低截獲概率雷達(dá)信號(hào)偵察技術(shù)

胡新宇，張鐵軍，王 昀

（1.中國(guó)航天科工集團(tuán)8511 研究所，江蘇 南京210007；2.陸軍裝備部駐上海地區(qū)航空軍事代表室，上海200000）

0 引言

電子偵察系統(tǒng)用于截獲敵方輻射源發(fā)出的電磁信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行識(shí)別、分析和定位，完成對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境態(tài)勢(shì)的感知，具有抗打擊能力強(qiáng)、作用范圍廣、隱蔽性高等優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)代軍事偵察不可缺少的重要手段。隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，各國(guó)都在使用大量采用了低截獲概率（LPI）技術(shù)體制的雷達(dá)設(shè)備，其特點(diǎn)是采用低功率、大帶寬、大時(shí)寬、復(fù)雜調(diào)制等手段，使得傳統(tǒng)的電子偵察系統(tǒng)難以對(duì)其進(jìn)行感知。

針對(duì)LPI 雷達(dá)的信號(hào)特點(diǎn)，本文提出了一種低截獲概率雷達(dá)信號(hào)偵察技術(shù)，通過(guò)采用多維聯(lián)合相干處理、高分辨率檢測(cè)處理、實(shí)時(shí)脈內(nèi)調(diào)制分析、多維參數(shù)聯(lián)合分選等技術(shù)，可有效提升對(duì)LPI 雷達(dá)信號(hào)的偵收、檢測(cè)及識(shí)別水平，增強(qiáng)電子偵察系統(tǒng)對(duì)LPI 雷達(dá)信號(hào)的感知能力。

1 工作流程

LPI 雷達(dá)信號(hào)偵察技術(shù)流程圖如圖1 所示。

圖1 LPI 雷達(dá)信號(hào)偵察技術(shù)流程圖

1)多維聯(lián)合相干處理：對(duì)信號(hào)分別進(jìn)行頻域、空域的相干處理，增加檢測(cè)信號(hào)時(shí)的處理增益，提高系統(tǒng)對(duì)LPI 雷達(dá)信號(hào)的偵收能力。

2)高分辨率檢測(cè)處理：采用多重信號(hào)分類(lèi)（MUSIC）處理算法，通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相干矩陣的計(jì)算，并進(jìn)行特征值分解，得到分別對(duì)應(yīng)于信號(hào)和噪聲的特征值幅度值，然后分析特征值以提高信號(hào)的分辨率。

3)實(shí)時(shí)脈內(nèi)調(diào)制分析：通過(guò)求解LPI 信號(hào)的相位差分，實(shí)時(shí)進(jìn)行脈內(nèi)識(shí)別處理，獲取LPI 信號(hào)的脈內(nèi)調(diào)制信息。

4)多維參數(shù)聯(lián)合分選：依據(jù)測(cè)量獲得的輻射源信號(hào)的多維參數(shù)（載頻、脈寬、角度、脈內(nèi)信息等參數(shù)），實(shí)現(xiàn)對(duì)具有少量脈沖的LPI 雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行有效分選處理。

2 多維聯(lián)合相干處理

LPI 雷達(dá)通過(guò)采用功率管理等手段，限制發(fā)射功率，使其恰好能滿足對(duì)一定距離/雷達(dá)截面積條件下的探測(cè)需求，降低信號(hào)被截獲概率。為了滿足對(duì)LPI雷達(dá)信號(hào)的偵收需求，采用基于DBF 體制的多維聯(lián)合相關(guān)處理方案，可有效提升系統(tǒng)對(duì)微弱信號(hào)的偵收能力。其中偵察天線陣采用采用二維（方位、俯仰維）面陣布局，具體布陣示意圖如圖2 所示。

圖2 陣列天線布陣示意圖

圖2 中，D 為兩個(gè)相鄰天線單元之間的間距（λmin/2≤D≤λmin，λmin為所需偵收電磁信號(hào)的最短波長(zhǎng)）；M為方位維天線單元的個(gè)數(shù)；N 為俯仰維天線單元的個(gè)數(shù)。

多維聯(lián)合相干處理技術(shù)算法流程如圖3 所示。

多維聯(lián)合相干處理技術(shù)對(duì)信號(hào)分別進(jìn)行頻率維、方位維、俯仰維的相干處理，增加了檢測(cè)信號(hào)時(shí)的處理增益，提高了系統(tǒng)靈敏度。

3 高分辨率檢測(cè)處理

在戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境中，不同輻射源信號(hào)的時(shí)域、空域、頻域參數(shù)都有可能發(fā)生重疊，如果存在同時(shí)到達(dá)的多個(gè)信號(hào)，且參數(shù)（頻率、方位）的差值小于信道化分辨率，則此時(shí)信道化算法難以區(qū)分，會(huì)造成漏批、增批現(xiàn)象。如果想要使用信道化算法區(qū)分同時(shí)到達(dá)信號(hào)，則需要減小相應(yīng)的信道化分辨率。而頻率信道化的分辨率取決于信號(hào)脈沖寬度，空域信道化的分辨率取決于天線陣單元的數(shù)目，都受到一定的物理限制。

本文采用基于多重信號(hào)分類(lèi)（MUSIC）的高分辨率技術(shù)，通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相干矩陣的計(jì)算，并進(jìn)行特征值分解，得到分別對(duì)應(yīng)于信號(hào)和噪聲的特征值幅度值，然后分析特征值以提高信號(hào)的分辨率。該技術(shù)利用有限的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度獲得較高的分辨率，可以一定程度地突破信號(hào)的脈沖寬度和天線陣單元數(shù)目的限制，具體流程圖如圖4 所示。

圖3 多維聯(lián)合相干處理技術(shù)流程圖

圖4 高分辨率檢測(cè)處理流程圖

1）選擇階數(shù)

選擇的相關(guān)矩陣階數(shù)越大，算法能夠達(dá)到的分辨率越高，同時(shí)實(shí)現(xiàn)算法的計(jì)算復(fù)雜度也越大，所以應(yīng)選擇能夠滿足信號(hào)分辨率需要的最小階數(shù)。最小階數(shù)一般由所需要分辨的信號(hào)個(gè)數(shù)決定，計(jì)算公式如下所示：

式中，M 為相關(guān)矩陣最小階數(shù)；N 為需要分辨出的信號(hào)個(gè)數(shù)。

2）構(gòu)建相關(guān)矩陣

選擇信號(hào)延時(shí)，信號(hào)延時(shí)如果選擇的不合適，也會(huì)對(duì)信號(hào)分辨率造成影響。然后根據(jù)所選擇信號(hào)延時(shí)和階數(shù)構(gòu)建相關(guān)矩陣，計(jì)算公式如下所示：

式中，i 為相關(guān)矩陣的行坐標(biāo)；j 為相關(guān)矩陣的列坐標(biāo)；Xp為延時(shí)為p 的信號(hào)；Xq為延時(shí)為q 的信號(hào)。

3)特征值分解

計(jì)算出相關(guān)矩陣的特征值，其中特征值的幅值大小代表信號(hào)的相關(guān)性。由于噪聲的相關(guān)性小，所以代表噪聲的特征值較小，而信號(hào)的相關(guān)性較大，所以代表信號(hào)的特征值也較大。

4)確定信號(hào)個(gè)數(shù)

分析特征值以確定信號(hào)的個(gè)數(shù)，其中主要的分析方法有以下3種：特征值門(mén)限法，信號(hào)個(gè)數(shù)由超過(guò)門(mén)限的特征值個(gè)數(shù)確定；Akaikew 信息準(zhǔn)則法(AIC)，信號(hào)個(gè)數(shù)由使AIC 準(zhǔn)則最小的值確定；最小描述長(zhǎng)度準(zhǔn)則法(MDL)，信號(hào)個(gè)數(shù)由使MDL 準(zhǔn)則最小的值確定。

4 實(shí)時(shí)脈內(nèi)調(diào)制分析

LPI 雷達(dá)通過(guò)采用脈沖壓縮技術(shù)，獲得大帶寬、大時(shí)寬信號(hào)，可有效減少發(fā)射信號(hào)功率，降低信號(hào)被截獲概率。為了實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮，LPI 輻射源使用了大量復(fù)雜調(diào)制技術(shù)。本文通過(guò)求解LPI 信號(hào)的相位差分，實(shí)時(shí)進(jìn)行脈內(nèi)識(shí)別處理，獲取LPI 信號(hào)的脈內(nèi)調(diào)制信息，具體流程圖如圖5 所示。

圖5 實(shí)時(shí)脈內(nèi)識(shí)別處理流程圖

LPI 輻射源一般采用調(diào)頻、調(diào)相實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮，所以LPI 輻射源信號(hào)的數(shù)字表達(dá)式為：

式中,ω(n)為頻率調(diào)制，θ(n)為相位調(diào)制，同時(shí)由于頻率與相位有著一定的關(guān)系，可將式(3)改寫(xiě)為：

式中，A 為幅度，ωc為角頻率，φ(n)為相位。所以有：

獲得同相和正交2 個(gè)分量后，通過(guò)求解出相位差分mn，可對(duì)各種調(diào)制樣式進(jìn)行解調(diào)：

5 多維參數(shù)聯(lián)合分選

LPI 輻射源一般每發(fā)射一個(gè)信號(hào)，就會(huì)改變其頻率、功率等信號(hào)參數(shù)，因此往往沒(méi)有2 個(gè)發(fā)射脈沖是相同的，傳統(tǒng)的信號(hào)分選技術(shù)很難適應(yīng)。本文采用多維參數(shù)聯(lián)合分選技術(shù)，根據(jù)測(cè)量獲得的角度、脈寬、載頻、脈內(nèi)調(diào)制等多維信號(hào)參數(shù)，采用已知輻射源分選、未知輻射源分選等處理手段，聯(lián)合實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射源信號(hào)的分選識(shí)別，提升對(duì)LPI 輻射源信號(hào)的識(shí)別能力，具體流程圖如圖6 所示。

圖6 多維參數(shù)聯(lián)合分選流程圖

1）首先，利用先驗(yàn)知識(shí)快速地將已知雷達(dá)信號(hào)從原始全脈沖信息中挑選出來(lái)，并利用分選完成的樣本稀釋原始全脈沖信號(hào)，減輕未知復(fù)雜體制雷達(dá)信號(hào)與少量脈沖信息分選的壓力：

①將角度、脈寬、載頻、脈內(nèi)調(diào)制等多維參數(shù)，按照一定的精度要求，劃為不同的區(qū)間，從而形成一個(gè)多維參數(shù)空間。

②采用多維參數(shù)關(guān)聯(lián)比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有已知輻射源信號(hào)參數(shù)的比較，完成信號(hào)提取。

③完成信號(hào)稀釋?zhuān)⑤敵鲆阎诌x處理結(jié)果和剩余脈沖信號(hào)。

2)其次，對(duì)剩余脈沖進(jìn)行未知信號(hào)分選處理，提取輻射源信號(hào)，具體步驟如下：

①對(duì)剩余脈沖信號(hào)，按照角度、脈寬、載頻、脈內(nèi)調(diào)制等多維參數(shù)，采用基于網(wǎng)格密度的聚類(lèi)處理算法，使具有相同特征的脈沖形成不同分類(lèi)。

②對(duì)不同分類(lèi)信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)變化規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)分析規(guī)律進(jìn)行信號(hào)搜索，提取該型號(hào)信號(hào)脈沖。

③對(duì)提取出的信號(hào)脈沖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，生成雷達(dá)輻射源描述字。

3）最后，通過(guò)和批處理，減少輻射源漏批、增批現(xiàn)象，提升信號(hào)分選結(jié)果的置信度，并將生產(chǎn)的輻射源描述字補(bǔ)充加載到雷達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)的分選處理提供依據(jù)。

6 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的電子偵察系統(tǒng)對(duì)LPI 雷達(dá)的感知能力有限，難以應(yīng)對(duì)具有日益復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境。針對(duì)低截獲概率雷達(dá)的信號(hào)特征，本文研究了低截獲概率雷達(dá)信號(hào)偵察技術(shù)，能夠有效提升對(duì)低截獲概率雷達(dá)信號(hào)的偵收、檢測(cè)及識(shí)別水平，提高系統(tǒng)對(duì)低截獲概率雷達(dá)信號(hào)的感知能力。