高集成小型化電子偵察關(guān)鍵技術(shù)研究

鄒 順，王玉山

（華東電子工程研究所，安徽 合肥 230031）

0 引言

在未來(lái)“低-零功率”作戰(zhàn)體系下，雷達(dá)、通信、導(dǎo)航等軍用電子設(shè)備輻射的能量將不斷下降，且各種軍用、民用輻射源的數(shù)量也在不斷增加，這使得傳統(tǒng)單裝遠(yuǎn)距離電子偵察系統(tǒng)很難準(zhǔn)確截獲到敵方信號(hào)，也難以將各個(gè)輻射源分選開(kāi)來(lái)。因此，迫切需要發(fā)展可以集群前出、執(zhí)行自組網(wǎng)抵近偵察任務(wù)的電磁頻譜感知裝備。其中，具有低成本、低功耗和網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同工作能力的高集成小型化電子偵察載荷是達(dá)成電磁頻譜泛在感知的核心裝備。

當(dāng)前寬帶小型電子偵察裝備無(wú)法有效應(yīng)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)上瞬息萬(wàn)變的電磁頻譜，存在偵收帶寬不夠、體積質(zhì)量功耗（SWaP）大等問(wèn)題，相關(guān)設(shè)備的物理實(shí)現(xiàn)形態(tài)和技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)嚴(yán)重滯后于戰(zhàn)場(chǎng)需求，亟需開(kāi)展寬帶高集成小型化電子偵察關(guān)鍵技術(shù)研究，提高寬帶電子偵察載荷的集成度、截獲概率和實(shí)時(shí)處理能力。

1 作戰(zhàn)使用方式研究

1.1 典型作戰(zhàn)應(yīng)用場(chǎng)景分析

高集成小型化寬帶電子偵察載荷可直接生成不同類(lèi)型的電子情報(bào)產(chǎn)品，平臺(tái)適裝性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于集群無(wú)人機(jī)、小型空飄球以及微納衛(wèi)星平臺(tái)，主要作戰(zhàn)應(yīng)用場(chǎng)景包括集群無(wú)人機(jī)/空飄球侵入式電子偵察、微納衛(wèi)星星座電子偵察、拋灑式分布式隱蔽電子偵察、單兵便攜式電子偵察。

集群無(wú)人機(jī)/空飄球電子偵察作戰(zhàn)應(yīng)用場(chǎng)景如圖1 所示，根據(jù)電子偵察任務(wù)需求，將小型無(wú)人機(jī)或空飄球通過(guò)大飛機(jī)平臺(tái)運(yùn)到投放地點(diǎn)，在規(guī)定的時(shí)間投放，集群無(wú)人機(jī)/空飄球自主運(yùn)動(dòng)到任務(wù)地點(diǎn)，自組織開(kāi)展抵近式電子偵察任務(wù)。集群內(nèi)多個(gè)偵察節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)重組為多種偵察型態(tài)，包括全波段電磁頻譜管控、重點(diǎn)頻段控守、多站協(xié)同定位等。偵察數(shù)據(jù)可以存入電子偵察載荷內(nèi)，若掛載平臺(tái)具有數(shù)傳通信能力，也可以將偵察情報(bào)實(shí)時(shí)回傳指控站。

圖1 集群空飄球侵入式電子偵察應(yīng)用

高集成小型化寬帶電子偵察載荷也可以作為地面隱蔽式偵察設(shè)備使用，多個(gè)電子偵察載荷可以通過(guò)特殊方式提前部署到敵方軍事敏感區(qū)域或重點(diǎn)軍事裝備附近，也可以在戰(zhàn)時(shí)通過(guò)大飛機(jī)拋灑或炮彈投送的方式部署。部署到位的眾多電子偵察載荷平時(shí)處于待機(jī)狀態(tài)，必要時(shí)接受指令啟動(dòng)工作，相互之間可以自組網(wǎng)協(xié)同工作。通常隱蔽式電子偵察系統(tǒng)中包含數(shù)傳通信節(jié)點(diǎn)，各電子偵察載荷工作時(shí)偵收到的情報(bào)信息可以通過(guò)數(shù)傳通信節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)回傳指控站。如果將寬帶電子偵察載荷設(shè)計(jì)成穿戴式結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)配備超寬帶隱形天線，由單兵攜帶至不方便部署偵察監(jiān)聽(tīng)設(shè)備的場(chǎng)所，在無(wú)形中就可以實(shí)現(xiàn)情報(bào)收集任務(wù)。

高集成小型化、低功耗、多功能、可以網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同工作是未來(lái)電子偵察裝備的主要發(fā)展方向，隨著寬帶隱形天線和微系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)寬帶電子偵察載荷還可以進(jìn)一步減小體積、降低功耗，具備更加廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，達(dá)成真正的電磁頻譜泛在感知應(yīng)用。

1.2 典型作戰(zhàn)使用方式分析

高集成小型化電子偵察載荷可用于執(zhí)行電子情報(bào)偵察、電子支援偵察以及寬帶頻譜監(jiān)測(cè)等多種任務(wù)。執(zhí)行電子情報(bào)偵察任務(wù)時(shí)，電子偵察載荷可以采取數(shù)字干涉儀偵察或數(shù)字陣列偵察2 種模式。作為干涉儀偵察測(cè)向系統(tǒng)使用時(shí)，如圖2 所示，將根據(jù)偵察任務(wù)需求選擇的干涉儀天線陣直接連接電子偵察載荷，多路寬帶射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字干涉儀測(cè)向處理后實(shí)時(shí)形成電子偵察情報(bào)，輸出至搭載平臺(tái)的記錄存儲(chǔ)或數(shù)傳通信設(shè)備，偵察結(jié)果也可以實(shí)時(shí)存入電子偵察載荷內(nèi)。作為數(shù)字陣列偵察系統(tǒng)使用時(shí)，將根據(jù)偵察任務(wù)需求選擇的陣列天線陣直接連接高集成小型化電子偵察載荷，多路寬帶射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字波束形成（DBF）偵察處理后實(shí)時(shí)形成電子偵察情報(bào)。

圖2 干涉儀電子偵察應(yīng)用

執(zhí)行電子支援偵察任務(wù)時(shí)，干擾機(jī)二維陣列天線經(jīng)過(guò)子陣合成后形成四路寬帶射頻信號(hào)，送入小型化電子偵察載荷，依次經(jīng)過(guò)寬帶數(shù)字化接收、數(shù)字和差波束形成、偵察信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理，形成干擾決策信息，指引有源干擾設(shè)備對(duì)威脅目標(biāo)精確干擾。高集成小型化電子偵察載荷還可以工作在偵察告警模式，經(jīng)典的四象限偵收天線接入小型化電子偵察載荷，通過(guò)四通道比幅接收，形成偵察告警信息，送入平臺(tái)指揮系統(tǒng)。

高集成小型化電子偵察載荷執(zhí)行不同的電子偵察任務(wù)時(shí)，需要接入不同的偵察天線，采用不同的偵察處理流程，形成不同的偵察結(jié)果。這就要求在射頻接收端可以根據(jù)需要配置不同的接收鏈路，包括工作頻段的預(yù)選、通道增益的自適應(yīng)分配、接收帶寬的靈活設(shè)置等；在數(shù)字處理端通過(guò)軟件配置，采取不同的偵察處理流程，以重構(gòu)不同的電子偵察任務(wù)。

2 小型化電子偵察載荷總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)典型作戰(zhàn)應(yīng)用場(chǎng)景和作戰(zhàn)使用方式進(jìn)行分析，高集成小型化電子偵察載荷需要在SWaP 受限條件下具有更高的電子偵察效能，主要包括以下幾方面能力：

1）多任務(wù)：滿(mǎn)足電子情報(bào)偵察、電子支援偵察以及雷達(dá)告警偵察的作戰(zhàn)使用要求，具備數(shù)字干涉儀偵察、數(shù)字陣列偵察、數(shù)字和差比幅接收以及全向告警偵察等多種工作模式；

2）多功能：工作頻段寬，瞬時(shí)帶寬大，可以同時(shí)偵收雷達(dá)、通信、數(shù)據(jù)鏈、IFF、塔康等多種電子信號(hào)；

3）邊緣實(shí)時(shí)處理：寬帶電子偵察載荷接入天線后，單偵察節(jié)點(diǎn)即可實(shí)時(shí)按需生成情報(bào)，并將偵察結(jié)果和重要的偵察過(guò)程數(shù)據(jù)全部存入載荷內(nèi)，便于事后分析；

4）支持分布式協(xié)同工作：若搭載平臺(tái)具備數(shù)傳通信能力，則多偵察節(jié)點(diǎn)即刻進(jìn)入?yún)f(xié)同偵察模式，實(shí)施對(duì)重點(diǎn)輻射源協(xié)同定位；

5）使用方式靈活：滿(mǎn)足小型無(wú)人機(jī)、空飄球以及微納衛(wèi)星平臺(tái)掛載要求，具有通過(guò)大飛機(jī)投送、單兵攜帶等多種部署方式。

小型化電子偵察載荷功能組成如圖3 所示，主要由寬帶射頻接收通道、采集預(yù)處理模塊和綜合數(shù)據(jù)處理模塊3 部分組成。

圖3 高集成小型化電子偵察載荷組成

寬帶電子偵察載荷工作時(shí)，根據(jù)任務(wù)使命選擇不同的偵收天線接入設(shè)備。寬帶射頻接收通道可以接收多路30 MHz～40 GHz 頻段范圍內(nèi)的寬帶射頻信號(hào)，對(duì)不同波段的射頻信號(hào)分別經(jīng)過(guò)不同的接收鏈路后，送入采集預(yù)處理模塊。在采集預(yù)處理模塊中首先對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行高速數(shù)字采集，然后對(duì)采集的多路數(shù)字信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)偵察預(yù)處理，這里偵察預(yù)處理程序可以根據(jù)偵察任務(wù)實(shí)時(shí)重構(gòu)為干涉儀偵察、DBF 偵察或和差比幅偵察等。采集預(yù)處理模塊形成的脈沖描述字（PDW）流送入綜合數(shù)據(jù)處理模塊，依次進(jìn)行測(cè)向、分選、識(shí)別、目標(biāo)編批等處理，生成電子情報(bào)產(chǎn)品。當(dāng)寬帶電子偵察載荷工作在多節(jié)點(diǎn)協(xié)同偵察模式時(shí)，綜合數(shù)據(jù)處理模塊還需要與搭載平臺(tái)進(jìn)行信息交互，以實(shí)現(xiàn)協(xié)同定位處理。

3 主要關(guān)鍵技術(shù)

3.1 寬帶電子偵察載荷的微系統(tǒng)集成技術(shù)

微系統(tǒng)具有高集成度、微小型化、低功耗、高可靠性、高效率等優(yōu)點(diǎn)。微系統(tǒng)技術(shù)上的新材料、新方法、新工藝等技術(shù)變革必將給電磁頻譜戰(zhàn)裝備的研發(fā)和制造帶來(lái)顛覆性影響，微系統(tǒng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電子戰(zhàn)裝備小型化、研制超寬帶多通道電子偵察載荷的重要手段。微系統(tǒng)有三種典型的實(shí)現(xiàn)路徑，分別是片上系統(tǒng)（SoC）、系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）和基于封裝的系統(tǒng)（SoP），其中SoC 是芯片級(jí)的集成，SiP 是封裝級(jí)的集成，而SoP 是系統(tǒng)級(jí)的集成。多功能芯片是SoC，基于封裝基板和多功能芯片的高密度集成構(gòu)成SiP，若干個(gè)具有特定功能的SiP 及其他輔助元器件與系統(tǒng)母板集成構(gòu)成SoP，而SoP 再與系統(tǒng)軟件結(jié)合最終構(gòu)成了面向用戶(hù)的微系統(tǒng)產(chǎn)品。寬帶電子偵察載荷可以通過(guò)將分立元器件芯片化、多功能模塊器件化、多組件系統(tǒng)模塊化等多重手段提高集成度，集成路徑如圖4 所示。

圖4 微系統(tǒng)集成示意圖

寬帶電子偵察載荷集成架構(gòu)如圖5 所示，主體由寬帶射頻接收SiP、多通道采算一體數(shù)字SiP、高算力數(shù)據(jù)處理SiP 等3 種異構(gòu)封裝器件組成，通過(guò)在同一塊PCB 板上集成來(lái)實(shí)現(xiàn)各種電子偵察功能。

圖5 寬帶電子偵察載荷集成架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)寬帶電子偵察載荷的高集成小型化，需要開(kāi)展多種形式的微系統(tǒng)集成技術(shù)研究，包括多功能專(zhuān)用芯片研制、寬帶多通道射頻SiP、采存算一體數(shù)字SiP、數(shù)?；旌蟂oP 集成等。

3.2 低功耗高效率偵察處理架構(gòu)研究

高集成小型化電子偵察載荷采用數(shù)?；旌细呒稍O(shè)計(jì)，所有的計(jì)算資源都集成在一個(gè)數(shù)字微系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)的板卡集成方式不同，高集成設(shè)計(jì)中計(jì)算資源和功耗必然有限，需要開(kāi)展低功耗高效率偵察處理架構(gòu)研究，解決有限算力下實(shí)時(shí)信號(hào)處理需求。

圖6 為一種“頻譜稀疏感知+自適應(yīng)信道化”的電子偵察處理架構(gòu)，利用信號(hào)在頻域上的稀疏性，在頻譜感知基礎(chǔ)上自適應(yīng)構(gòu)造帶通濾波器進(jìn)行濾波處理，從而減少信道數(shù)量并節(jié)省大量FPGA 處理資源。針對(duì)頻譜稀疏感知需求，研究基于單比特的寬帶頻譜實(shí)時(shí)感知技術(shù)，處理數(shù)據(jù)量減少一半，從而FPGA 的資源消耗也降低一半。針對(duì)自適應(yīng)信道化需求，研究基于遞歸算法的時(shí)頻濾波器實(shí)現(xiàn)信道化濾波技術(shù)，利用遞歸算法實(shí)現(xiàn)時(shí)頻濾波中的傅里葉變換，通過(guò)遞歸算法的“記憶”效應(yīng)減少信號(hào)濾波處理中的重復(fù)計(jì)算，與FIR 濾波器算法相比所需FPGA 資源更少。

圖6 基于頻譜感知的信道化處理方案

3.3 動(dòng)態(tài)自組織電子偵察技術(shù)

集群自組織電子偵察系統(tǒng)將大量功耗較低、體積較小、質(zhì)量較輕、價(jià)格低廉的小型寬帶電子偵察載荷散布于被偵察對(duì)象的地域附近，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同，實(shí)現(xiàn)多個(gè)基本電子偵察節(jié)點(diǎn)的連通性、互操作性，以分布式協(xié)同方式來(lái)監(jiān)視敵方通信鏈路和雷達(dá)系統(tǒng)工作狀態(tài)。

寬帶小型化電子偵察載荷體積小、質(zhì)量輕，其持續(xù)供電困難，在能量不足的情況下默認(rèn)為失效狀態(tài)，失效的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)退出無(wú)線傳感網(wǎng)。此外，抵近的偵察載荷同樣存在因被摧毀而退網(wǎng)的可能。因此，自組網(wǎng)電子偵察系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)是動(dòng)態(tài)變化的，需要各偵察節(jié)點(diǎn)的空間配置能夠時(shí)刻保證對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)的有效監(jiān)視。自組網(wǎng)電子偵察系統(tǒng)沒(méi)有確定的指控中心，網(wǎng)內(nèi)任何節(jié)點(diǎn)都可以作為用于系統(tǒng)控制的網(wǎng)絡(luò)中心。在無(wú)確定的網(wǎng)絡(luò)中心條件下，自組網(wǎng)電子偵察系統(tǒng)網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)如何在統(tǒng)一的指控機(jī)構(gòu)決策下協(xié)同工作需要重點(diǎn)研究。

美軍“狼群”系統(tǒng)是一種典型的動(dòng)態(tài)自組織系統(tǒng)，它可動(dòng)態(tài)、自主配置網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)能根據(jù)實(shí)際作戰(zhàn)需求重新指派任務(wù)，其作戰(zhàn)應(yīng)用示意如圖7 所示。在攻擊目標(biāo)時(shí)，“狼群”系統(tǒng)也可自行建立子網(wǎng)，對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行干擾、監(jiān)聽(tīng)乃至賽博入侵。每個(gè)“狼”的使用都是非常靈巧，即使某一個(gè)“狼”因受損而無(wú)法正常工作，也不會(huì)大幅削弱整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作能力?！袄侨骸毕到y(tǒng)在完成組網(wǎng)后會(huì)從中選出一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為充當(dāng)通信網(wǎng)關(guān)的簇頭節(jié)點(diǎn)（“頭狼”），其余的節(jié)點(diǎn)則開(kāi)始對(duì)周?chē)姶怒h(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)測(cè)量信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間差或頻率差，快速將敵方信號(hào)從眾多電磁信號(hào)中檢測(cè)出來(lái)，然后制定出完成任務(wù)的最佳偵察與干擾策略。最后，“頭狼”將這些信息上報(bào)給更廣范圍的戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。

圖7 “狼群”系統(tǒng)作戰(zhàn)應(yīng)用示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)?；旌衔⑾到y(tǒng)集成、低功耗高效率偵察處理架構(gòu)設(shè)計(jì)以及動(dòng)態(tài)自組織電子偵察等關(guān)鍵技術(shù)的突破，可大大降低寬帶多通道偵察接收機(jī)的體積、質(zhì)量和功耗，有效提升裝備工作頻段、瞬時(shí)帶寬、動(dòng)態(tài)范圍和平臺(tái)適應(yīng)性，大幅提升實(shí)時(shí)處理和多節(jié)點(diǎn)協(xié)同偵察能力?？蓱?yīng)用于小型無(wú)人機(jī)、空飄球等平臺(tái)，以及便攜式、拋灑式使用方式下的網(wǎng)絡(luò)化前出式電子偵察裝備，有效提升電磁頻譜泛在感知能力。