通用LPI射頻隱身控制技術研究

四川九洲電器集團有限責任公司 孟小粟

一、引言

隨著世界新軍事革命深入發(fā)展，武器裝備遠程精確化、智能化、隱身化、無人化趨勢明顯。在未來開放對抗的戰(zhàn)場中，機載有源輻射傳感器應用的電磁環(huán)境具有輻射源多、目標分布密度大、分布范圍寬、信號交疊嚴重等特點，且艦載、空中、岸基的先進無源探測系統(tǒng)接收的覆蓋范圍、靈敏度、情報共享能力逐步提高，對機載設備的作戰(zhàn)能力和生存能力形成嚴重威脅。因此，機載設備的射頻隱身設計需求越來越迫切。

射頻隱身設計應包括無源目標特征縮減和有源目標特征縮減兩大部分，相應的技術分別為低可探測性（LO）技術和低截獲概率技術（LPI）。①低可探測性（LO），就射頻隱身而言，低可探測性首先考慮的天線設計，即是與機體共形設計，并具有寬帶隱身特性。②低截獲概率技術（LPI），即是主動減少機載平臺電子裝備的輻射能量、時間、覆蓋、頻率等多方面特征，降低敵方先進無源探測系統(tǒng)的截獲性的技術。

本文主要研究如何保證平臺輻射信號的低截獲性（LPI）。要獲得盡可能低的LPI，一是從能量域、空域或時域直接減少輻射源的發(fā)射功率以降低信號被能量檢測系統(tǒng)檢測到的概率或距離，二是通過豐富輻射源信號的信息量（頻域、時域、脈內(nèi)、處理等）的手段來增大輻射信號的不確定性，從而提升電子偵察截獲、分選、識別、定位信號的難度。

目前國內(nèi)的研究主要借鑒了電子反對抗的部分技術以及美軍射頻隱身控制技術，在天線和波形設計方面，采用空域、頻域、時域的技術手段，降低輻射源信號被ESM、RWR和ELINT截獲的概率，從而應對電子情報搜集、電子干擾以及反輻射導彈攻擊。

二、研究內(nèi)容

射頻隱身控制技術是在保持武器平臺射頻有源傳感器任務性能的前提條件下，減縮、控制其工作時輻射信號的射頻特征，實現(xiàn)其射頻輻射信號的低截獲性或不確定性，以降低無源偵察設備對其截獲、分選、識別和定位的能力。

根據(jù)對典型機載射頻傳感器輻射方式，以及不同輻射特征對射頻無源偵察系統(tǒng)的影響分析，下面將從能量域、空域、時域、頻域、波形設計和天線極化六個方面，探討縮減或控制機載有源傳感器對外輻射信號射頻特征的技術方法。

（1）能量域——減少對外輻射功率

從能量域來說，主要考慮如何在保證有源傳感器功能性能的前提下，減少其向外輻射的功率，包括實現(xiàn)輻射功率最小化的方法和控制的策略。

最小化輻射功率的研究方法：研究控制有源傳感器輻射功率，使其處于功能實現(xiàn)所需最小能量狀態(tài)的方法。從分析影響傳感器輻射功率的因素（如距離、飛機姿態(tài)、工作模式等）出發(fā)，研究有源傳感器輻射功率控制的范圍、步進、誤差以及實現(xiàn)方式等內(nèi)容。

輻射功率控制策略：從系統(tǒng)控制策略上研究功率控制的實現(xiàn)原理，分為基于相對位置的策略、基于信號能量的策略以及基于位置-能量的聯(lián)合策略。基于相對位置的策略是指根據(jù)先驗信息或通過傳感器探測獲得平臺與目標的相對位置和距離，再根據(jù)傳感器自身天線反饋參數(shù)控制輻射功率使其與距離相匹配；基于信號能量的策略是指不依賴位置信息，僅依靠接收到的信號強度，通過控制輻射功率，使其接收信號能量剛能滿足功能要求；位置-能量聯(lián)合策略是以上兩種策略的綜合。策略的制定受位置信息的獲取方式、自適應控制收斂條件、協(xié)同系統(tǒng)內(nèi)收發(fā)鏈路一致性誤差、非協(xié)同系統(tǒng)處理算法估計誤差等影響。

（2）空域——縮減信號在空域中覆蓋范圍

從空域來說，主要研究縮減有源傳感器向外輻射信號的覆蓋范圍的方法。減少輻射信號空域覆蓋從根本上來說控制信號輻射方向，使其僅覆蓋目標所在空間。考慮到各有源設備的工作體制和基于平臺的工程實現(xiàn)，對天線陣來說，即是盡可能的壓窄主瓣波束寬度和降低副瓣電平，或在特定方向上實現(xiàn)波束零陷；對單獨振子的天線來說，即是采用空間分集、定向輻射的技術，縮減信號在非必要方向上的輻射。

（3）時域——縮減輻射時間或控制輻射時機

從時域來說，在輻射功率一定的情況下，輻射時間決定了輻射能量的大小，合理地管理輻射時間也是提高射頻隱身性能的有效途徑，無源的接收機總需要一定的處理時間才能完成未知信號的積分，從而提取信號特征用以完成分類和識別，而輻射源一方面可以減少發(fā)射時間，讓無源接收機沒有足夠的時間完成積累，另一方面可以無序、隨機的觸發(fā)輻射，在時域上躲避無源接收的時間窗口，增大其根據(jù)時域規(guī)律捕獲、分類信號的難度或成本。

（4）頻域——縮減和控制頻譜特征

頻率控制策略的研究內(nèi)容就是通過選取合適的工作頻率和帶寬降低敵方無源探測器截獲概率。雖然意料之外的頻段內(nèi)發(fā)射信號可能出奇制勝，但是必須假定敵方具備通過偵查和利用已獲得的有用資源來發(fā)現(xiàn)這個頻率的能力。從LPI的角度出發(fā)，頻譜控制最優(yōu)的策略就是發(fā)射信號能夠占據(jù)任務期間全部的工作頻段，使每個單位時間和單位頻率被探測到得峰值功率最低，以防止敵方無源探測器的對頻率的長期積分，從而截取信號進行探測。換言之，隱身系統(tǒng)不允許對頻率的長期積分，必須迫使敵方無源探測器去偵查產(chǎn)生最高虛警率和最低探測率的最大的頻率范圍。

最優(yōu)頻率控制策略的準則是覆蓋所有工作頻率波段，但實現(xiàn)這一目標并不能總與有源探測設備的最佳性能相匹配。從考慮得到大帶寬的同時使硬件復雜度最小條件出發(fā)，常用的頻率控制策略有頻率分集技術和擴頻技術。頻率分集技術：就是在多于一個的載頻上發(fā)射信號，這樣處理相當于擴展了信號的發(fā)射帶寬，增加了傳輸信號頻率的復雜度特征，從而減小了敵方無源探測器對信號頻率的積分，降低了截獲概率。常用于射頻隱身的頻率分集技術包括跳頻技術、層疊頻率發(fā)射、同步發(fā)射與接收、層疊發(fā)射和同步發(fā)射與接收的組合。

擴頻技術：是使用的傳輸帶寬比要求的最小信號帶寬大幾個數(shù)量級。擴頻信號的設計包括編碼和偽隨機兩個要素，編碼可以增加信號冗余度，減小信息密度；而偽隨機序列擴頻使發(fā)射信號看上去很像噪聲，使得指定接收機之外的其他接收機很難解調(diào)。解調(diào)難度的增加和發(fā)射信號峰值功率的降低，使得敵方無源探測器難于從背景噪聲中對信號進行檢測、分類、識別和定位。常用的擴頻技術有直接序列擴頻（DSSS）、跳頻擴頻技術等。

（5）波形域——LPI波形設計

LPI波形設計的目標就是通過擴展發(fā)射信號的波形特征集從而降低被敵方無源探測器探測的概率。脈沖壓縮是低截獲概率信號設計中的關鍵，其發(fā)射信號是采用編碼形式的寬脈沖信號，接收和處理可輸出窄脈沖。脈沖壓縮波形采用頻率調(diào)制和相位調(diào)制的混合波形設計信號，把頻率調(diào)制技術和相位編碼技術組合在一起。保留了頻率調(diào)制技術和相位編碼技術的特點，可以在獲得大的時寬帶寬積和處理增益的同時，增加發(fā)射信號的復雜度，降低了被敵方截獲的概率。滿足LPI波形的設計中選擇大的帶寬滿足距離分辨率的首要需要，并通過編碼的混合調(diào)制方式獲得了所需的模糊函數(shù)特性。

（6）極化域——變極化處理

空間中的電磁波可由幅度、相位、頻率以及極化等參數(shù)作完整的表達，極化主要表現(xiàn)電磁波的矢量傳播特性。極化特征是指天線在其最大輻射方向上，電場矢量的取向隨時間變化的規(guī)律，根據(jù)該軌跡分為線極化波、圓極化波、橢圓極化波等。在通信中，發(fā)射端的極化與接收端極化需要盡量保持一致，這樣電磁波由于極化損失的能量才最低，才能保證通信距離最遠，若發(fā)射端與接收端極化不匹配，例如發(fā)射端為垂直極化波，而接收端為水平極化波，會造成電磁波較大的極化損失。該技術可應用到射頻隱身技術上，對已知的敵無源偵察設備的極化方式，采用最大極化損失的方式避免敵方截獲。

目前對于極化的研究主要呈現(xiàn)以下幾個方向，極化特性研究、極化測量的研究、極化濾波、虛擬極化的等多個方面。

三、采用的技術途徑

基于上文分析，從傳感器射頻隱身的影響因素入手，擬采用熵函數(shù)對輻射特征六域的進行表征。由于不同傳感器在頻域、波形、極化、空域的控制方法不同，而時域和能量域?qū)儆谏漕l隱身控制的通用技術，下面從通用技術手段（功率、時間）的約束條件進行分析。

1.輻射功率控制（能量域）

機載有源傳感器功率控制方法的約束條件有隱身性能、能量影響因素、控制范圍、步進、誤差、實現(xiàn)方式等。從分析影響傳感器輻射功率的因素（如距離、飛機姿態(tài)、工作模式等）的出發(fā)，優(yōu)化功率控制的范圍、步進、誤差以及實現(xiàn)方式。

（1）能量影響因素

①對輻射功率影響最大的因素是距離，距離影響主要是分析空間衰減值；②飛機姿態(tài)對輻射功率的影響主要表現(xiàn)在飛機大動作在非必要方向上的能量泄漏，以及天線增益的變化；③大部分傳感器的發(fā)射功率會隨工作模式變化而變化，需考慮不同工作方式對功率管理影響。

（2）輻射功率控制范圍

空間路徑衰減與距離是對數(shù)關系衰減，針對不同的傳感器系統(tǒng)，不管是協(xié)同系統(tǒng)還是非協(xié)同系統(tǒng)，對其進行功率控制時，必然存在一個不再需要進行控制的距離，即輻射功率控制范圍。

（3）輻射功率控制步長及誤差

輻射功率控制步長主要受到目標距離的影響，我們希望輻射功率控制后，所輻射的信號在到達目標或經(jīng)目標反射回傳感器，能恰好滿足系統(tǒng)工作的接收靈敏度要求。分析不同步長的輻射距離變化情況，發(fā)現(xiàn)：當目標處于遠距離時，若采用較大的步長則輻射距離變化太大，不符合恰好覆蓋目標的需求，此時應采用較小的步長；當目標處于近距離時，若采用較小的步長則輻射距離變化太小，不能快速的控制到合適的檔位，此時應采用較大的步長。因此，需根據(jù)目標所在距離，設計得到一個能夠動態(tài)控制的控制步長，既不使功率控制時輻射距離變化太大，又能夠快速達到合適檔位。

在實際工程中，控制步長及誤差值的設計主要根據(jù)功放器件能夠達到的步長及誤差決定，同時需要考慮輸出功率達到穩(wěn)定收斂狀態(tài)所需的時間。控制方法及器件的不同，造成的步長及誤差不同。

（4）輻射功率控制方法

針對有源輻射傳感器對發(fā)射機輸出功率管理的需求，在線監(jiān)測輸出信號的波形和幅度，自適應調(diào)整功放的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對射頻脈沖信號功率和波形的自適應控制，減小高低溫工作環(huán)境和寬帶工作引起的輸出波形和輸出功率變化，提高功率程控的精度，提高功放效率和線性度。可以利用連續(xù)反饋方式（自動幅度控制技術）、程控衰減器、放大器柵壓等方式來實現(xiàn)輻射功率控制。

（5）功率控制策略

功率控制策略分為基于相對位置的策略、基于信號能量的策略以及基于位置-能量的聯(lián)合策略。基于相對位置的策略是指根據(jù)先驗信息或通過傳感器探測獲得平臺與目標的相對位置和距離，再根據(jù)傳感器自身天饋參數(shù)控制輻射功率使其與距離相匹配；基于信號能量的策略是指不依賴位置信息，僅依靠接收到的信號強度，通過控制輻射功率，使其接收信號能量剛能滿足功能要求；位置-能量聯(lián)合策略是以上兩種策略的綜合。策略的制定受位置信息的獲取方式、自適應控制收斂條件、協(xié)同系統(tǒng)內(nèi)收發(fā)鏈路一致性誤差、非協(xié)同系統(tǒng)處理算法估計誤差等約束。

（6）輻射時間控制（時域）

對機載有源傳感器進行輻射時間進行控制和管理，在保證功能及性能的前提下對傳感器的工作方式、工作模式、有效參數(shù)進行輻射最小時間控制策略和輻射最佳時機控制策略。

（7）輻射最小時間控制策略

從優(yōu)化輻射模式、組合、處理算法的角度，提高傳感器性能指標，為輻射次數(shù)的減少提供前提，在保證傳感器功能性能的前提下，盡可能的減少向外發(fā)射信號的次數(shù)。

（8）輻射最佳時機控制策略

根據(jù)目標狀態(tài)、載機姿態(tài)等因素綜合設計任務的發(fā)射觸發(fā)時機，減少因非系統(tǒng)因素影響而造成的無效輻射；同時對輻射信號的觸發(fā)時序開展仿真驗證設計，通過無序、隨機的觸發(fā)方式增大信號序列墑。

四、結束語

本文討論的機載有源輻射傳感器的射頻隱身控制技術研究，覆蓋能、時、頻、空、波形、極化等多個領域，從理論分析角度介紹了多領域縮減或控制對外輻射信號射頻特征的研究方向和技術方法。進一步介紹了輻射源的發(fā)射功率管理、輻射時間管理、抗截獲波形設計等的設計思路，為射頻隱身控制技術的研究提供了參考。