雷達(dá)與電子戰(zhàn)的認(rèn)知博弈 *

曹蘭英， 郭明明， 羅美方

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司雷華電子技術(shù)研究所， 江蘇無錫 214063)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭面臨著復(fù)雜的電磁環(huán)境、多樣化的目標(biāo)環(huán)境以及多變的背景環(huán)境，其中復(fù)雜電磁環(huán)境是戰(zhàn)場環(huán)境最為突出的特征，給雷達(dá)探測和電子戰(zhàn)都帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

雷達(dá)面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境主要指敵方電子戰(zhàn)設(shè)備施放的有源干擾，這些干擾信號(hào)作用于空間、時(shí)域、頻域、能量域，形成的干擾場景越復(fù)雜、干擾樣式越多、干擾功率越大，對(duì)雷達(dá)威力、精度、分辨率及目標(biāo)識(shí)別等能力的削弱越明顯[1]。

電子戰(zhàn)設(shè)備面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境主要是指敵方雷達(dá)發(fā)射的電磁信號(hào)，雷達(dá)輻射源數(shù)量越多、頻帶范圍越廣、功率管理越敏捷、波形調(diào)制形式越復(fù)雜、抗干擾措施越靈活，電子戰(zhàn)設(shè)備進(jìn)行有效干擾的難度越高[2-3]。

可見，雷達(dá)與電子戰(zhàn)的對(duì)抗是一個(gè)動(dòng)態(tài)博弈的過程。

近年來，隨著新型干擾樣式的不斷開發(fā)，以及干擾參數(shù)的靈活化和智能化演進(jìn)，雷達(dá)面臨的干擾信號(hào)變得更加密集、復(fù)雜，保持或提升抗干擾效果面臨著更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，數(shù)字陣列雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展、雷達(dá)空/時(shí)/頻/極化多維低截獲措施的綜合運(yùn)用，以及干擾智能化識(shí)別能力的不斷提升，也在進(jìn)一步削弱電子戰(zhàn)設(shè)備的干擾效果[4]。

未來，作戰(zhàn)樣式的體系化變革，分別對(duì)雷達(dá)和電子戰(zhàn)的反對(duì)抗和對(duì)抗能力提出了更高要求。體系化作戰(zhàn)具備“分布、智能、協(xié)同、時(shí)變”的特點(diǎn)，具有戰(zhàn)場態(tài)勢實(shí)時(shí)共享、作戰(zhàn)資源綜合管控、戰(zhàn)術(shù)決策自主高效等能力，極大地加快了OODA環(huán)的運(yùn)行速度。相應(yīng)地，雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)必須具備在更高的信息自由度條件下，合理利用多樣化資源，做出更快抗干擾與干擾決策的能力[5]。

可見，隨著新技術(shù)的發(fā)展和作戰(zhàn)樣式的變化，雷達(dá)與電子戰(zhàn)的博弈將會(huì)愈演愈烈[6]。因此，設(shè)計(jì)一種能夠準(zhǔn)確感知環(huán)境，并能夠根據(jù)環(huán)境變化動(dòng)態(tài)調(diào)整工作方式的雷達(dá)與電子戰(zhàn)系統(tǒng)，是適應(yīng)未來強(qiáng)博弈作戰(zhàn)環(huán)境的必然趨勢。

具備閉環(huán)反饋、全局優(yōu)化、自適應(yīng)處理等特點(diǎn)的認(rèn)知技術(shù)為上述系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了有效途徑。

1 認(rèn)知雷達(dá)與電子戰(zhàn)

認(rèn)知思想最早起源于軟件定義無線電技術(shù)領(lǐng)域， Mitola于1999年首次提出了基于智能化頻譜共享技術(shù)的“認(rèn)知無線電”[7]，隨后Haykin教授于2006年提出了“認(rèn)知雷達(dá)”的概念[8]，美軍從2008年開始將認(rèn)知概念引入電子戰(zhàn)裝備中。自此，認(rèn)知雷達(dá)與認(rèn)知電子戰(zhàn)成為新體制射頻技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

1.1 認(rèn)知雷達(dá)

2006年，加拿大Haykin對(duì)認(rèn)知雷達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、信號(hào)處理方式等進(jìn)行了描述。2010年，Guerci和Wicks從不同的視角討論了認(rèn)知雷達(dá)基本結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)[9-10]。2014年，Guerci提出了具有認(rèn)知功能的全自適應(yīng)雷達(dá)(CoFAR)[11]，融合了雷達(dá)自適應(yīng)處理和動(dòng)態(tài)環(huán)境場景特征，是具有代表性的具有智能化思想的雷達(dá)，其架構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 CoFAR框圖

總結(jié)來說，認(rèn)知雷達(dá)具有認(rèn)知能力和重構(gòu)能力兩個(gè)基本特征，包含以下三種要素[12-13]：對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行感知學(xué)習(xí)與智能處理、根據(jù)處理結(jié)果對(duì)發(fā)射進(jìn)行反饋與調(diào)整、對(duì)場景與目標(biāo)信息進(jìn)行保存與學(xué)習(xí)。

因此，認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)的核心應(yīng)該包含匹配發(fā)射、自適應(yīng)接收與處理、全局反饋優(yōu)化、知識(shí)記憶與學(xué)習(xí)四個(gè)部分，如圖2所示。其中匹配發(fā)射是指認(rèn)知雷達(dá)根據(jù)電磁環(huán)境、雜波場景、目標(biāo)特征，在發(fā)射端自主調(diào)整工作模式，進(jìn)行波束自適應(yīng)形成、波形優(yōu)化設(shè)計(jì)、極化自適應(yīng)調(diào)整等處理；自適應(yīng)接收與處理是指在接收端自主選擇信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理方法，學(xué)習(xí)場景特征，并做出決策；全局反饋優(yōu)化是指系統(tǒng)內(nèi)部形成閉環(huán)，將處理端的決策反饋到發(fā)射端；知識(shí)記憶與學(xué)習(xí)是指在上述工作過程中，不斷進(jìn)行知識(shí)提取與存儲(chǔ)，更新先驗(yàn)知識(shí)庫。

圖2 認(rèn)知雷達(dá)基本結(jié)構(gòu)

可見，認(rèn)知雷達(dá)與傳統(tǒng)雷達(dá)最顯著的區(qū)別在于雷達(dá)本身形成了一個(gè)閉環(huán)，發(fā)射端能夠根據(jù)處理結(jié)果和反饋信息實(shí)時(shí)調(diào)整，以便與外界環(huán)境達(dá)到最佳匹配[14]，從而提高雷達(dá)的目標(biāo)探測和抗干擾能力。

1.2 認(rèn)知電子戰(zhàn)

從2008年開始，美軍先后開展了“行為學(xué)習(xí)型自適應(yīng)電子戰(zhàn)”和“自適應(yīng)電子戰(zhàn)”項(xiàng)目，正式為認(rèn)知電子戰(zhàn)拉開序幕。目前提出的典型認(rèn)知電子戰(zhàn)理論有美國喬治亞技術(shù)研究所(GTRI)開展的CORA項(xiàng)目、土耳其下一代無線通信實(shí)驗(yàn)室于2015年提出的認(rèn)知電子對(duì)抗系統(tǒng)架構(gòu)(CECM)以及基于OODA作戰(zhàn)環(huán)的認(rèn)知電子戰(zhàn)等，具體如圖3所示[15]。

(a) CORA

(b) CECM

(c) 基于OODA環(huán)的認(rèn)知電子戰(zhàn)圖3 典型認(rèn)知電子戰(zhàn)理論

同樣地，認(rèn)知電子戰(zhàn)也具有認(rèn)知能力和重構(gòu)能力兩個(gè)基本特征，包含以下四種要素[16]：對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境中的輻射源信號(hào)進(jìn)行學(xué)習(xí)和威脅等級(jí)分析、根據(jù)輻射源信號(hào)特征及威脅等級(jí)對(duì)干擾發(fā)射進(jìn)行反饋與調(diào)整、對(duì)場景與目標(biāo)信息進(jìn)行保存與學(xué)習(xí)、對(duì)干擾效果進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估。

因此，認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)的核心主要包含偵察、智能決策和干擾三個(gè)部分，如圖4所示。其中，偵察單元能夠進(jìn)行輻射源接收、檢測、測量和信號(hào)特征分析，通過信號(hào)分選識(shí)別、信號(hào)定位，對(duì)個(gè)體屬性及個(gè)體行為特征進(jìn)行威脅等級(jí)評(píng)估；智能決策單元是認(rèn)知電子戰(zhàn)的核心，根據(jù)威脅等級(jí)評(píng)估和干擾效果評(píng)估結(jié)果選擇最佳干擾波形和最佳干擾能量分配方法，預(yù)評(píng)估干擾效果。

圖4 認(rèn)知電子戰(zhàn)基本結(jié)構(gòu)

可見，認(rèn)知電子戰(zhàn)與傳統(tǒng)電子戰(zhàn)的最大區(qū)別也在于電子戰(zhàn)本身形成了一個(gè)閉環(huán)，能夠根據(jù)對(duì)外部環(huán)境的感知結(jié)果，優(yōu)化資源分配方式和控制策略，根據(jù)獲得的信息自適應(yīng)決定干擾波形，提高電子戰(zhàn)的實(shí)時(shí)干擾能力。

1.3 雷達(dá)和電子戰(zhàn)的認(rèn)知博弈

認(rèn)知雷達(dá)通過對(duì)不同干擾類型的認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)干擾分類和識(shí)別，并根據(jù)干擾的變化采用不同的抑制手段進(jìn)行對(duì)抗。但是，認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)裝訂的干擾樣式種類繁多，并且能夠根據(jù)需求靈活變換和組合干擾樣式，使得雷達(dá)總存在被干擾的可能。

認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)能夠?qū)W習(xí)環(huán)境和目標(biāo)信息，動(dòng)態(tài)評(píng)估干擾效果，在線優(yōu)化干擾策略。但是，當(dāng)遇到能夠自適應(yīng)調(diào)整發(fā)射波形、自主設(shè)計(jì)抗干擾措施的認(rèn)知雷達(dá)時(shí)，其干擾效果也會(huì)大打折扣。

因此，在認(rèn)知雷達(dá)與認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)的博弈中，雙方擁有的招數(shù)是對(duì)等的，任何一方都不可能長期占據(jù)壓倒性優(yōu)勢，雙方將在對(duì)抗中不斷發(fā)展。

2 射頻一體化認(rèn)知對(duì)抗

隨著新技術(shù)的發(fā)展，戰(zhàn)場環(huán)境越來越復(fù)雜，對(duì)射頻系統(tǒng)的綜合能力要求也愈來愈高，各自獨(dú)立的電子設(shè)備逐漸不再滿足現(xiàn)代戰(zhàn)場快速、多變、高效、實(shí)時(shí)的作戰(zhàn)要求。

考慮到在雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)的工作過程中，己方電子戰(zhàn)設(shè)備對(duì)敵方干擾信號(hào)的認(rèn)知結(jié)果能夠?qū)走_(dá)的抗干擾決策起到很好的輔助作用，同樣地，己方雷達(dá)對(duì)敵方目標(biāo)的測量結(jié)果也能夠?qū)﹄娮討?zhàn)設(shè)備的干擾決策起到很好的輔助作用。因此，探索通過共用射頻孔徑的方式對(duì)雷達(dá)與電子戰(zhàn)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)探測資源與電子戰(zhàn)資源的共享，以提升裝備的綜合作戰(zhàn)效能。

在雷達(dá)與電子戰(zhàn)一體化認(rèn)知對(duì)抗系統(tǒng)中，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與調(diào)用策略設(shè)計(jì)是兩大關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

雷達(dá)與電子戰(zhàn)一體化認(rèn)知對(duì)抗系統(tǒng)架構(gòu)主要包含綜合孔徑、綜合射頻、一體化信號(hào)處理、綜合數(shù)據(jù)處理、任務(wù)管理、發(fā)射激勵(lì)生成等模塊，各模塊間通過認(rèn)知反饋實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通[17]。具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 一體化認(rèn)知對(duì)抗系統(tǒng)架構(gòu)

其中，綜合孔徑模塊是實(shí)現(xiàn)射頻一體化認(rèn)知對(duì)抗的核心，通過接收任務(wù)管理模塊的指令，進(jìn)行孔徑資源配置與波束自適應(yīng)形成，需要具備靈活的重構(gòu)與資源配置能力，以滿足不同工作模式的需求。

綜合射頻模塊負(fù)責(zé)射頻信號(hào)的發(fā)射與接收，想要實(shí)現(xiàn)真正的射頻一體化，需要采用統(tǒng)一的通道設(shè)計(jì)，但是目前的器件發(fā)展水平還不夠，未來有望在微波光子學(xué)等技術(shù)發(fā)展成熟后得以實(shí)現(xiàn)。

一體化信號(hào)處理模塊、綜合數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)計(jì)算與數(shù)據(jù)處理，任務(wù)管理模塊根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果做出系統(tǒng)決策，包括發(fā)射激勵(lì)、孔徑配置、信號(hào)與數(shù)據(jù)處理方式等。

2.2 調(diào)用策略設(shè)計(jì)

針對(duì)調(diào)用策略設(shè)計(jì)，需要完成一體化對(duì)抗系統(tǒng)的工作模式設(shè)計(jì)，以及不同工作模式下雷達(dá)與電子戰(zhàn)的資源分配策略設(shè)計(jì)。一體化對(duì)抗系統(tǒng)的工作模式主要涵蓋探測模式、干擾模式與協(xié)同工作模式[18]。

探測模式下，系統(tǒng)主要完成目標(biāo)探測和無源偵收，雷達(dá)與電子戰(zhàn)功能可同時(shí)實(shí)現(xiàn)，即在每個(gè)掃描波位上，交替進(jìn)行有源探測和無源偵收，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)探測和威脅告警。該模式下，天線掃描波位的控制，以及不同波位上有源探測、無源偵收的時(shí)間分配，是需要解決的重點(diǎn)問題。在一體化認(rèn)知架構(gòu)中，通過場景特征提取與分析，完成系統(tǒng)對(duì)態(tài)勢的精確感知；通過知識(shí)輔助與決策技術(shù)，完成基于態(tài)勢感知結(jié)果的波位控制與時(shí)間分配；通過知識(shí)學(xué)習(xí)與記憶，完成知識(shí)的積累與更新；通過全局反饋技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線優(yōu)化與改進(jìn)。

干擾模式下，系統(tǒng)主要完成無源探測以及對(duì)敵方雷達(dá)的有源干擾。該模式下，無源探測與有源干擾的優(yōu)化調(diào)度、無源探測算法與有源干擾策略的優(yōu)化設(shè)計(jì)是需要解決的重點(diǎn)問題。在一體化認(rèn)知架構(gòu)中，認(rèn)知決策技術(shù)輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無源探測與有源干擾的優(yōu)化調(diào)度；認(rèn)知截獲與認(rèn)知處理技術(shù)輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁環(huán)境的全面、準(zhǔn)確感知，認(rèn)知決策與認(rèn)知干擾技術(shù)輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)干擾策略的優(yōu)化選擇以及對(duì)目標(biāo)的精準(zhǔn)干擾。

協(xié)同模式下，系統(tǒng)需要同時(shí)具備目標(biāo)探測、無源偵收和有源干擾能力。由于上述任務(wù)均需占用雷達(dá)天線陣面，且適用頻率也可能會(huì)存在沖突，因此需要更加細(xì)化與智能的時(shí)間管理與頻率管理。在一體化認(rèn)知架構(gòu)中，基于認(rèn)知處理結(jié)果，通過認(rèn)知決策對(duì)探測、偵收和干擾功能進(jìn)行時(shí)間和頻率管理。在干擾階段，系統(tǒng)根據(jù)偵收信號(hào)的認(rèn)知處理結(jié)果，進(jìn)行頻點(diǎn)、干擾波形、干擾功率等干擾策略選擇，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行認(rèn)知干擾；在探測階段，根據(jù)雷達(dá)回波的認(rèn)知處理結(jié)果，進(jìn)行掃描波位、頻點(diǎn)、發(fā)射波形、處理策略等選擇，甚至可根據(jù)需求，選擇探/干一體化波形，同時(shí)實(shí)現(xiàn)探測與干擾。

3 體系化認(rèn)知對(duì)抗

分布式作戰(zhàn)、網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)等新型作戰(zhàn)概念的提出，極大地推動(dòng)了雷達(dá)與電子戰(zhàn)的協(xié)同化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。因此，在開展射頻一體化認(rèn)知系統(tǒng)研究的同時(shí)，應(yīng)同步開展體系化認(rèn)知對(duì)抗技術(shù)研究，充分利用認(rèn)知技術(shù)，采用協(xié)同、分布式、開放的體系架構(gòu)，發(fā)展多功能、網(wǎng)絡(luò)化、多源融合的認(rèn)知對(duì)抗能力，實(shí)現(xiàn)多種射頻對(duì)抗系統(tǒng)的協(xié)同工作[19]。

3.1 體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

體系化認(rèn)知對(duì)抗是指將作戰(zhàn)能力部署到多個(gè)平臺(tái)上，平臺(tái)間通過信息共享、任務(wù)綜合、資源優(yōu)化和自主協(xié)同，形成具有強(qiáng)敏捷性和韌性的作戰(zhàn)系統(tǒng)[20]，實(shí)現(xiàn)對(duì)抗效能最大化，通用化體系架構(gòu)如圖6所示。

圖6 體系架構(gòu)

因此，體系化認(rèn)知對(duì)抗系統(tǒng)應(yīng)具備跨域分布、高效協(xié)同、自主智能等特點(diǎn)。

· 跨域分布

體系內(nèi)的作戰(zhàn)單元，分布在空、陸、海、天、電磁、賽博等不同的作戰(zhàn)域，根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行自適應(yīng)跨域組合，形成具有自適應(yīng)調(diào)整能力的作戰(zhàn)體系。

· 高效協(xié)同

作戰(zhàn)單元以完成同一作戰(zhàn)任務(wù)為目標(biāo)，依托網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在時(shí)間、空間上相互配合，實(shí)現(xiàn)多種功能的有機(jī)組合；通過多層次、多維度信息融合，實(shí)現(xiàn)各作戰(zhàn)單元間探測資源、干擾資源、打擊資源的共享與優(yōu)化配置，形成“1+1>2”的效果。

· 自主智能

智能化技術(shù)的發(fā)展，不斷提升作戰(zhàn)平臺(tái)、信息系統(tǒng)以及決策系統(tǒng)的智能化水平，使作戰(zhàn)系統(tǒng)具備在對(duì)抗環(huán)境中自我進(jìn)化的能力。該能力主要包括體系架構(gòu)的自主調(diào)整，平臺(tái)任務(wù)的自主分配，以及作戰(zhàn)單元的自主感知、自主干擾、自主攻擊等。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

體系化認(rèn)知對(duì)抗涉及飛控、制導(dǎo)、探測感知、電子對(duì)抗、效能評(píng)估等多個(gè)方面，本文主要針對(duì)探測感知與電子對(duì)抗，分析體系化認(rèn)知對(duì)抗系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

· 戰(zhàn)場態(tài)勢感知與認(rèn)知

態(tài)勢感知是體系作戰(zhàn)中任務(wù)規(guī)劃的前提，利用信息處理、信息融合、知識(shí)挖掘等技術(shù)處理各平臺(tái)獲取的探測信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場環(huán)境態(tài)勢的認(rèn)知與理解，并通過態(tài)勢評(píng)估，發(fā)掘指揮決策所需要的信息[21-22]。其中，異構(gòu)傳感器信息融合、多源信息知識(shí)挖掘與表示、態(tài)勢評(píng)估與輔助決策等技術(shù)是戰(zhàn)場態(tài)勢感知與認(rèn)知的關(guān)鍵技術(shù)。

· 體系化認(rèn)知電子對(duì)抗

電子對(duì)抗主要涉及作戰(zhàn)體系中的電磁情報(bào)偵察、信息對(duì)抗、系統(tǒng)協(xié)同。電磁情報(bào)偵察是指對(duì)威脅輻射源信號(hào)的偵察、分析與辨識(shí)；信息對(duì)抗是指通過情報(bào)偵察結(jié)果采取相應(yīng)的對(duì)抗措施，包括電子攻擊、電子支援、電子防護(hù)等；系統(tǒng)協(xié)同是指電子戰(zhàn)系統(tǒng)之間、電子戰(zhàn)系統(tǒng)與雷達(dá)、通信、火力打擊等其他系統(tǒng)之間的協(xié)同。其中，電磁環(huán)境綜合認(rèn)知、對(duì)抗效果實(shí)時(shí)評(píng)估與反饋、對(duì)抗資源動(dòng)態(tài)優(yōu)化配置等是體系化認(rèn)知電子對(duì)抗的關(guān)鍵技術(shù)。

4 結(jié)束語

認(rèn)知技術(shù)為新體制雷達(dá)和新體制電子戰(zhàn)裝備的研制提供了新的設(shè)計(jì)思路，其閉環(huán)反饋、全局優(yōu)化、自適應(yīng)處理等特點(diǎn)，能夠?yàn)槔走_(dá)與電子戰(zhàn)系統(tǒng)的智能化發(fā)展、射頻系統(tǒng)的一體化發(fā)展提供技術(shù)支撐，也是未來射頻裝備進(jìn)行體系化作戰(zhàn)的必備能力。本文在介紹認(rèn)知雷達(dá)與認(rèn)知電子戰(zhàn)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，深入分析了射頻一體化認(rèn)知對(duì)抗系統(tǒng)的發(fā)展需求，提出了通用化的認(rèn)知架構(gòu)，并對(duì)未來體系化認(rèn)知對(duì)抗進(jìn)行了展望，為未來射頻系統(tǒng)的發(fā)展方向提供思路借鑒。