基于電子對抗環(huán)境的導(dǎo)引頭制導(dǎo)干擾集成技術(shù)研究

田冠鎖，馬 召，段婧婧，周國哲

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引言

未來信息化戰(zhàn)爭將是“陸、海、空、天、電”五維一體的聯(lián)合作戰(zhàn)，電磁維度的爭奪將貫穿戰(zhàn)爭全過程。未來戰(zhàn)場上，戰(zhàn)場偵察、信息傳輸主要依靠衛(wèi)星、預(yù)警機(jī)、偵察機(jī)和無人飛行器等設(shè)備支撐起的信息網(wǎng)絡(luò)來提供。這種電磁環(huán)境效應(yīng)直接影響飛行器的生存能力和使用效能。現(xiàn)代電子信息裝備面臨的戰(zhàn)場環(huán)境十分復(fù)雜，主要體現(xiàn)在用頻裝備種類繁多，電磁環(huán)境復(fù)雜多變；裝備部署統(tǒng)籌難度大，頻率沖突加劇[1]，電子對抗環(huán)境已成為信息化戰(zhàn)場的主要特征之一。在電子對抗環(huán)境下，合理、巧妙地利用復(fù)雜電子對抗環(huán)境，開展飛行器雷達(dá)制導(dǎo)干擾一體化技術(shù)研究，對提高飛行器的使用效能具有重要的意義。

飛行器雷達(dá)制導(dǎo)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于尋的制導(dǎo)和成像制導(dǎo)，高烽[1]給出了雷達(dá)尋的技術(shù)在精確制導(dǎo)武器中的應(yīng)用，李耀國[2]給出了飛行器雷達(dá)成像制導(dǎo)技術(shù)在目標(biāo)識別上的應(yīng)用。在雷達(dá)制導(dǎo)電子對抗方面，目前的研究主要集中在雷達(dá)抗干擾方面，來慶福等[3]給出利用慣性輔助信息提升雷達(dá)制導(dǎo)的抗干擾能力。在雷達(dá)制導(dǎo)一體化方面，當(dāng)前的研究熱點(diǎn)主要集中在利用共享天線技術(shù)、寬帶T/R組件技術(shù)、共用信號技術(shù)實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)的途徑[4-5]等方面。

本文在此基礎(chǔ)上，從復(fù)雜電磁環(huán)境入手，在分析雷達(dá)制導(dǎo)技術(shù)與干擾技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)和干擾系統(tǒng)的組成及功能相近的特點(diǎn)，提出共用一套硬件實(shí)現(xiàn)集成化設(shè)計(jì)的目的。鑒于相參干擾信號與雷達(dá)回波相似程度較高，本文提出了利用雷達(dá)指紋特點(diǎn)識別干擾信號回波與雷達(dá)信號回波。

1 電子對抗環(huán)境及制導(dǎo)干擾一體化現(xiàn)狀

電子對抗環(huán)境是指電子戰(zhàn)雙方在感興趣的特定區(qū)域內(nèi)，由使用各自電磁能的電子戰(zhàn)系統(tǒng)構(gòu)成的信號特性和信號密度的總和。電子對抗環(huán)境主要包括自然環(huán)境和人為環(huán)境[6]。

自然環(huán)境因素包括：雷電電磁輻射源、靜電電磁輻射源、太陽系和星際電磁輻射源、地球和大氣層電磁場。

人為環(huán)境因素包括：敵方針對雷達(dá)制導(dǎo)信號實(shí)施的壓制式干擾或欺騙式干擾，戰(zhàn)場上指揮系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等無線系統(tǒng)發(fā)射的各種電磁信號。

1.1 電子對抗環(huán)境的特征

電子對抗環(huán)境的特征主要有交織性、動態(tài)性和對抗性[7]等，其中涉及的輻射信號樣式紛繁復(fù)雜、信號變換密集交疊、電磁能量跌宕起伏。

(1)信號樣式紛繁復(fù)雜

隨著廣播電視、無線通信、民用航空等民用無線設(shè)備的廣泛使用，以及測控通信、雷達(dá)制導(dǎo)、聲納探測等軍用電子信息裝備的發(fā)展，各種輻射源數(shù)量大量增加，電子信息系統(tǒng)的規(guī)模越來越龐大。復(fù)雜的電子信息系統(tǒng)產(chǎn)生了紛繁復(fù)雜的電磁信號樣式。

(2)信號變換密集交疊

在一定的空域、時(shí)域、頻域上，大量電子信息系統(tǒng)同時(shí)集中使用，不同的工作任務(wù)將導(dǎo)致工作區(qū)域內(nèi)的電磁信號高度密集和不斷變化。另外，新體制以及特殊體制雷達(dá)的廣泛使用，使得信號種類繁多、波形復(fù)雜。在用頻設(shè)備集中的區(qū)域，局限的空間下形成了密集程度較高的輻射信號，這些輻射信號形成電磁環(huán)境敏感區(qū)，對區(qū)域內(nèi)設(shè)備的正常工作造成較大的影響。

(3)電磁能量跌宕起伏

隨著電子信息裝備性能的提升，發(fā)射功率越來越大。在電磁環(huán)境中，由于各種輻射源的隨機(jī)分布，加上電磁波傳播因素的影響，物理空間上的電磁信號能量在有些地方能量集中，有些地方能量分散。隨著輻射源的運(yùn)動和輻射能量的改變，電磁環(huán)境表現(xiàn)出實(shí)時(shí)動態(tài)變化的特性，同一位置的電磁能量、電磁信號頻率可能時(shí)刻不同。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外在雷達(dá)制導(dǎo)、干擾一體化方面已開展了大量的研究，并取得了工程應(yīng)用。美國的APG-81機(jī)載火控雷達(dá)能夠同時(shí)承擔(dān)通信、制導(dǎo)、干擾、探測等任務(wù)，系統(tǒng)集成化程度非常高。美國的AN/ASQ-239機(jī)載專用雷達(dá)系統(tǒng)具備偵察、告警、態(tài)勢感知、環(huán)境探測等功能，能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境下，同時(shí)處理空空和空地的電子對抗作戰(zhàn)任務(wù)，可以快速對敵方空中和地面的作戰(zhàn)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確地探測、辨識、跟蹤和打擊，同時(shí)，該電子對抗系統(tǒng)還能夠?qū)C(jī)載有源電掃相控陣?yán)走_(dá)作為一種定向能武器，對敵方雷達(dá)和無線傳感器進(jìn)行電子干擾攻擊，形成非動能、高功率電磁脈沖軟殺傷。

國內(nèi)由于管理體制的歷史原因，雷達(dá)、通信、干擾系統(tǒng)一直分屬于不同的管理部門，有各自獨(dú)立的規(guī)劃與發(fā)展，沒有作為一個(gè)整體系統(tǒng)進(jìn)行綜合、統(tǒng)一的考慮。因此，在雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)一體化技術(shù)方面的發(fā)展較慢。當(dāng)前主要集中在理論研究，在工程應(yīng)用方面的研究相對較少。“十一五”期間，成都某研究所開展了“雷達(dá)干擾與探測一體化技術(shù)”預(yù)研項(xiàng)目研究，成都某高校開展了“雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)一體化新體制研究—雷達(dá)電子戰(zhàn)一體化體制和共享信號研究”等相關(guān)技術(shù)研究，取得了較好的理論成果[8]。

1.3 典型電磁威脅環(huán)境

典型電磁干擾威脅環(huán)境是研究飛行器雷達(dá)制導(dǎo)及干擾系統(tǒng)的重要依據(jù)。因此，開展典型電磁威脅環(huán)境的研究至關(guān)重要。

典型電磁干擾威脅環(huán)境主要包括遠(yuǎn)距離支援干擾、隨行支援干擾、相互支援干擾以及自衛(wèi)式干擾等。

遠(yuǎn)距離支援干擾是在飛行器作用范圍之外，掩護(hù)自身突防。通常采用大功率壓制干擾機(jī)，對目標(biāo)搜索雷達(dá)進(jìn)行干擾，使其無法測出方位和距離信息。

隨行支援干擾與飛行器一起進(jìn)入作戰(zhàn)區(qū)域，因而其干擾效果比遠(yuǎn)距離支援干擾好，但容易受到對方的干擾和打擊。因此，采用隨行干擾時(shí)要特別注意對其保護(hù)。

相互支援干擾是飛行器之間相互配合，干擾對方的截獲、跟蹤雷達(dá)。該干擾的優(yōu)點(diǎn)是通過空間功率合成，可以獲得比較大的有效輻射功率。另外，該方法使用靈活，效能發(fā)揮顯著。

自衛(wèi)式干擾是飛行器為確保自身的安全及突防能力，干擾敵方的制導(dǎo)、探測雷達(dá)，降低或破壞制導(dǎo)系統(tǒng)的探測、跟蹤和攻擊能力。

綜合上述多種干擾的特點(diǎn)可以看出，飛行器雷達(dá)制導(dǎo)干擾一體化技術(shù)與飛行器自身的飛行軌跡相關(guān)性較強(qiáng)，因此可以應(yīng)用于近程相互支援和自衛(wèi)式干擾方面。

2 飛行器雷達(dá)制導(dǎo)技術(shù)

飛行器雷達(dá)制導(dǎo)依靠雷達(dá)導(dǎo)引頭來實(shí)現(xiàn)，雷達(dá)導(dǎo)引頭的工作原理與地面雷達(dá)相同，其基本的雷達(dá)方程為[9]

(1)

式中，Pr為接收信號的功率(天線端)，Pt為發(fā)射信號的功率(天線端)，Gt為發(fā)射天線功率增益，Gr為接收天線功率增益，σ為雷達(dá)目標(biāo)截面積，λ為波長，F(xiàn)t為從發(fā)射天線到目標(biāo)的方向圖傳播因子，F(xiàn)r為從目標(biāo)到接收天線的方向圖傳播因子，R為雷達(dá)到目標(biāo)的距離。

傳統(tǒng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)通過雙工器和天饋系統(tǒng)的和差器相連接，天線的幅相分布是固定的，天線的波束指向需要由機(jī)械伺服系統(tǒng)來完成，天線的方向圖無法改變，其組成示意圖見圖1。因此，它在性能上存在諸多不足之處。其掃描速度較小，機(jī)械伺服系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)邊跟蹤邊掃描[10]，無法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引頭功能的拓展。

圖1 傳統(tǒng)機(jī)械雷達(dá)組成示意圖Fig.1 Composition sketch of traditional mechanical radar

相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭突破了傳統(tǒng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的限制，其天線系統(tǒng)本身與傳統(tǒng)雷達(dá)導(dǎo)引頭類似，但是每個(gè)天線單元都有一個(gè)移相器和衰減器，可以進(jìn)行天線口面幅度和相位分布調(diào)整，實(shí)現(xiàn)電掃描和方向圖的捷變。天線系統(tǒng)采用強(qiáng)制饋電方式，每個(gè)天線單元都有單獨(dú)的T/R組件、移相器和衰減器，每個(gè)發(fā)射模塊的功率直接由天線單元輻射，形成空間功率合成的方向圖，其組成示意圖見圖2。因?qū)б^的功率不受天饋系統(tǒng)和雙工器的限制，只受飛行器電源的約束，可以最大限度地提高發(fā)射功率。

圖2 相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭組成示意圖Fig.2 Composition sketch of phased array radar seeker

通過上面的對比分析可以看出，與傳統(tǒng)機(jī)械雷達(dá)導(dǎo)引頭相比，相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭在波束掃描速度、發(fā)射功率方面均具有較大的優(yōu)勢，為拓展導(dǎo)引頭的功能，開展雷達(dá)制導(dǎo)與干擾一體化設(shè)計(jì)方面奠定了基礎(chǔ)。

3 干擾技術(shù)

干擾技術(shù)包括無源干擾技術(shù)和有源干擾技術(shù)。無源干擾技術(shù)主要包括箔條、角反射器等；有源干擾技術(shù)包括壓制式干擾和欺騙式干擾，具體干擾樣式有單音干擾、多音干擾、調(diào)幅干擾、調(diào)頻干擾、脈沖干擾和轉(zhuǎn)發(fā)干擾[11]。為了與雷達(dá)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，下面對有源干擾技術(shù)進(jìn)行介紹。

3.1 有源壓制干擾

有源壓制干擾包括噪聲壓制干擾和相位噪聲調(diào)制干擾。噪聲壓制干擾是利用微波放大器將高斯白噪聲進(jìn)行放大，作為干擾信號發(fā)射出去。相位噪聲調(diào)制干擾是在相位上調(diào)制高斯白噪聲，實(shí)現(xiàn)對信號的干擾。

通過采用數(shù)字射頻存儲器(DRFM)技術(shù)，將接收到的射頻輸入信號進(jìn)行存儲處理，并采用噪聲調(diào)制技術(shù)，在雷達(dá)發(fā)射信號處，采用2路正交信號作為噪聲壓制干擾信號的載波，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[12]

SJ(n)=A(n)ejφ(n)

=A(n)cosφ(n)+jA(n)sinφ(n)

(2)

式中,包絡(luò)序列A(n)服從瑞利分布,相位序列φ(n)服從均勻分布。

采用相位噪聲調(diào)制干擾信號為了可以有效地干擾相參雷達(dá)，該方法是將噪聲信號直接調(diào)制到雷達(dá)發(fā)射信號上，其數(shù)學(xué)原理為

J(n)=s(n)exp(jKu(n))

(3)

式中，K為相位噪聲調(diào)制因子。

3.2 有源欺騙干擾技術(shù)

有源欺騙干擾主要包括：距離欺騙干擾和速度欺騙干擾。

雷達(dá)通過發(fā)射信號與回波信號之間的延時(shí)來測量目標(biāo)距離信息。在進(jìn)行距離欺騙時(shí)，通過干擾雷達(dá)信號回波的延時(shí)，將距離波門拖離真實(shí)目標(biāo)回波，使雷達(dá)無法對目標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確跟蹤。利用DRFM技術(shù)延時(shí)控制電路控制DRFM電路中數(shù)據(jù)輸出相對于數(shù)據(jù)存儲的延遲時(shí)間，控制輸出干擾信號相對于雷達(dá)發(fā)射信號的延遲時(shí)間，可以達(dá)到距離欺騙干擾的效果。在干擾過程中，延時(shí)時(shí)間周期性地變化，就可以對雷達(dá)的距離拖引進(jìn)行有效干擾。

雷達(dá)對目標(biāo)運(yùn)動速度的測量是通過探測回波信號的多普勒頻移來實(shí)現(xiàn)的。因此，對雷達(dá)的速度欺騙干擾可以通過在雷達(dá)發(fā)射信號上疊加多普勒頻移fd來實(shí)現(xiàn)。若假設(shè)雷達(dá)發(fā)射信號為

S(n)=A(n)cos[2πj0n+φ(n)]

(4)

疊加了多普勒頻移fd之后的欺騙干擾信號為[12]

SJ(n)=SI(n)cos[2πfdn+φ(n)]-SQ(n)sin(2πfdn)

=A(n)cos[2π(f0+fd)n+φ(n)]

(5)

4 制導(dǎo)干擾一體化技術(shù)研究

4.1 系統(tǒng)組成

開展飛行器雷達(dá)制導(dǎo)、干擾一體化設(shè)計(jì)，需要在系統(tǒng)的發(fā)射端、接收端以及信號處理方面兼容雷達(dá)與干擾機(jī)的工作特點(diǎn)。雷達(dá)制導(dǎo)干擾一體化系統(tǒng)與雷達(dá)系統(tǒng)和干擾系統(tǒng)的組成類似，主要包括天線系統(tǒng)、偵察接收系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、混頻及檢波系統(tǒng)。另外為了有效識別雷達(dá)回波與干擾信號，還需要有雷達(dá)指紋識別系統(tǒng)。

制導(dǎo)干擾一體化系統(tǒng)組成示意圖見圖3。

圖3 制導(dǎo)干擾一體化系統(tǒng)組成示意圖Fig.3 Composition sketch of integrated guidance and jamming system

在該系統(tǒng)中，為了達(dá)到較好的干擾效果，需要使干擾發(fā)射信號與對方的雷達(dá)輻射信號一致。而干擾信號同時(shí)用于自身雷達(dá)制導(dǎo)，因此，自身的雷達(dá)回波信號與對方雷達(dá)的發(fā)射信號相似程度較高。需要通過雷達(dá)指紋特征提取系統(tǒng)獲得自身的回波信號。

雷達(dá)指紋識別系統(tǒng)是制導(dǎo)干擾一體化的關(guān)鍵組成部分，用于識別對方雷達(dá)的輻射信號與自身雷達(dá)的回波信號。雷達(dá)指紋識別系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)獲取、無意調(diào)制、預(yù)處理、特征提取、分類器等內(nèi)容，系統(tǒng)組成見圖4。

圖4 雷達(dá)指紋識別系統(tǒng)Fig.4 Radar fingerprint recognition system

4.2 雷達(dá)指紋識別的基本原理

在雷達(dá)干擾一體化發(fā)射系統(tǒng)的特征參數(shù)中，相位噪聲、脈沖頂部包絡(luò)、載波頻率偏移等特性與發(fā)射系統(tǒng)的硬件緊密相關(guān)，具有唯一性，可以應(yīng)用于雷達(dá)指紋的識別[13]。

下面以線性調(diào)頻信號為例，給出基于相位噪聲的雷達(dá)指紋識別的基本原理。

假設(shè)線性調(diào)頻信號為

x(t)=A(t)sin(2πfct+kπt2+φ0)

(6)

加入相位噪聲后，線性調(diào)頻信號可表示為

x(t)=A(t)sin[2πfct+kπt2+Msin(2πfmt)]

(7)

采用非參數(shù)化的雙譜估計(jì)的直接估計(jì)法，可以對雷達(dá)信號進(jìn)行雙譜估計(jì)，獲得雷達(dá)的指紋特征[14]。

將接收到的數(shù)據(jù){x(0),x(1),…,x(N-1)}分為K段，每段M個(gè)樣本，即N=KM，并減去每段的樣本均值。數(shù)據(jù)的離散傅里葉變換系數(shù)為

(8)

將數(shù)據(jù){x(0),x(1),…,x(N-1)}的雙譜估計(jì)進(jìn)行K段雙譜估計(jì)的平均值計(jì)算，可得到

(9)

由直接估計(jì)法可以得到雷達(dá)信號的雙譜，通過雙譜估計(jì)能夠反映不同雷達(dá)信號的非高斯分布信息，進(jìn)而得到自身雷達(dá)的指紋特性。

4.3 工作模式

加裝雷達(dá)制導(dǎo)干擾一體化系統(tǒng)的飛行器在飛行過程中，為達(dá)到較好的干擾效果，采用相參壓制干擾壓制對方雷達(dá)。

飛行器飛行過程中，首先使用偵察接收系統(tǒng)進(jìn)行電子偵察的信號處理，得出復(fù)雜電磁環(huán)境下多個(gè)輻射源脈沖到達(dá)時(shí)間、載頻、脈沖寬度、幅度、到達(dá)角、脈內(nèi)調(diào)制方式等脈沖描述字(PDW)，并與飛行器內(nèi)部的威脅數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，選出威脅程度最高的輻射源。然后，利用射頻轉(zhuǎn)發(fā)的方式復(fù)制對方雷達(dá)的信號特征，并發(fā)射出與其相同的雷達(dá)信號，實(shí)現(xiàn)干擾信號與雷達(dá)信號的一體化設(shè)計(jì)。

接收到回波信號后，通過限幅處理先進(jìn)行粗分類識別，再利用雷達(dá)指紋識別技術(shù)，對飛行器自身的雷達(dá)回波進(jìn)行脈沖壓縮處理，解算出回波信息，獲取外界物體的位置和速度特征。

4.4 仿真案例分析

加裝雷達(dá)制導(dǎo)干擾一體化系統(tǒng)的飛行器在飛行過程中，為達(dá)到較好的干擾效果，采用相參壓制體制干擾對方雷達(dá)。

制導(dǎo)干擾一體化系統(tǒng)接收到回波信號后，通過限幅處理先進(jìn)行粗分類識別，再利用雷達(dá)指紋識別技術(shù)，對飛行器自身的雷達(dá)回波進(jìn)行脈沖壓縮處理，解算出回波信息，獲取外界物體的位置和速度特征。

假設(shè)對方探測雷達(dá)頻率為30GHz，脈沖重復(fù)周期為500μs，脈沖持續(xù)時(shí)間為50μs，信號調(diào)制帶寬為10MHz，則該信號的幅頻特性見圖5。

圖5 對方探測雷達(dá)的幅頻特性Fig.5 Amplitude-frequency characteristics of counterpart detection radar

飛行器制導(dǎo)雷達(dá)的相位噪聲信息為[1，10，100，1000，5×104，5×105，5×106，5×107，2.5×108，3×109，9×1010]，單位為Hz。飛行器制導(dǎo)雷達(dá)經(jīng)自身的相位噪聲調(diào)制后，其幅頻特性見圖6。經(jīng)雙譜分析處理后，獲取的等高線見圖7。從圖7中可以看出，采用雙譜分析，可以對飛行器制導(dǎo)雷達(dá)的回波和對方探測雷達(dá)的信號進(jìn)行區(qū)分。

圖6 飛行器制導(dǎo)雷達(dá)的幅頻特性Fig.6 Amplitude-frequency characteristics of aircraft guided radar

圖7 雙譜處理后的等高線圖Fig.7 Contours after bispectrum processing

5 結(jié)論

本文從分析復(fù)雜電磁環(huán)境入手，介紹了復(fù)雜電磁環(huán)境的基本情況和研究現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上，初步闡述了典型電磁威脅環(huán)境。本文通過分析雷達(dá)制導(dǎo)技術(shù)和典型干擾技術(shù)，創(chuàng)新性地提出了制導(dǎo)干擾一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)利用雷達(dá)導(dǎo)引頭進(jìn)行探測、制導(dǎo)的同時(shí)，與干擾技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對高威脅輻射的干擾。理論分析表明，該技術(shù)在拓展飛行雷達(dá)導(dǎo)引頭的功能方面具有重要的作用。