雷達對抗目標信號特征研究*

李德智 祝 利 王 倩

(電子工程學院 合肥 230037)

1 引言

當前所面臨的嚴峻電磁環境要求電子偵察系統能夠及時發現雷達照射,并快速、準確地進行雷達對抗目標的信號處理與識別,以確定威脅目標,對具有威脅的對抗目標采取相應的對抗措施。對雷達對抗目標的識別的關鍵問題在于對雷達對抗目標的信號特征的認識。而目前我們對于雷達對抗目標的特征認識水平比較低,缺少對相關特征的深入認識與研究。因此,深入對雷達對抗目標的信號特征研究,是我雷達對抗偵察領域亟需解決的關鍵理論問題。

2 雷達對抗目標的信號特征概述

在本文中,雷達對抗目標指的是我方為了雷達對抗目的而去進行偵察的敵方可以輻射電磁信號的各類雷達及相關設備的總稱。特征是存于時間或空間中可觀察的事物,如果可以區別它們是否相同或者相似,都可以稱之為特征。特征不是指事物本身,而是從事物獲得的信息。因此,特征往往表現為具有時間或空間分布的信息。本文把通過對雷達對抗目標信號進行雷達對抗偵察所得到的具有時域、空域、頻域分布的信息作為其信號特征。

雷達對抗目標信號特征是個總的、內容廣泛的概念,它主要由雷達對抗目標發射機性能所決定的,但同時受到信號傳輸路徑以及雷達對抗偵察裝備性能等共同所影響的。只考慮雷達對抗目標本身的情況下,雷達對抗目標信號從調制層上來看,可分為人為有意調制與無意調制[1,4～7]。但考慮其它影響因素下,這里將雷達對抗目標特征分為基本特征與細微特征。基本特征是指雷達本身有意調制特征。例如,基本特征如進行脈沖調制或連續波調制,對脈沖載頻進行線性調頻或相位調制等。

而細微特性的分析,是以精確的脈沖參數測量為基礎,采用一系列的信號分析處理技術,可以獲取更多更可靠的電子情報,完成各種復雜雷達信號的準確描述。細微特征指偏標稱參數、相對固定、可檢測的偏差值[2]。細微特征如雷達對抗目標本身無意寄生調制、信號傳播路徑與環境差異以及雷達對抗偵察設備測量誤差等[3]。細微特征再從為分析的程度上來講,將雷達信號細微特征分析分為特性分析和個體“指紋”分析。如果細微特征可以區分雷達的個體,則將此特征作為個體/指紋特征。如無意調制或稱為附帶調制,其具有進行目標個體識別的潛力。其特征參數的隸屬關系如圖1所示。

圖1 特征參數的隸屬關系圖

3 雷達對抗目標信號特征參數分析

由上所述,雷達對抗目標信號特征分為基本特征與細微特征。下面從這兩個方面對信號特征參數進行分析。

3.1 雷達對抗目標信號基本特征參數分析

雷達對抗目標信號的基本特征參數在某種程度上體現了人為有意調制特性。它目前常用的雷達對抗目標信號特征參數有時域參數、頻域參數、空域參數、調制域參數和極化域參數等。下面主要從雷達對抗偵察接收機測量角度分析各個域的具有代表性的特征參數。

3.1.1 時域特征參數分析

1)脈沖寬度

脈沖寬度是一個無法直接觀測的基本特征量,它是利用脈沖的前沿的到達時間與后沿的到達時間并采用適當的算法估計出的[4]。由于多徑信號和雷達對抗目標輻射源直達信號在時域上有交重疊,使脈沖后沿到達時間不準確。另外,當雷達對抗目標與雷達對抗偵察接收機有較明顯發相對徑向運動時,接收脈沖將被壓縮或展寬,同樣會導致脈沖寬度估值欠準確。再者,當輻射源的波束掃描導致脈沖信號幅度劇烈變化時,脈沖寬度估值也將隨之改變。因此,雖然脈沖寬度參量是輻射源信號的基本特征參數,但通常無法保證其具有較高的測量準確度。在高輸入信噪比及單分量信號條件下,脈沖寬度的測量相對簡單,可實時實現。但在低輸入信噪比或多分量信號條件下,測量方法相對復雜,實時實現有困難。

2)脈沖重復周期

脈沖重復周期是雷達對抗目標的基本特征參量。它也是一個無法直接觀測的特征量,必須首先獲得各個脈沖信號到達時間的測量值,再采用適當算法才能得到其估值,因此,其測量精度取決于脈沖到達時間的測量精度及所采用的估計算法。由于現階段脈沖到達時間的測量以脈沖上升沿為參照條件,其測量精度既與輸入信噪比有關,也與脈沖上升沿的陡峭程度有關,因此,當脈沖上升時間較大時,脈沖重復周期的估計精度將會明顯惡化。

脈沖重復周期既可以是恒定的,也可以是具有一定的變化規律的。它也是現階段區分固定重頻、重頻抖動、重頻捷變以及重頻參差等雷達脈沖的主要參數。它的變化范圍及變化規律與雷達工作性能、工作體制有著密切的關系。當雷達脈沖的脈沖重復周期變化規律不限于此,且待分選的全脈沖數據來自很多個雷達輻射源時,將很難利用輻射源的脈沖重復周期參數進行有效的信號區分。

3)脈沖幅度

脈沖幅度的觀測值不僅取決于輻射源發射功率、收發站間距離、傳輸損耗等,還取決于輻射源發射天線增益、波束掃描速度和波束形狀等諸多因素。因此,即使偵收到的多個脈沖來自于同一個雷達輻射源,其脈沖幅度也可能是不同的,甚至存在很大的差異。但當同一部雷達的不同脈沖來自同一個相干處理間隔內時,各脈沖的脈沖幅度值應不會有顯著的差別,因此,至少在一個較小的時間間隔內,可將該參數視為一個相對可靠的基本參數。

3.1.2 頻域特征參數分析

目標信號載波頻率是偵察接收機必測的一個基本特征參量。它既可能是固定的,也可能是有一定的變化規律的。但對相參雷達輻射源而言,通常情況下其載頻僅在脈組間發生捷變,所以,該參數同樣是一個相對可靠的信號識別參數。在只對輻射源信號的單個脈沖進行載頻測量時,受脈沖持續時間及輸入信噪比等的限制,其測量精度將非常有限。但利用脈沖串對載頻進行重新估計,則可進一步地提高載頻的測量精度,以期提高基于該參數的個體識別質量,但所需時間較長。在較高輸入信噪比及單分量信號條件下,頻率可近似實時測量。但當信噪比很低時或在多分量信號情況下,由于要進行信號的檢測及多分量信號的自適應分解處理,因而,估計的實時性欠佳。

3.1.3 空域特征參數分析

空域特征參數主要代表是信號來波的到達方向。當前各個運動平臺的雷達對抗目標,其相對偵察接收站的來波到達方向只可能是緩慢變化的,因此,該參量是一個非常可靠的信號分選參數。但是,由于來波到達方向的值僅取決于對抗目標與偵察接收機之間的相對位置,因而該參數不是雷達對抗目標的固定參數值。來波到達方向的測量精確度主要取決于輸入信噪比、接收通道的幅相一致性、信號調制樣式以及信號分量間的相關性等。

3.1.4 脈內有意調制參數分析

脈內有意調制特性及調制參數是雷達對抗目標基本特征參數。目前雷達信號所采用脈內調制有單載頻、多載頻分集、多載頻編碼、線性調頻、二相編碼和多相編碼等[5]。它們調制參數既可能是固定的,也可能是時變的。例如,對于需要進行脈沖壓縮處理的雷達而言,至少在一個相干處理間隔內,這些參數應是不變的,除非這些脈沖壓縮雷達采用了更為復雜的信號處理方法。脈內調制參數的測量精確度主要受輸入信噪比、多徑信號及來自不同雷達輻射源的多分量信號間的相關性影響。當脈內調制特性比較復雜時,調制特性識別及調制參數測量的實時性將無法保證;尤其同時是在低信噪比條件下,當對此類脈內調制特征復雜信號的檢測將更加困難。因此,脈內調制特征參數主要適用于較高輸入信噪比條件下。當前研究識別脈內有意調制的方法有小波變換法、瞬時自相關法等[6]。

3.1.5 極化域特征參數分析

雷達信號的極化方式是基本特征參量,它既可能是固定不變的,也可能是時變的。只有偵察接收機位于雷達對抗目標所發射主波束內時,極化方式的觀測值才能真實刻畫其發射天線的極化特性。否則,其觀測值將隨接收機相對于對抗目標發射主波束所處空間方位、收發站間距離及信號載頻的不同而不同,甚至與對抗目標發射天線的極化特性完全正交。

一般通常情況下,偵察接收機是對雷達對抗目標發射波束副瓣進行偵收,即使是專門用于主瓣偵收的電子告警系統,其接收天線也很少落在輻射源發射波束主瓣內。不過,在單個相干積累時間間隔內,雷達信號的極化特性相對穩定,偵察接收機與雷達對抗目標發射波束主瓣的相對空間位置以及收發站間距離幾乎保持不變,因而,極化參數的觀測值應當是相對穩定的。

3.2 雷達對抗目標信號細微特征分析

雷達對抗目標信號的細微特征是相對于其基本特征而言的。這些細微的信號變化特征偏離標稱參數、相對固定、可檢測的偏差值。該標稱指標可以從公開的技術資料中獲取,也可以在對該信號特征多次測量的處理值中確定[2]。而雷達對抗目標信號的個體特征體現在其信號的細微特征上,主要表現在脈內細微變化特征和輻射源基本參數精確度的差異上。從一定程度上來講,對這些細微信號特征進行個體識別研究,具有在復雜密集的信號環境中對雷達對抗目標進行識別、分析和告警的巨大潛力。

3.2.1 目標信號細微特征的來源分析

雷達對抗目標輻射源產生信號到雷達對抗偵察接收設備過程中,發生了信號的細微變化特征。這主要來源包括以下幾個方面[2]:

1)雷達對抗目標器件加工過程的工藝缺陷造成器件特性和技術指標的離散。

2)雷達對抗目標裝備在設計、生產、調試過程中的個體差異。

3)已調波在載波被調制和放大發射過程中,會受到頻率源及發射機的非線性和元器件/模塊離散性、穩定性的影響而形成偏差和污染。例如,由雷達發射機、調制器、高壓電源、振蕩器等帶來的寄生調制特性。

4)信號環境變化與傳播路徑差異造成的污染

大氣衰落、多徑、平臺位移、色散、天電等因素的影響,會對特征參數造成污染。在信號的傳輸過程中,由于大氣噪聲(含天電干擾)、工業污染(如汽車、電力設備)、非惡意竄擾(廣播、電視、通信)、惡意攻擊(敵方干擾)、平臺位移(產生多普勒頻移)、多徑等環境條件的不同使正常的雷達對抗目標表現出不同的技術性能。當受外界環境條件污染的信號特征到達接收機時,通過接收機模塊本身的非線性處理,外界環境條件將改變信息特征,從而影響接收。特別是當信號特征本身就是微小量的時候,環境條件和接收機的非線性將湮沒這些特征參量。

5)雷達對抗偵察設備測量誤差

接收機中的信道帶寬、平坦度、準確度、穩定度、非線性、動態范圍、色散延遲、數字量化等因素也會對特征參數造成新的污染。

3.2.2 雷達對抗目標信號個體特征具備的條件

雷達對抗目標個體特征是區分識別雷達個體的特征,它能夠精確反映雷達信號個體特點的技術特征。針對雷達體制、調制樣式、信號頻率均相同的輻射源識別,個體特征主要是由雷達對抗目標輻射源在制造過程中的各種隨機因素造成的個體差異,這些差異一般會體現在目標輻射出的信號上,并有一定的穩定性和各不相同的變化規律。作為個體特征應具備如下條件:

1)作為個體特征的參數要能夠反映雷達對抗目標個體所特有的技術特征,這樣才可能用個體特征實現對雷達的個體識別。

2)反映某一個體雷達的信號特征參數應有多個[7]。也就是說,雷達對抗目標的個體特征屬性由多個信號特征參數的集合進行描述,對這一集合中提取的特征越多、越精細,則對雷達個體識別的概率就越高。

3)雷達對抗目標的個體特征要具有可檢測性。只有能被檢測出來并具有較高可信度的雷達的細微特征才具有實際意義。雷達信號的個體識別往往是要求在復雜、多變的環境條件下完成,既存在各雷達對抗目標輻射的信號,也有噪聲干擾。

4)雷達對抗目標個體特征應具有唯一性[8]。指的是一部雷達區別于其它的雷達的特征,如世界上不存在兩個完全相同的指紋一樣。

5)雷達對抗目標個體特征應具有高的穩定性。個體特征只有具備較高的穩定性,才能使這些特征不因時間和環境的變化而發生顯著的改變,或至少在一個相當長的時期內是僅隨時間緩慢變化的特征,否則這些特征就失去了價值了。

3.2.3 目標信號細微特征參數個體識別分析

下面對常見的信號細微特征參數進行個體識別可行性分析:

1)載頻的細微特征

載頻的溫漂參數和短期穩定度參數可作為雷達對抗目標所固有的信號細微特征[9]。但使用這些細微特征參數需要事先確知用于參量估計的所有脈沖來自同一個雷達輻射源;多普勒頻移對載頻測量準確度的影響已得到了精確校正;同時,具有足夠高的精確測頻技術及高性能頻率標準。顯然,測量的實時性較差。而且,通常情況下僅當對特定的雷達對抗目標進行專門偵察時,才能對這兩個參量進行觀測。另外,雷達對抗目標輻射源使用高性能頻率標準,則無法對其進行測量。

2)脈沖重復周期細微特征

脈沖重復周期重頻抖動特征或其變化規律是固有的信號特征參量,既可能是固定的,也可能是時變的。其測量精度取決于信號來波時間的測量精度。由于僅當實現了輻射源信號分選后,才能對重頻抖動特征或其變化規律進行估計。由于,脈沖重復周期如果是非固定的變化特征,則會破壞其細微特征,則脈沖重復周期細微特征一般僅適用于固定的脈沖重復周期的雷達對抗目標。所以,它作為個體識別具有一定的應用局限性。

3)脈沖包絡特征分析

包絡分析的特征參數主要下面幾個:

(1)脈沖前沿變化及上升時間

脈沖前沿變化是雷達固有的信號特征,它是建立在對輻射源信號脈沖進行精確測量的基礎上。由于多徑信號相對于直達信號總有一個時間延遲,因此直達脈沖信號的上升沿不受多徑效應影響,相應地,脈沖上升時間以及上升斜率參數應是非常可靠的細微特征參數。該參量也是雷達輻射源所固有的、僅隨時間發生緩慢變化的特征參量,除非雷達對抗目標更換了發射功率組件。但對脈沖上升時間的精確測量要求有較高的輸入信噪比,目標更換了發射功率組件后可能出現量值跳變等。

(2)脈沖后沿變化及下降時間

脈沖下降斜率以及下降時間是雷達固有的信號參數。它僅隨時間發生緩慢變化,除非雷達對抗目標更換了發射功率組件。但在多徑效應環境下所觀測到的脈沖下降沿卻未必是雷達信號直達脈沖的真實下降沿,因而,通常情況下脈沖下降時間的測量值不太適合作為個體特征參數,不建議對其進行測量。

(3)脈沖包絡尖峰及拐點

脈沖包絡尖峰是包絡狀態變化的轉折點,它對應于一階導數的幅度極大值[10],也就是包絡的尖銳不連續點。而拐點值是表示包絡的邊界變化特點的值。由數學分析可知,包絡的拐點位于其二階導數的過零點。由于在多徑效應環境影響下,信號包絡的失真使包絡頂部發生多個起伏,出現多個尖峰和拐點,使其值數增加,產生多余的數值。

(4)脈沖幅度起伏特征

脈沖的起伏特征屬于雷達個體固有的特征。它僅隨時間發生緩慢變化,除非雷達更換了發射功率組件。但是在多徑效應環境下,多徑信號也會明顯地改變脈沖幅度的起伏特征。另外,當出現同時到達信號或信噪比較低時,也很難準確地提取出脈沖幅度的起伏特征。因此,通常情況下不建議將其作為個體特征參量使用。

4)脈內附帶調制

脈內附帶調制,又稱無意調制[7,11]。它不僅是輻射源信號細微特征的重要方面,也是個體特征重要的來源。它是由大功率雷達發射機中發射管、調制器和電源等器件和電路產生的所不希望的多種附帶寄生調制,如互調頻率、諧波頻率、電源濾波不良引起的寄生調制等。附帶調制能體現每部雷達自身的個體特征。重要的附帶調制有兩類:其一是附帶調幅,即偏離理想的脈沖波形;其二是附帶調相,即偏離理想的相位。

(1)脈內附帶調幅

脈內附帶調幅屬于雷達個體固有的特征。僅隨時間發生緩慢變化,除非雷達對抗目標更換了發射功率組件。但是,對雷達對抗偵察接收機來說,接收到的是受大氣傳播效應污染后的雷達信號,包含雷達信號本身的附帶調制和在傳播中引人的畸變,雷達脈沖波形更易受大氣傳播效應的影響,使附帶調幅成為不可靠的參數。

(2)脈內附帶調相

附帶調相相對比較可靠,是最重要的附帶調制參數。附帶調制的調制形式和調制量取決于雷達對抗目標的體制、發射機類型、發射管、調制器、高壓電器及高壓元器件,它是多種因索的綜合效應。

由于偵察接收機工作的電磁環境日益惡劣,信號在空間傳輸過程中受到各種干擾,當前主要從變換域出發,利用高階統計分析輻射源的無意調制的特征,常用的高階譜有三階譜和四階譜[7,12]。

綜合對雷達對抗目標信號細微特征的分析,有些細微特征由于自身易變以及復雜電磁環境的影響不易作為目標信號個體特征識別參數,但可作為描述雷達對抗目標特征集的一部分,深化對此雷達輻射源信號的理解;而有些細微特征具有成為雷達對抗目標個體識別或信號分選參數的潛力。

4 結語

本文通過對雷達對抗目標信號特征進行分析,我們可以得出如下幾點初步結論:1)雷達對抗目標信號特征是個總的,內容廣泛的概念,各種信號都有其基本特征和細微特征。2)雷達對抗目標的信號基本特征不僅包括了脈沖特征、脈間特征以及脈組特征還包括了脈內有意調制特征,這些都是人為因素所產生出來的信號基本特征。3)輻射源信號各特征參量的估計精確度,除與輸入信噪比有關外,還主要與各信號分量間的相關性有關。因此,要想提高輻射源信號各特征參量的估計精確度或提高信號分選及個體識別能力,應設法采取相應技術措施大幅減少同時進入接收機的信號數目,并設法提高偵察設備處理具有復雜調制類型的多分量信號及微弱信號的能力。4)基本特征在識別層次和信號分選程度上具有一定的局限性,但可對雷達對抗目標進行總體上的描述,是雷達對抗目標信號特征重要的特征集,從中可反映出雷達對抗目標的各種戰術特點。5)細微特征是對目標信號更深層次的了解,尤其對那些復雜體制的雷達進行識別的關鍵特征,甚至可達到雷達個體的識別。但是由于復雜電磁環境及多路徑原因,當低信噪比時,對信號細微的變化值不能進行精確測量。6)盡管雷達的許多信號特征參數都是時變的,但在單個相干積累時間間隔內它們卻是不變的或是相對穩定的。因此我們在實際工程應用中還必須對輻射源細微特征的時變范圍有非常準確的把握,可考慮在較小的時間間隔內利用這些相對穩定的特征參數。7)雷達個體特征參數的選取最終是為雷達個體識別服務的,對雷達對抗目標的信號個體特征的認識,我們還不夠研究深入。例如在完成雷達個體識別之前,還必須把握:雷達細微特征參數的高精度提取、如何選擇個體特征、對特征如何進行提取、雷達個體識別系統設計、個體識別算法開發以及提高雷達對抗偵察裝備的測量性能,我們在這些方面將有很多的事情要完成。

[1]鄒順.雷達信號分選與細微特征分析[D].西安:西北工業大學,2006

[2]南建設.信號細微特征分析技術研究[J].電訊技術,2007,47(2):68～71

[3]許海龍,周水樓.雷達輻射源個體識別設備的柜架研究[J].電子信息對抗技術,2008,23(6):9～11

[4]Richard G.Wiley.電子情報(ELINT)雷達信號截獲與分析[M].北京:電子工業出版社,2008

[5]曾志偉,馮小平.雷達信號脈內調制特征分析[J].雷達與對抗,2005(4):22～39

[6]張葛祥.雷達輻射源信號脈內特征分析[J].紅外與毫米波學報,2005,23(6):477～480

[7]張國柱.雷達輻射源識別技術研究[D].長沙:國防科學技術大學,2005

[8]潘繼飛,姜秋喜,畢大平,等.雷達“指紋”參數選取[J].現代防御技術,2007,35(1):71～75

[9]董暉,姜秋喜.基于多脈沖的雷達個體識別技術[J].電子對抗,2006,111(6):12～18

[10]曾志偉.雷達情報偵察系統信號分析和識別[D].西安:西安電子科技大學,2006

[11]巫勝洪.雷達脈內特征提取方法的研究[J].艦船電子對抗,2002,25(1):25～28

[12]陳媛媛.雷達輻射源個體識別研究[D].南京:南京理工大學,2008