)威脅系統(tǒng)（例如相控陣?yán)走_(dá)）不斷增強(qiáng)的能力同步發(fā)展。

對(duì)于仿真測(cè)試工程師來(lái)說(shuō)幸運(yùn)的是，這種需要大型數(shù)/模數(shù)據(jù)庫(kù)、射頻和微波測(cè)試裝備（大多數(shù)為用戶定制并且專用于特殊項(xiàng)目）的情況正在慢慢改變。這是由于美國(guó)國(guó)防部縮減預(yù)算引起的成本限制需要一種新途徑，另外美國(guó)國(guó)防部還希望盡快扭轉(zhuǎn)電子戰(zhàn)技術(shù)多年以來(lái)在研究開(kāi)發(fā)和采辦預(yù)算中不受重視的局面。時(shí)間就是生命，而測(cè)試是系統(tǒng)研發(fā)耗時(shí)較多并且價(jià)格高企的部分之一，因此，業(yè)界加強(qiáng)了簡(jiǎn)化測(cè)試的開(kāi)發(fā)工作。想要通過(guò)增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室部分的測(cè)試來(lái)達(dá)到目的，就必須了解需求是什么。

在測(cè)試過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)需要使用不同類型的測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)量方法。

首先在系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)室中使用獨(dú)立的商用儀器執(zhí)行測(cè)試，例如頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀、示波器和信號(hào)生成設(shè)備。當(dāng)進(jìn)入到硬件在環(huán)階段，需要應(yīng)用自動(dòng)化程度更高的設(shè)備以構(gòu)建所需的頻譜場(chǎng)景，同步測(cè)量和記錄結(jié)果。等到進(jìn)入功能齊全的系統(tǒng)測(cè)試中心，通常會(huì)使用量身定制的大型測(cè)試系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建所需要的高度復(fù)雜且不斷變化的頻譜環(huán)境。在戶外測(cè)試階段，可以使用從現(xiàn)成的儀器到定制的自動(dòng)化系統(tǒng)等各種設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。

在復(fù)雜的電磁環(huán)境中執(zhí)行電子戰(zhàn)測(cè)試，還可以使用更先進(jìn)的多發(fā)射機(jī)仿真器;但是對(duì)于簡(jiǎn)單和高度重復(fù)的系統(tǒng)集成，硬件在環(huán)測(cè)試，或雷達(dá)警告接收機(jī)/電子支援措施的威脅識(shí)別評(píng)測(cè)來(lái)說(shuō)，它們有點(diǎn)大材小用。因?yàn)榇祟愘F重儀器可能每天24 小時(shí)都有使用計(jì)劃，所以很難騰出時(shí)間用于如此簡(jiǎn)單的系統(tǒng)測(cè)試。

2基于商用現(xiàn)貨的方法

一種基于實(shí)驗(yàn)室的閉環(huán)電子戰(zhàn)仿真與評(píng)估系統(tǒng)包括以下主要特征：

·信號(hào)波形的寬頻帶序列，產(chǎn)生新波形的軟件，用于回放信號(hào)波形的一個(gè)或多個(gè)矢量信號(hào)發(fā)生器，其頻率可以是從高頻到18GHz （有時(shí)更高）且調(diào)制帶寬超過(guò)1GHz的任意頻率。

·系統(tǒng)能在盡可能短的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)對(duì)波形進(jìn)行數(shù)字化、記錄、存儲(chǔ)和回放。

·軟件工具能快速對(duì)幾小時(shí)的波形文件進(jìn)行分類整理，識(shí)別出感興趣的部分并加以修改，產(chǎn)生只包含特定波形的文件，最終生成了仿真但卻是很“真”的信號(hào)環(huán)境。

圖1 一種基于商用現(xiàn)貨的綜合電子戰(zhàn)仿真與評(píng)估系統(tǒng)的組成。

截獲威脅并對(duì)其分類是一項(xiàng)艱巨的工作，需要經(jīng)年累月對(duì)信號(hào)情報(bào)進(jìn)行搜集、利用與分析，從而構(gòu)建包含了特定雷達(dá)系統(tǒng)的極其詳細(xì)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，如友方的、敵方的和疑似敵方的雷達(dá)系統(tǒng)信息。所幸由于美國(guó)國(guó)防部長(zhǎng)期致力于數(shù)據(jù)搜集，這樣的數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)建成并持續(xù)更新。

然而，威脅“前景”處于持續(xù)變化的狀態(tài)，因?yàn)槭澜缦冗M(jìn)軍事技術(shù)不斷產(chǎn)生新的威脅雷達(dá)和雷達(dá)波形，一些先進(jìn)雷達(dá)在作戰(zhàn)期間能夠?qū)崟r(shí)（脈沖到脈沖）改變現(xiàn)有波形。因此，識(shí)別出全部可能存在的威脅是不現(xiàn)實(shí)的，先進(jìn)電子戰(zhàn)系統(tǒng)必須依靠高速數(shù)字信號(hào)處理能力和軟件實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)生成對(duì)抗手段。

為了產(chǎn)生能反映實(shí)際情況的仿真威脅環(huán)境，必須考慮所有因素，例如信號(hào)傳播和干擾的各種變化。利用信號(hào)生成和通道仿真軟件來(lái)產(chǎn)生信號(hào)波形或波形序列，可以非常有效地仿真威脅環(huán)境。離散的任意波形發(fā)生器（AWG）或矢量信號(hào)發(fā)生器（VSG）可以實(shí)現(xiàn)合成信號(hào)的重構(gòu)。

在電子戰(zhàn)系統(tǒng)仿真與評(píng)估的所有階段中，實(shí)驗(yàn)室方法花費(fèi)最少，雖然AVG和VSG通常只具備有限的多輻射源評(píng)估能力，卻減輕了在較復(fù)雜威脅環(huán)境發(fā)生器上以及在安裝系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備上和開(kāi)放空間試驗(yàn)靶場(chǎng)中進(jìn)行測(cè)試所需要的工作量，還減少了重新設(shè)計(jì)和重編程所需要的工作量。就這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，AVG和VSG是早期的評(píng)估系統(tǒng)，是試驗(yàn)靶場(chǎng)的補(bǔ)充而不是替換。他們的好處是閉環(huán)系統(tǒng)，使設(shè)計(jì)者們能完全控制研發(fā)期間所需要的測(cè)試、評(píng)估及“優(yōu)化”，并且以很小的代價(jià)或者無(wú)需額外的費(fèi)用就能重用或另作他用。

3不斷變化的相控陣?yán)走_(dá)

由于兩種不可控變數(shù)的存在，任何測(cè)試設(shè)備制造商、軟件銷售商、主承包商或其他機(jī)構(gòu)都不可能產(chǎn)生針對(duì)電子戰(zhàn)系統(tǒng)仿真與測(cè)試的理想解決方案。第一個(gè)變數(shù)是技術(shù)的變革，這種變革是如此之快，以至于今天的尖端科技明天就成了標(biāo)準(zhǔn)配置。主導(dǎo)這些進(jìn)步的是所有電子戰(zhàn)和雷達(dá)系統(tǒng)的核心組件：模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)-模轉(zhuǎn)換器（DAC）、FPGA、GPU和通用處理器。

第二個(gè)變數(shù)是對(duì)手們每年也在加速取得技術(shù)進(jìn)步。尤其是相控陣?yán)走_(dá)。多模式相控陣?yán)走_(dá)正在進(jìn)入世界上許多國(guó)家的軍隊(duì)。這些雷達(dá)常常表現(xiàn)出相似于變色龍的能力，這種能力使他們成為強(qiáng)大的威脅。除了具有許多其他雷達(dá)的功能外，相控陣?yán)走_(dá)還能同時(shí)工作于許多不同的頻率，采用有源波束形成方式產(chǎn)生多個(gè)子波束（每個(gè)子波束在不同頻率上發(fā)射信號(hào)），隨機(jī)改變每個(gè)脈沖的頻率和其他特征，增大或減小每個(gè)天線單元的發(fā)射功率以免受到探測(cè)，采用包括各種擴(kuò)譜技術(shù)在內(nèi)的多種調(diào)制樣式，在一些扇區(qū)以被動(dòng)方式工作而在其他扇區(qū)以主動(dòng)方式工作，還有許多其他特征。

也許最令人驚異的是相控陣?yán)走_(dá)日益增強(qiáng)的這種能力：搜集到足夠多的目標(biāo)相關(guān)信息就能推算出該目標(biāo)的雷達(dá)截面積，從接收到的回波信號(hào)可得出發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)制和通道效應(yīng)，能有效產(chǎn)生目標(biāo)的三維圖像。相控陣?yán)走_(dá)利用存儲(chǔ)的已知目標(biāo)信息，能識(shí)別出正在跟蹤的飛機(jī)類型以及飛機(jī)配置的電子戰(zhàn)和電子對(duì)抗能力。這一切使得相控陣?yán)走_(dá)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

4帶寬的挑戰(zhàn)

電子戰(zhàn)測(cè)試中使用的大多數(shù)先進(jìn)商用現(xiàn)貨儀器的性能通常必須等于或優(yōu)于待測(cè)的電子戰(zhàn)系統(tǒng)，達(dá)到這個(gè)要求是儀器制造商的首要目標(biāo)。最使人畏縮的挑戰(zhàn)之一是帶寬似乎將無(wú)限增大。電子戰(zhàn)系統(tǒng)覆蓋了寬廣的頻率范圍，雷達(dá)與之相比以前一直是窄帶的，工作頻率范圍只有幾百兆赫茲。如今這種情況已經(jīng)顯著改變了，因?yàn)楝F(xiàn)在的雷達(dá)系統(tǒng)帶寬一般能達(dá)到1GHz或甚至2GHz，預(yù)計(jì)2020年前帶寬將擴(kuò)大到4GHz。

雷達(dá)信號(hào)和工作帶寬的每次進(jìn)步都會(huì)全面影響電子戰(zhàn)系統(tǒng)，波及到系統(tǒng)的所有功能。例如，較大的帶寬和較快的采樣率明顯增加了電子戰(zhàn)系統(tǒng)必須采集和處理的樣本數(shù)，而系統(tǒng)的處理容量和速度是有限的。電子戰(zhàn)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)（即I/Q采樣）不僅要進(jìn)行處理，還必須能夠存儲(chǔ)，這就需要超高性能（價(jià)格昂貴）的固態(tài)存儲(chǔ)器和高速系統(tǒng)總線。

記錄帶寬為2GHz的信號(hào)，即使時(shí)間很短也會(huì)產(chǎn)生幾百萬(wàn)兆字節(jié)數(shù)據(jù)，唯一有效的處理辦法就是利用FPGA和（或）GPU這樣的高速信號(hào)處理工具。這種硬件在軟件的協(xié)助下能分選出感興趣的信號(hào)，只傳送那些選中了（數(shù)量更少因此數(shù)據(jù)量更?。┑男盘?hào)到其他的信號(hào)處理器進(jìn)行更詳細(xì)處理。然后，電子戰(zhàn)系統(tǒng)必須做出響應(yīng)，這就需要更多的分析和處理。通常必須近實(shí)時(shí)完成這一切處理，因?yàn)轫憫?yīng)時(shí)間“窗口”受控于敵方威脅系統(tǒng)。因此，不管電子戰(zhàn)系統(tǒng)必須處理多少數(shù)據(jù)，它仍然只有相同的限定時(shí)間來(lái)進(jìn)行處理。

反應(yīng)時(shí)間是影響電子戰(zhàn)系統(tǒng)性能的另一個(gè)關(guān)鍵因素，它對(duì)于模擬電子戰(zhàn)系統(tǒng)性能的測(cè)試系統(tǒng)同樣重要。反應(yīng)時(shí)間來(lái)源于信號(hào)處理設(shè)備引起的延時(shí)和將數(shù)據(jù)從一個(gè)功能模塊傳輸?shù)搅硪粋€(gè)功能模塊（或從一臺(tái)儀器到另一臺(tái)儀器）引起的延時(shí)。在電子戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，盡可能縮短反應(yīng)時(shí)間是絕對(duì)有必要的，因?yàn)轫憫?yīng)時(shí)間是以微秒為測(cè)量單位。所以，即使逐漸縮短反應(yīng)時(shí)間也是受歡迎的。縮短電子戰(zhàn)測(cè)試系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間也很關(guān)鍵，通過(guò)選擇高速通信總線以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸可以極大縮短反應(yīng)時(shí)間。目前有代表性的是PCI快速總線（PCI），它已經(jīng)發(fā)展成能更好地集成進(jìn)PC環(huán)境并能提供高達(dá)幾千兆字節(jié)/秒的通用傳輸率。

有效應(yīng)對(duì)更大帶寬和更短反應(yīng)時(shí)間提出的挑戰(zhàn)，以及對(duì)其他諸如無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）和轉(zhuǎn)換器分辨率這樣很重要參數(shù)的測(cè)量，對(duì)于電子戰(zhàn)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與電子戰(zhàn)系統(tǒng)自身設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)都同樣重要。

5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在試驗(yàn)靶場(chǎng)上和在即將部署的平臺(tái)上評(píng)估電子戰(zhàn)系統(tǒng)（或者說(shuō)雷達(dá)系統(tǒng)），全儀器控制的開(kāi)放空間試驗(yàn)靶場(chǎng)是最有效的評(píng)估手段，這一說(shuō)法是經(jīng)得起論證的。然而，在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程的早期，試驗(yàn)靶場(chǎng)并不是理想的評(píng)估場(chǎng)所，利用商用現(xiàn)貨測(cè)試設(shè)備和仿真軟件結(jié)合起來(lái)進(jìn)行評(píng)估能夠提供更強(qiáng)的靈活性、可重復(fù)性及進(jìn)行特殊測(cè)試的能力。

任何基于商用現(xiàn)貨的測(cè)試解決方案都不是完美無(wú)缺的，雖然使用了設(shè)備和軟件，這種測(cè)試系統(tǒng)還是像待評(píng)估系統(tǒng)一樣復(fù)雜。然而，這種方案對(duì)于實(shí)現(xiàn)更高性價(jià)比的研究、測(cè)試、開(kāi)發(fā)與評(píng)估（RTD&E）的目標(biāo)是一致的，因?yàn)闇y(cè)試系統(tǒng)是一次性購(gòu)買并在多次測(cè)試電子戰(zhàn)和雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)分期付款的，所以必定會(huì)在未來(lái)得到更廣泛的使用。

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