雷達偵察接收機電磁環(huán)境評估和分級方法?

管 飛 寧云暉 李 超 彭 博

（1.江蘇自動化研究所 連云港 222061）（2.中國人民解放軍91977部隊 北京 100036）

1 引言

信息化條件下，隨著科技的進步及各類電子信息裝備的大量運用，現(xiàn)代戰(zhàn)場電磁環(huán)境日趨復雜［1］。種種跡象表明，復雜電磁環(huán)境對戰(zhàn)場作戰(zhàn)裝備的作戰(zhàn)效能造成了不同程度的影響。在此背景下，電磁環(huán)境分級逐漸成為當今國內(nèi)外電磁環(huán)境領域的研究熱點之一。

近年來，國內(nèi)外電磁環(huán)境分級的相關研究已取得較大的進展。文獻［2～4］根據(jù)電磁環(huán)境的組成及特點，從宏觀角度對電磁環(huán)境進行分級，文獻［5］和［6］分別基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡和改進的AHP 算法對權重確定算法進行改進，這些所提方法均可客觀地反映電磁環(huán)境的復雜性，但由于電磁環(huán)境的影響具有很強的針對性，從宏觀角度進行分級的方法無法準確反映電磁環(huán)境對雷達偵察接收機的影響。文獻［7］提出一種基于S-ELSM 變換的電磁環(huán)境復雜度評估方法，該方法可以通過較短時間的訓練達到評估電磁環(huán)境的復雜度的目的，但其因需要大量的訓練集導致操作性不強。文獻［8～9］綜合考慮了各種影響因素，提出了多屬性的電磁環(huán)境分級方法，其分級結果由多個屬性從不同層面描述電磁環(huán)境的復雜度，但因缺乏統(tǒng)一描述指標導致分級結果不具有直觀性。

以上方法雖可達到電磁環(huán)境復雜度評估的目的，但均不適用于雷達偵察接收機電磁環(huán)境評估。針對上述問題，本文在分析雷達偵察接收機電磁環(huán)境的基礎上，根據(jù)其性能指標受影響程度，提出了一種基于電磁環(huán)境效應的電磁環(huán)境復雜度分級方法。

2 電磁環(huán)境分析

電磁環(huán)境指一定區(qū)域內(nèi)所有電磁現(xiàn)象的總和［10］，其所反映的是具體事物與周邊的電磁關系，體現(xiàn)的是作戰(zhàn)裝備在執(zhí)行任務時可能遇到的各種輻射源信號的分布狀況。多種電磁信號在一定的空域、時域、頻域和能量域上同時存在，既影響了作戰(zhàn)裝備的工作性能，也給指揮人員的決策行動造成了干擾，甚至有可能直接決定戰(zhàn)爭的成敗。

當代雷達偵察接收機面臨的電磁環(huán)境是以雷達信號為主體的更為密集復雜的電磁信號環(huán)境。根據(jù)信號來源不同，可將雷達偵察接收機面臨的電磁環(huán)境分為人為電磁輻射和自然電磁輻射兩大類，而人為電磁輻射又可分為有意電磁輻射和無意電磁輻射。信息化條件下，雷達偵察接收機不僅面臨有體制繁多的雷達信號，還有導航信號、光電信號、通信信號等干擾信號，甚至可能面臨反偵察干擾信號。這些干擾信號或有意或無意地都對雷達偵察接收機的性能造成一定的影響。

雷達偵察接收機所面臨電磁環(huán)境的特點可以從空、時、頻、能四個角度進行描述。空域上，由于戰(zhàn)爭的需要，現(xiàn)代戰(zhàn)場各類輻射源廣泛分布于海、陸、空、天四維空間，電磁信號在整個作戰(zhàn)空間呈立體多向、縱橫交錯分布。時域上，電磁態(tài)勢瞬息萬變，不同種類的輻射源信號之間的相互作用還將產(chǎn)生隨機多變的不規(guī)則信號。頻域上，作戰(zhàn)區(qū)域頻譜占用度大，各種裝備用頻范圍幾乎覆蓋從短波到毫米波的廣闊空間。能量域上，電磁環(huán)境能量密度呈不均勻分布，能量密度大的地方雷達偵察接收機性能受影響程度嚴重。

3 復雜電磁環(huán)境分級思路

現(xiàn)有電磁環(huán)境復雜度分級的方法主要可以歸為兩類：一類是從宏觀角度對電磁環(huán)境進行分級，通過分析電磁環(huán)境的時域、頻域、空域、能域特征，根據(jù)其時間占有度、頻譜占用度、空間覆蓋率和電磁信號能量密度進行分級；另一類則根據(jù)設備的電磁環(huán)境效應進行分級［11～12］，從設備出發(fā)，考慮其對電磁環(huán)境的“感受”，根據(jù)設備性能在電磁環(huán)境中的受影響程度來確定電磁環(huán)境的復雜度等級。

這兩種方法雖然均能夠從各自的角度對電磁環(huán)境進行描述及復雜度分級，但是對于雷達偵察接收機而言，不考慮設備性能，而從客觀角度進行分級的方法并不適合。因為若采用此種方法進行分級，雷達偵察接收機在高復雜度的電磁環(huán)境中不一定不能正常工作，在低復雜度電磁環(huán)境中也不一定可以正常工作。

雷達偵察接收機的工作性能與其面臨電磁環(huán)境的復雜度有著密切的關聯(lián)［11］，電磁環(huán)境的復雜度不同，雷達偵察接收機工作性能的表現(xiàn)亦不同。因此，基于電磁環(huán)境效應的分級方法，也即根據(jù)裝備性能指標受影響程度對電磁環(huán)境進行分級，更適用于雷達偵察接收機。雷達偵察接收機的性能指標受電磁環(huán)境影響程度越大，說明其面臨的電磁環(huán)境越復雜，反之則說明電磁環(huán)境越簡單。

4 分級評估指標體系

雷達偵察接收機的工作流程為首先截獲輻射源信號，其次進行信號參數(shù)測量，然后完成信號分選，最后實現(xiàn)輻射源識別及威脅等級判斷，因此電磁環(huán)境對雷達偵察接收機的影響主要表現(xiàn)在對其截獲性能、參數(shù)測量性能、信號分選性能和輻射源識別性能的影響上，而對這些性能的影響可由相關底層指標來表征。雷達偵察接收機的這些性能以及各性能的相關底層指標，共同構成了雷達偵察接收機電磁環(huán)境的分級評估指標體系。

4.1 截獲性能指標

雷達偵察接收機的截獲性能通常指其搜索、檢測并識別輻射源信號的能力。實現(xiàn)輻射源信號截獲的前提條件之一是進入偵察接收機的信號功率須達到靈敏度Prmin，這一能量條件可由偵察作用距離來表征。由于輻射源信號與偵察接收機是非合作的，對輻射源信號的截獲是一定條件下的概率事件，通常截獲能力可采用截獲概率來表現(xiàn)。與此同時，截獲時間也是一個體現(xiàn)偵察接收機截獲性能的重要指標。

1）偵察作用距離

在保證偵收到的信號功率能夠滿足雷達偵察接收機正常完成信號檢測、識別等任務的條件下，雷達偵察接收機與輻射源可達到的最大距離稱為偵察作用距離。偵察作用距離越遠，說明偵察接收機的探測范圍越廣，探測能力越強。理想情況下，雷達偵察接收機的最大偵察作用距離為

式中，Pt為輻射源發(fā)射信號功率；Gt為輻射源發(fā)射天線在雷達偵察接收機方向的增益；Gr為偵察天線主瓣增益；λ為輻射源信號波長；γr為偵察天線極化失配損失；Prmin為雷達偵察接收機的靈敏度。

2）截獲概率

根據(jù)雷達偵察接收機的工作過程，可將偵察截獲分為前端截獲和系統(tǒng)截獲。前端截獲指對輻射源信號的接收、檢測和參數(shù)測量，系統(tǒng)截獲指完成信號分選、形成輻射源參數(shù)信息的全過程。由于系統(tǒng)截獲涉及信號截獲之外的后續(xù)工作流程，故這里只考慮前端截獲。由文獻［13］可知，在T 時間內(nèi)至少出現(xiàn)一次前端截獲的概率為

式中，P0表示任意時刻的重合概率，0表示平均重合周期。

3）截獲時間

截獲時間指一定截獲概率條件下實現(xiàn)前端截獲所需要的時間。截獲時間越短，雷達偵察接收機的截獲性能越好。對于給定的截獲概率P(T)，相應的截獲時間為

4.2 參數(shù)測量指標

現(xiàn)代戰(zhàn)場條件下，各種輻射源裝備大量運用，輻射源信號體制復雜多樣、層出不窮，要想完整而準確地測量各信號的參數(shù)十分困難。雷達偵察接收機對輻射源信號的測量主要為脈沖載頻（RF）、脈沖幅度（PA）、到達時間（TOA）、脈沖寬度（PW）和到達角（AOA）五個參數(shù)組成的傳統(tǒng)脈沖描述字（PDW），因此可以利用脈沖描述字所包含參數(shù)的測量精度和分辨率反映其參數(shù)測量性能。鑒于一些雷達偵察接收機前端無法實現(xiàn)同時多信號的準確分辨和測量，因此脈沖丟失概率也是體現(xiàn)偵察接收機參數(shù)測量性能的一個重要指標。

1）測量精度

測量精度可以采用PDW 所包含參數(shù)測量誤差乘積的倒數(shù)來表示，測量精度越大，表示各參數(shù)測量誤差越小。計算公式如下：

式中，δRF、δAOA、δPW、δPA、δTOA分別表示脈沖載頻、到達角、脈沖寬度、脈沖幅度以及到達時間的測量誤差。

2）分辨率

雷達偵察接收機的分辨率主要是指其方向和頻率上選擇及區(qū)分信號的能力，它是測頻系統(tǒng)和測向系統(tǒng)所能分開的兩個同時到達信號的最小值。分辨率可采用二維分辨單元的倒數(shù)來表示：

其中：θRF、θAOA分別表示頻率、到達角的分辨單元的大小。

3）脈沖丟失概率

在脈沖流密度較高的電磁環(huán)境中，當某一脈沖的處理時間大于其與后面到達脈沖的TOA 間隔時，就會出現(xiàn)該脈沖尚未處理完畢而后面的脈沖己經(jīng)到達的情況，此時后到達的脈沖將因無法及時處理而丟失。鑒于雷達偵察接收機所截獲的脈沖流具有參數(shù)λ的泊松分布特性，則在t時間內(nèi)到達n個脈沖的概率為

式中，λ為脈沖流平均密度。

由文獻［14］知，脈沖信號因時域重疊而導致的丟失概率為

式中，α為脈沖信號波長與脈沖寬度的乘積。

4.3 信號分選指標

信號分選就是將時域交錯的多部輻射源脈沖信號根據(jù)某種準則或算法分離得到每部輻射源的脈沖序列的過程。雷達偵察接收機的信號分選性能可采用正確分選率和漏分選率兩個指標來表征［15］，正確分選率越高，漏分選率越低，其信號分選性能越好。

假設信號分選系統(tǒng)中存在某一類輻射源信號s，待分選脈沖序列中屬于該類的脈沖數(shù)為N，根據(jù)該類輻射源信號的TOA分選出的脈沖個數(shù)為M，而分選出的脈沖中實際屬于該類的脈沖個數(shù)為Q。對于該類輻射源信號，脈沖正確分選率Pcs、漏分選率Pms可分別表示為

4.4 輻射源識別指標

輻射源識別一般通過將測量和分選后的信號參數(shù)與輻射源數(shù)據(jù)庫中的信號參數(shù)進行比較，然后利用一定的算法或準則分析實現(xiàn)。輻射源識別性能可以采用正確識別率和增批率來表征。

1）正確識別率

正確識別率指正確識別的輻射源個數(shù)占輻射源總數(shù)的比例，即：

式中，Ecr為正確識別的輻射源個數(shù)；E為電磁環(huán)境中的輻射源總數(shù)。

2）增批率

增批率指識別錯誤的輻射源個數(shù)占輻射源總數(shù)的比例，即：

式中，Eer為錯誤識別的輻射源個數(shù)。

5 評估和分級模型

5.1 評估模型

鑒于雷達偵察接收機的各指標之間具有一定的聯(lián)系，如偵察作用距離、截獲概率、截獲時間三個指標一同表征其截獲性能的好壞，而截獲性能、參數(shù)測量性能、信號分選性能、輻射源識別性能共同表征雷達偵察接收機工作性能的優(yōu)劣，考慮將各指標用作底層，截獲性能、參數(shù)測量性能、信號分選性能及輻射源識別性能用作中間層，雷達偵察接收機工作性能用作頂層，建立層次結構的雷達偵察接收機電磁環(huán)境評估模型如圖1所示。

圖1 雷達偵察接收機電磁環(huán)境層次結構評估模型

圖1 中的各層指標在參與評估時均需進行量化，量化過程中通常將各指標計算所得數(shù)值轉(zhuǎn)換至百分制，定義雷達偵察接收機工作性能不受電磁環(huán)境影響時量化數(shù)值為100。R、Ri、Rij分別表示頂層、中間層和底層指標的量化數(shù)值，數(shù)值越小，表示性能越差，數(shù)值越大，表示性能越好，雷達偵察接收機受電磁環(huán)境影響程度越低，也即面臨的電磁環(huán)境越簡單。需要注意的是，R23越大，表明參數(shù)測量性能越好，脈沖丟失概率越??；R32越大，表明信號分選性能越好，漏分選率越??；R42越大，表明識別性能越好，增批率越小。

頂層指標R 為雷達偵察接收機電磁環(huán)境復雜度等級評定的最終依據(jù)，它由中間層和底層指標通過評估模型層層聚合得來。根據(jù)上下層指標以及同級指標間的邏輯關系的不同，聚合過程通常涉及加權和、加權積兩種計算方法，二者計算公式如下：

式中，wij為指標Rij對應的權重，表示該性能指標對上層性能指標的貢獻程度，各指標的權重大小可以通過構建直覺乘性模糊判斷矩陣進行確定［16］。

5.2 等級劃分

國軍標GJB6520-2008《戰(zhàn)場電磁環(huán)境分類與分級方法》按電磁環(huán)境信號復雜度等級，將戰(zhàn)場電磁環(huán)境分為簡單電磁環(huán)境、輕度復雜電磁環(huán)境、中度復雜電磁環(huán)境、重度復雜電磁環(huán)境四類電磁環(huán)境。仿照國軍標方法，本文根據(jù)雷達偵察接收機性能指標受電磁環(huán)境影響程度，對雷達偵察接收機面臨的電磁環(huán)境復雜度進行分級，具體分級規(guī)則如表1所示。

表1 電磁環(huán)境復雜度分級規(guī)則

表中，ΔR=(100-R)/100×100%，表征雷達偵察接收機性能受影響程度，該值越小，表明雷達偵察接收機性能受電磁環(huán)境影響越小，電磁環(huán)境復雜度等級越低，相反則說明電磁環(huán)境復雜度等級越高。

6 結語

雷達偵察接收機電磁環(huán)境的評估與分級是對其開展復雜電磁環(huán)境適應性試驗的基本前提。本文在對電磁環(huán)境分析的基礎上，從電磁環(huán)境效應的角度，提煉出了雷達偵察接收機分級評估的指標體系，根據(jù)各性能指標之間的關系建立了雷達偵察接收機電磁環(huán)境的層次結構評估模型，并給出了該評估模型下的電磁環(huán)境等級劃分規(guī)則。該評估模型不但可以合理地評估雷達偵察接收機受電磁環(huán)境的影響程度，而且可以對其所面臨的電磁環(huán)境復雜度進行等級劃分，有助于提高其對復雜電磁環(huán)境中的適應能力和掌控能力，具有重要的理論指導意義和實用價值。