無線電引信的抗干擾性能評(píng)估方法研究

金 文, 武海東, 沙作金, 袁春輝, 江 露

(1.上海無線電設(shè)備研究所,上海201109;2.上海目標(biāo)識(shí)別與環(huán)境感知工程技術(shù)研究中心,上海201109;3.陸軍駐南京地區(qū)軍代局駐上海地區(qū)第二軍代室,上海201109)

0 引言

無線電引信是利用電磁波環(huán)境信息感知目標(biāo)并在距目標(biāo)最佳炸點(diǎn)處引爆戰(zhàn)斗部的一種近炸引信。作為導(dǎo)彈高效毀傷與起爆控制的關(guān)鍵設(shè)備,無線電引信是敵方電子對(duì)抗裝備的主要干擾目標(biāo)[1]。

無線電引信工作時(shí)向外發(fā)射電磁波,電磁波經(jīng)目標(biāo)反射后進(jìn)入引信接收機(jī),引信接收機(jī)將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)(其中包括目標(biāo)信號(hào)、噪聲和干擾),并傳遞至信號(hào)處理模塊進(jìn)行處理、分析和識(shí)別。若處理結(jié)果滿足引信預(yù)定起爆條件,則輸出起爆指令來觸發(fā)戰(zhàn)斗部引爆。

本文通過研究針對(duì)無線電引信的典型干擾,構(gòu)建無線電引信抗干擾性能指標(biāo)體系,研究無線電引信抗干擾性能評(píng)估方法。

1 典型干擾樣式分析

除了自然環(huán)境帶來的有源或無源干擾之外,無線電引信最主要的威脅來自于人為干擾。人為干擾也可以分為有源干擾和無源干擾。無源干擾主要通過箔條云、角反射器、假目標(biāo)等方式實(shí)現(xiàn),有源干擾主要通過干擾機(jī)發(fā)射一定的干擾信號(hào)來完成。人為干擾的分類如圖1所示。

圖1 人為干擾分類

有源壓制式干擾通過干擾機(jī)發(fā)射某種大功率的噪聲信號(hào),使得引信接收到的回波信號(hào)的信噪比大大下降、難以檢測(cè)出有用的信號(hào)或產(chǎn)生誤差,從而達(dá)到干擾的目的。這種干擾方式一般要求較大的發(fā)射功率,對(duì)一些能夠在較低信噪比情況下工作的引信干擾效果并不明顯。有源欺騙式干擾通常采用模擬目標(biāo)回波信號(hào)或模擬回波的某一些特征的方法,使引信誤將干擾信號(hào)認(rèn)作是目標(biāo)回波信號(hào)。

無源干擾一般包含箔條云干擾和角反射器干擾等。箔條云通常由涂覆金屬的纖維或鋁箔條組成,箔條云干擾主要通過箔條云對(duì)電磁波進(jìn)行反射和散射來實(shí)施干擾,故其能夠干擾多種體制的引信。角反射器的干擾原理是模擬地面和空中的目標(biāo),使引信難以探測(cè)到真正的目標(biāo)信息,從而降低導(dǎo)彈對(duì)被掩護(hù)目標(biāo)的毀傷程度,達(dá)到干擾的目的。

無線電引信主要工作在導(dǎo)彈飛行末段,該階段無線電引信面臨的主要有效干擾為有源欺騙式干擾(如空中無人機(jī)自衛(wèi)式干擾)、有源壓制式干擾(如地面干擾站自衛(wèi)式干擾)、無源欺騙式干擾(如角反射器干擾)和無源壓制式干擾(如箔條干擾)等。無線電引信在其它飛行階段均處于未開機(jī)狀態(tài),未開機(jī)狀態(tài)下可能有效的干擾為有源壓制式干擾(如電磁脈沖干擾)。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn),無線電引信通常能承受千兆瓦級(jí)的電磁脈沖干擾。

2 無線電引信抗干擾性能評(píng)估指標(biāo)

無線電引信系統(tǒng)抗干擾性能評(píng)估是一個(gè)比較復(fù)雜的問題,無法籠統(tǒng)地用一兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行描述。尤其是針對(duì)不同干擾樣式,無線電引信均有對(duì)應(yīng)的不同的抗干擾性能指標(biāo)。

2.1 抗有源壓制式干擾性能評(píng)估指標(biāo)

(1)最大作用距離

最大作用距離Rm]a]x,即引信能夠探測(cè)到的最遠(yuǎn)距離,在有源壓制干擾下,可以表示為

式中:Pt為引信發(fā)射功率;Gt為引信發(fā)射天線的增益;Gr為引信天線對(duì)著目標(biāo)方向的接收增益;σ為目標(biāo)的截面積;RJ為干擾機(jī)到引信接收天線的距離;ΔfJ為干擾頻帶;Δf為引信接收機(jī)的帶寬;L為引信系統(tǒng)的損耗;Pt]J為干擾機(jī)的發(fā)射功率;GJ為干擾機(jī)正對(duì)引信方向的增益;G'r為引信天線對(duì)著干擾機(jī)方向的接收增益;min(Pr/Pr]J)為目標(biāo)檢測(cè)所需最小信干比,Pr為接收到的目標(biāo)信號(hào)功率,Pr]J為接收到的干擾信號(hào)功率;A'r為引信天線對(duì)著干擾機(jī)方向的有效面積;λ為引信發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)。

(2)反壓制系數(shù)

壓制系數(shù)是衡量壓制式干擾的一個(gè)重要指標(biāo)。通常情況取檢測(cè)概率Pd為0.1時(shí),接收機(jī)中頻放大器的輸入端通帶內(nèi)的最小干信比為壓制系數(shù),用Ka表示,表達(dá)式為

式中:PJ和PS分別為壓制式干擾下,進(jìn)入引信接收機(jī)中頻放大器的干擾信號(hào)功率和目標(biāo)回波信號(hào)功率。

干擾與抗干擾是相互對(duì)立的,可以考慮用接收機(jī)輸入端的最小可檢測(cè)信干比來描述抗壓制式干擾性能的優(yōu)劣,將其定義為反壓制系數(shù),用Kb=1/Ka表示。對(duì)于采取不同抗干擾措施的引信,在相同的干擾環(huán)境下,反壓制系數(shù)越小,表明引信的抗干擾性能越好。

(3)抗干擾改善因子

引信抗干擾改善因子(EIF)的定義:引信在采用電子抗干擾技術(shù)后,引信接收機(jī)輸出的信號(hào)、干擾功率比與未應(yīng)用抗干擾技術(shù)時(shí)接收機(jī)輸出的信號(hào)、干擾功率比的比值。當(dāng)目標(biāo)相同、引信其它主要參數(shù)都相同時(shí),引信在采取抗干擾技術(shù)前后的接收機(jī)輸出端的信號(hào)功率是一定的,所以EIF也可理解為采取抗干擾技術(shù)前后引信接收機(jī)的輸出的信號(hào)干擾功率比,記為KE]I]F,表達(dá)式為

式中:(PS/PJ)0和(PS/PJ)k分別表示引信采取抗干擾措施前后,引信接收機(jī)輸出的信號(hào)干擾功率比。但是該指標(biāo)沒有考慮采用抗干擾技術(shù)給引信系統(tǒng)整體性能帶來的影響。因此,研究人員對(duì)EIF指標(biāo)進(jìn)行了改進(jìn),定義了系統(tǒng)損失系數(shù)L,提出了有效抗干擾改善因子(Effective EIF,EEIF),記為KEEIF,表達(dá)式為

(4)壓制式干擾下測(cè)距精度

對(duì)于具有理想的矩形脈沖信號(hào)和匹配接收系統(tǒng)的引信,在忽略距離單元采樣引起誤差的條件下,測(cè)距精度σR主要由接收機(jī)輸出端的信號(hào)噪聲能量比來決定,其表達(dá)式為

式中:τ為信號(hào)脈沖寬度;E為信號(hào)能量;EJ為干擾信號(hào)能量;EN為噪聲信號(hào)能量;c為光速。

匹配損失、波束形狀損失和檢波損失都會(huì)在檢波后的視頻積累接收系統(tǒng)中存在,此時(shí)有

式中:[E/(EJ+EN)]m為天線波束對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)雷達(dá)接收機(jī)的輸出信噪比(包含噪聲和干擾);Lp是波束形狀損失,其經(jīng)驗(yàn)值約為1.6dB;Lm為不匹配損失,其經(jīng)驗(yàn)值約為1dB;n是波束內(nèi)脈沖數(shù)。

由式(7)可知,當(dāng)引信受到干擾時(shí),接收機(jī)輸出的信噪比會(huì)變化,引信的測(cè)量誤差也會(huì)增加。當(dāng)使用抗干擾技術(shù)時(shí),若引信的測(cè)量精度變化較小,則表明引信抗干擾性能較好。

2.2 抗無源壓制式干擾性能評(píng)估指標(biāo)

無源壓制式干擾主要是箔條和懸浮氣體干擾,它們相當(dāng)于無源偶極子對(duì)無線電信號(hào)形成強(qiáng)反射,將增加引信探測(cè)目標(biāo)的難度。

若無源干擾區(qū)的有效反射面積為σJ,則引信接收的干擾信號(hào)功率

式中:R為無源干擾區(qū)到引信的距離。

假設(shè)干擾區(qū)(體積為VJ)有N個(gè)偶極子,其平均有效截面積為σd,V0為引信的分辨空間體積,則

當(dāng)目標(biāo)處于無源干擾區(qū)內(nèi)時(shí),若目標(biāo)的有效截面積為σ,可近似求得接收機(jī)輸出端信干比

式中:θα和θφ為引信半功率波瓣寬度;τ為脈沖寬度。由式(11)可知,Rm]a]x越大,表明引信系統(tǒng)的抗干擾性能就越優(yōu)異。

由于無源壓制式干擾在本質(zhì)上也是降低引信接收機(jī)的輸出端信干比,所以其他的抗有源壓制式干擾所使用的評(píng)估指標(biāo)同樣適用于評(píng)估抗無源壓制式干擾性能。

2.3 抗有/無源欺騙式干擾性能評(píng)估指標(biāo)

(1)測(cè)距精度

測(cè)距精度是測(cè)距引信的主要性能指標(biāo),用其直接描述測(cè)距引信抗欺騙式干擾性能是最為有效的。測(cè)距引信抗干擾性能越好,實(shí)際測(cè)距精度肯定就越高。

(2)抗干擾成功率

若引信在干擾條件下進(jìn)行多次引爆測(cè)試,其正常引爆(不早炸、不啞火)的次數(shù)越多,證明其抗干擾性能越好。將引信在規(guī)定干擾條件下能夠有效引爆的次數(shù)與總試驗(yàn)次數(shù)之比定義為抗干擾成功率。

(3)干擾機(jī)截獲時(shí)間

有源欺騙干擾中干擾機(jī)對(duì)引信進(jìn)行干擾時(shí),需要獲取引信信號(hào)。引信抗干擾能力越強(qiáng),干擾機(jī)獲取信號(hào)的時(shí)間越長(zhǎng)。從開啟干擾機(jī)至干擾機(jī)獲得引信信號(hào)的時(shí)間定義為干擾機(jī)截獲時(shí)間。

(4)引導(dǎo)干擾時(shí)間

引信受到干擾機(jī)干擾的結(jié)果之一是引信早炸。在同等干擾條件下,無目標(biāo)時(shí)引信啟動(dòng)得越晚,則該引信的抗干擾能力越強(qiáng)。定義干擾機(jī)開始干擾至引信啟動(dòng)的時(shí)間為引導(dǎo)干擾時(shí)間。

(5)無源欺騙信號(hào)識(shí)別率

若引信識(shí)別無源欺騙式信號(hào)較多,則表明其抗無源欺騙式干擾性能較強(qiáng)。定義無源欺騙信號(hào)識(shí)別率為發(fā)現(xiàn)假信號(hào)次數(shù)占無源欺騙干擾總次數(shù)的百分比。

3 無線電引信抗干擾性能評(píng)估方法

3.1 國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

GJB3257—1998《無線電引信干擾效果評(píng)定準(zhǔn)則》[2]中規(guī)定了無線電引信干擾設(shè)備對(duì)無線電引信干擾效果評(píng)定的一般準(zhǔn)則。該標(biāo)準(zhǔn)適用于無線電引信干擾設(shè)備在設(shè)計(jì)定型和生產(chǎn)定型試驗(yàn)時(shí)對(duì)無線電引信干擾效果的評(píng)定。

GJB4964—2003《無線電引信對(duì)抗設(shè)備戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求項(xiàng)目格式》[3]規(guī)定了擬制無線電引信對(duì)抗設(shè)備戰(zhàn)術(shù)要求的項(xiàng)目格式。該標(biāo)準(zhǔn)適用于地面、艦船及機(jī)載等無線電引信對(duì)抗設(shè)備,是擬制和論證其戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)要求應(yīng)遵循的基本依據(jù)。

3.2 指標(biāo)體系構(gòu)建方法

引信抗干擾性能評(píng)估是一個(gè)多指標(biāo)綜合評(píng)估問題,需要從多個(gè)角度和層次反映無線電引信抗干擾性能的水平。構(gòu)造一個(gè)抗干擾評(píng)估指標(biāo)體系就相當(dāng)于構(gòu)造一個(gè)信息處理系統(tǒng),該系統(tǒng)可根據(jù)經(jīng)過統(tǒng)一處理的輸入得到特定的輸出結(jié)果。而構(gòu)造系統(tǒng)最重要的就是系統(tǒng)元素和系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)。在抗干擾評(píng)估指標(biāo)體系中,系統(tǒng)元素就是基本的單個(gè)評(píng)估指標(biāo),而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就是評(píng)估指標(biāo)之間的依賴和隸屬關(guān)系[4]。建立評(píng)估指標(biāo)體系流程如圖2所示。

圖2 構(gòu)建指標(biāo)體系流程圖

由前面的分析可知,無線電引信在工作過程中可能會(huì)受到多種不同形式的干擾,因此需要通過多種不同的抗干擾樣式去建立抗干擾評(píng)估指標(biāo)體系。

3.3 指標(biāo)體系的優(yōu)化方法

分析第2章建立的初始抗干擾性能指標(biāo)評(píng)估體系,可發(fā)現(xiàn)雖然指標(biāo)體系比較完備,但沒有考慮指標(biāo)對(duì)評(píng)估結(jié)果的作用和各個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)性。由于各個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)性很強(qiáng),導(dǎo)致初始指標(biāo)體系較繁雜,所以需要對(duì)初始指標(biāo)體系進(jìn)行優(yōu)化,以精簡(jiǎn)指標(biāo)個(gè)數(shù),盡可能地降低冗余。常用的優(yōu)化方法有極大不相關(guān)法和模糊粗糙集法。

極大不相關(guān)法能夠根據(jù)指標(biāo)體系中的指標(biāo)相關(guān)性,選取相關(guān)性較弱的指標(biāo),組成新的指標(biāo)體系,降低指標(biāo)體系的冗余度。粗糙(Rough)集[4]方法能夠反映系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的依賴關(guān)系,區(qū)分不同類型的指標(biāo),并從初始指標(biāo)體系中查找出完全確定評(píng)價(jià)結(jié)果的最精簡(jiǎn)指標(biāo)組合。

對(duì)于評(píng)估指標(biāo),可以概括為離散型指標(biāo)和連續(xù)型指標(biāo)。其中,離散型指標(biāo)值必須用語言或者少量的離散值描述,而連續(xù)型指標(biāo)值是在一個(gè)連續(xù)區(qū)間內(nèi)。對(duì)于連續(xù)型指標(biāo),Rough集不能直接進(jìn)行處理,需要先對(duì)其進(jìn)行離散化,而這一過程很有可能導(dǎo)致重要信息丟失。信息丟失的嚴(yán)重程度對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性具有很大影響。模糊集可以通過隸屬函數(shù)來處理集合中子類邊界的模糊性,所以將模糊集與粗糙集相結(jié)合的模糊粗糙集(Fuzzy-rough Set,FRS)能夠很好地解決連續(xù)型指標(biāo)離散化問題,并可以優(yōu)化無線電引信抗干擾指標(biāo)體系,使其冗余度大大降低。

3.4 指標(biāo)權(quán)重的求取方法

在完成系統(tǒng)抗干擾性能評(píng)估指標(biāo)體系的建立和優(yōu)化后,就可以確定體系中的所有評(píng)估指標(biāo)。由于各個(gè)評(píng)估指標(biāo)的重要程度和每個(gè)樣本對(duì)應(yīng)指標(biāo)體系中的各個(gè)指標(biāo)值都是不同的,需要正確有效地確定各個(gè)評(píng)估指標(biāo)在評(píng)估系統(tǒng)中的權(quán)重系數(shù),來計(jì)算出能定量描述引信抗干擾性能的綜合評(píng)估值。常用的權(quán)重系數(shù)選取方法有統(tǒng)計(jì)法、直接給出法、最大離差法和層次分析法等。其中,層次分析法[5]由美國匹茲堡大學(xué)T.L.SATTY教授于20世紀(jì)70年代初期提出,是一種定性定量相結(jié)合的多準(zhǔn)則決策方法。它利用決策者的認(rèn)知,對(duì)復(fù)雜問題進(jìn)行簡(jiǎn)易處理,并做出決策。無線電引信抗干擾指標(biāo)體系中,指標(biāo)因素繁多復(fù)雜,且難以全部量化,層次分析法對(duì)解決這種復(fù)雜問題十分有效,并且可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)分析和計(jì)算工作。因此本文選擇群決策中層次分析法的排序方法,來確定指標(biāo)體系中的指標(biāo)權(quán)重系數(shù)。層次分析法的建模流程如圖3所示。

該方法中,決策者根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn),對(duì)指標(biāo)體系中各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行相對(duì)重要性評(píng)估,給出兩兩判斷矩陣,最后求出各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

圖3 層次分析法的建模流程

由m個(gè)評(píng)估者對(duì)n個(gè)評(píng)估指標(biāo){x1,x2,…,xn}組成的評(píng)估指標(biāo)體系進(jìn)行評(píng)估,每一次每個(gè)評(píng)估者取兩個(gè)評(píng)估指標(biāo)xi和xj進(jìn)行重要性比較。表示第k個(gè)評(píng)估者所認(rèn)為的xi和xj對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響大小之比。每個(gè)評(píng)估者所得到的全部比較結(jié)果構(gòu)成的矩陣即為判斷矩陣,其中為矩陣元素,一般用數(shù)字1～9及其倒數(shù)作為標(biāo)度量化值。

利用群集結(jié)方法,將多個(gè)評(píng)估者的判斷矩陣進(jìn)行集結(jié),構(gòu)成一個(gè)判斷矩陣。假設(shè)第k個(gè)評(píng)估者在評(píng)估體系中的重要度為ak,且0≤ak≤1,則群集結(jié)后的判斷矩陣是最接近所有評(píng)估者的判斷的,則有最小均方誤差

對(duì)式(12)等號(hào)兩邊求偏導(dǎo),則有

將所得判斷矩陣按列進(jìn)行歸一化,并按行求和,得到權(quán)重系數(shù)

再歸一化后得到各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)

3.5 抗干擾評(píng)估性能計(jì)算

根據(jù)引信工作環(huán)境選擇合適的評(píng)估指標(biāo),假定選擇的評(píng)估指標(biāo)為最大作用距離、反壓制系數(shù)、測(cè)距精度以及抗干擾成功率。根據(jù)引信的體制方案,通過仿真試驗(yàn)的方法得到各個(gè)評(píng)估指標(biāo)。假設(shè)各評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)為x1,x2,x3,x4。由于各評(píng)估指標(biāo)間一致性相差很大,根據(jù)評(píng)估指標(biāo)的特點(diǎn)和基本屬性,利用模糊數(shù)學(xué)對(duì)其進(jìn)行模糊化處理。

在同等干擾條件下,最大作用距離越大,其抗干擾性能越好。將其模糊處理,設(shè)定其隸屬函數(shù)為

而在相同的干擾環(huán)境下,反壓制系數(shù)越小,則其抗干擾性能就越好。將其模糊處理,設(shè)定其隸屬函數(shù)為

在相同的干擾環(huán)境下,測(cè)距精度越小,則其抗干擾性能越好。設(shè)定其隸屬函數(shù)為

在相同的干擾環(huán)境下,抗干擾成功率越高,則其抗干擾性能越好,且該評(píng)估值為百分?jǐn)?shù)。設(shè)定其隸屬函數(shù)為

再根據(jù)3.4節(jié)中方法求得四個(gè)評(píng)估指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)ω1,ω2,ω3,ω4。則其綜合評(píng)估結(jié)果為

4 結(jié)論

無線電引信在工作過程中會(huì)面臨多種不同的干擾,因此需要根據(jù)不同的抗干擾樣式去建立評(píng)估指標(biāo)體系。本文提出的無線電引信抗干擾性能評(píng)估方法,通過合理有效的指標(biāo)體系構(gòu)建流程,可以針對(duì)不同的干擾樣式和引信體制,高效地構(gòu)建一個(gè)完善的評(píng)估體系,來應(yīng)對(duì)引信多樣化的抗干擾性能評(píng)估需求。根據(jù)實(shí)際引信設(shè)計(jì)方案設(shè)置相關(guān)參數(shù),選擇相應(yīng)的指標(biāo)和評(píng)估矩陣,完成無線電引信在不同干擾條件下的抗干擾性能評(píng)估。