現(xiàn)代電子戰(zhàn)仿真與測試的發(fā)展探討

屈進軍

摘? 要：介紹了國外電子戰(zhàn)測試機制。說明了國外基于商用現(xiàn)貨的方法。論述了不斷變化的相控陣?yán)走_(dá)以及帶寬的挑戰(zhàn)，

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代電子戰(zhàn);仿真與測試;發(fā)展探討

0 引 言

電子戰(zhàn)是一個十分廣闊的領(lǐng)域，是從直流到可見光的電磁頻譜的戰(zhàn)斗，也是在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中剝奪敵方使用電磁頻譜，同時保護己方使用電磁頻譜的戰(zhàn)斗。冷戰(zhàn)結(jié)束以后，軍事信息領(lǐng)域的對抗非但沒有減少，反而愈演愈烈。20世紀(jì)80年代以來，戰(zhàn)爭的形態(tài)發(fā)生了巨大變化，即從傳統(tǒng)的“陸海空”三維立體戰(zhàn)爭變成了“陸海空天電”聯(lián)合行動，信息戰(zhàn)、電子戰(zhàn)的研究方興未艾，歷時42天的海灣戰(zhàn)爭使電子戰(zhàn)的地位得到進一步提升。電子對抗已經(jīng)變成決定作戰(zhàn)雙方勝負(fù)的關(guān)鍵因素之一，電子戰(zhàn)也從雙方單一裝備之間的對抗，發(fā)展到系統(tǒng)對系統(tǒng)、體系對體系間的對抗。隨著電子戰(zhàn)理論與實踐研究的不斷深入，單一武器平臺或局部的仿真已不能夠滿足對整個戰(zhàn)場環(huán)境與作戰(zhàn)態(tài)勢的模擬，因此必須對包含雷達(dá)、通信及其對抗裝備的復(fù)雜電子戰(zhàn)環(huán)境進行模擬，通過單元仿真集成為綜合的電子戰(zhàn)模擬與仿真系統(tǒng)。

電子戰(zhàn)（EW）的概念非常寬泛，但通常都包括干擾敵方使用電磁波譜（EMS），或通過分析敵方有意或無意發(fā)送的電磁（EM）信號，以收集有關(guān)敵方行動計劃或作戰(zhàn)能力的情報。

仿真電子戰(zhàn)系統(tǒng)在現(xiàn)場遇到的頻譜環(huán)境是一項極其復(fù)雜的任務(wù)：要在嚴(yán)格的預(yù)算下完成超乎想象的高效率且經(jīng)過驗證的測試操作能力。

電子戰(zhàn)包括三個獨立的應(yīng)用領(lǐng)域：電子攻擊（EA）、電子防御（EP）和電子支援（ES）。

電子攻擊包括利用一切手段，如大功率阻塞技術(shù)和選擇性欺騙技術(shù)等，對威脅目標(biāo)實施干擾，其優(yōu)點是本方的系統(tǒng)不會像敵方一樣受到干擾。武器系統(tǒng)也屬于電子攻擊系統(tǒng)的一部分，例如高速反輻射導(dǎo)彈（HARM）和主動輻射誘餌彈。

電子防御包括管理您使用的頻譜，以找到干凈和安全的工作區(qū)域，以及確保本方系統(tǒng)不會輕易被敵方的電子攻擊攻陷;還包括控制本方的輻射，以免敵方火力利用本方信號找到攻擊目標(biāo)。

電子支援包括稱為電子支援措施（ESM）的系統(tǒng)，它提供威脅警告、信號采集和分類管理以及測向（DF）功能。在測向應(yīng)用中，我們可以根據(jù)敵方的輻射找到他們。

電子戰(zhàn)系統(tǒng)的測試一直以來都是一項舉足輕重的工程挑戰(zhàn)，并且隨著電子戰(zhàn)系統(tǒng)的技術(shù)水平和預(yù)期性能的提高以及不斷增強的相控陣（AESA）雷達(dá)威脅而迅速發(fā)展。每種新型電子戰(zhàn)系統(tǒng)都將在試驗靶場上面臨最后一關(guān)，在這里必須測試系統(tǒng)在作戰(zhàn)使用中可能遇到的各種情況。但是，電子戰(zhàn)系統(tǒng)在進入試驗靶場前，首先要在具有復(fù)雜威脅環(huán)境模擬器的安裝系統(tǒng)測試設(shè)備中進行全面的評估。甚至在電子戰(zhàn)系統(tǒng)達(dá)到這些測試處理階段前，還必須先在系統(tǒng)集成實驗室和半實物的測試設(shè)備中完成許多測試。這些測試階段極其重要，因為測試期間能發(fā)現(xiàn)問題并使研發(fā)人員在轉(zhuǎn)向上述更昂貴的測試階段前解決問題。其目的就是要經(jīng)常進行測試和早期測試，特別是在實驗室里進行測試。幸好，軟件仿真工具和商用現(xiàn)貨測試系統(tǒng)日趨成熟，現(xiàn)在已經(jīng)成為成本高度敏感的電子戰(zhàn)開發(fā)環(huán)境的必備工具。

1 電子戰(zhàn)測試機制

由于試驗靶場非常少，幾乎一直處于“使用中”狀態(tài)，“預(yù)訂”測試時間如同預(yù)約頂級醫(yī)療專家一樣難。因此，國外一些主承包商和測試設(shè)備制造商迫于壓力，只好將仿真與測試盡量從試驗靶場轉(zhuǎn)移回實驗室。這就推動了對實驗室具備更復(fù)雜先進測試能力的需求。不管怎樣，由于這些基于商用現(xiàn)貨的仿真與測試平臺已經(jīng)取得了長足的進步，所以現(xiàn)在的電子戰(zhàn)系統(tǒng)在面臨最終的驗證挑戰(zhàn)前就能得到更全面更好的評估。

上述想法旨在利用仿真軟件和商用測試設(shè)備，在設(shè)計過程的早期進行絕大多數(shù)的仿真、測試和分析。必須進行大量測試，讓電子戰(zhàn)系統(tǒng)在最大帶寬范圍內(nèi)經(jīng)受最大容量信號的考驗，包括信號環(huán)境中頻繁變化的波形、干擾、已知的威脅以及其他動態(tài)變化的因素。

這種測試系統(tǒng)的能力是全面的，必須能正確模擬實時雷達(dá)脈沖特征、干擾和傳播異常，包括如下方面：

·脈沖上升沿和下降沿時間

·脈沖寬度， 脈沖重復(fù)頻率及模式

·每個脈沖的調(diào)制

·頻率和頻譜特征

·信號幅度

·雷達(dá)天線方向圖

·天線掃描方式

這些測試系統(tǒng)還必須能產(chǎn)生和動態(tài)改變輻射源類型，對模式的變化進行仿真并實現(xiàn)其他功能，與先進威脅系統(tǒng)（例如相控陣?yán)走_(dá)）不斷增強的能力同步發(fā)展。

對于仿真測試工程師來說幸運的是，這種需要大型數(shù)/模數(shù)據(jù)庫、射頻和微波測試裝備（大多數(shù)為用戶定制并且專用于特殊項目）的情況正在慢慢改變。這是由于美國國防部縮減預(yù)算引起的成本限制需要一種新途徑，另外美國國防部還希望盡快扭轉(zhuǎn)電子戰(zhàn)技術(shù)多年以來在研究開發(fā)和采辦預(yù)算中不受重視的局面。時間就是生命，而測試是系統(tǒng)研發(fā)耗時較多并且價格高企的部分之一，因此，業(yè)界加強了簡化測試的開發(fā)工作。想要通過增強實驗室部分的測試來達(dá)到目的，就必須了解需求是什么。

在測試過程中的各個環(huán)節(jié)需要使用不同類型的測試系統(tǒng)和測量方法。

首先在系統(tǒng)集成實驗室中使用獨立的商用儀器執(zhí)行測試，例如頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀、示波器和信號生成設(shè)備。當(dāng)進入到硬件在環(huán)階段，需要應(yīng)用自動化程度更高的設(shè)備以構(gòu)建所需的頻譜場景，同步測量和記錄結(jié)果。等到進入功能齊全的系統(tǒng)測試中心，通常會使用量身定制的大型測試系統(tǒng)來構(gòu)建所需要的高度復(fù)雜且不斷變化的頻譜環(huán)境。在戶外測試階段，可以使用從現(xiàn)成的儀器到定制的自動化系統(tǒng)等各種設(shè)備進行測試。

在復(fù)雜的電磁環(huán)境中執(zhí)行電子戰(zhàn)測試，還可以使用更先進的多發(fā)射機仿真器;但是對于簡單和高度重復(fù)的系統(tǒng)集成，硬件在環(huán)測試，或雷達(dá)警告接收機/電子支援措施的威脅識別評測來說，它們有點大材小用。因為此類貴重儀器可能每天24 小時都有使用計劃，所以很難騰出時間用于如此簡單的系統(tǒng)測試。

2基于商用現(xiàn)貨的方法

一種基于實驗室的閉環(huán)電子戰(zhàn)仿真與評估系統(tǒng)包括以下主要特征：

·信號波形的寬頻帶序列，產(chǎn)生新波形的軟件，用于回放信號波形的一個或多個矢量信號發(fā)生器，其頻率可以是從高頻到18GHz （有時更高）且調(diào)制帶寬超過1GHz的任意頻率。

·系統(tǒng)能在盡可能短的反應(yīng)時間內(nèi)對波形進行數(shù)字化、記錄、存儲和回放。

·軟件工具能快速對幾小時的波形文件進行分類整理，識別出感興趣的部分并加以修改，產(chǎn)生只包含特定波形的文件，最終生成了仿真但卻是很“真”的信號環(huán)境。

圖1 一種基于商用現(xiàn)貨的綜合電子戰(zhàn)仿真與評估系統(tǒng)的組成。

截獲威脅并對其分類是一項艱巨的工作，需要經(jīng)年累月對信號情報進行搜集、利用與分析，從而構(gòu)建包含了特定雷達(dá)系統(tǒng)的極其詳細(xì)信息的數(shù)據(jù)庫，如友方的、敵方的和疑似敵方的雷達(dá)系統(tǒng)信息。所幸由于美國國防部長期致力于數(shù)據(jù)搜集，這樣的數(shù)據(jù)庫已經(jīng)建成并持續(xù)更新。

然而，威脅“前景”處于持續(xù)變化的狀態(tài)，因為世界先進軍事技術(shù)不斷產(chǎn)生新的威脅雷達(dá)和雷達(dá)波形，一些先進雷達(dá)在作戰(zhàn)期間能夠?qū)崟r（脈沖到脈沖）改變現(xiàn)有波形。因此，識別出全部可能存在的威脅是不現(xiàn)實的，先進電子戰(zhàn)系統(tǒng)必須依靠高速數(shù)字信號處理能力和軟件實時動態(tài)生成對抗手段。

為了產(chǎn)生能反映實際情況的仿真威脅環(huán)境，必須考慮所有因素，例如信號傳播和干擾的各種變化。利用信號生成和通道仿真軟件來產(chǎn)生信號波形或波形序列，可以非常有效地仿真威脅環(huán)境。離散的任意波形發(fā)生器（AWG）或矢量信號發(fā)生器（VSG）可以實現(xiàn)合成信號的重構(gòu)。

在電子戰(zhàn)系統(tǒng)仿真與評估的所有階段中，實驗室方法花費最少，雖然AVG和VSG通常只具備有限的多輻射源評估能力，卻減輕了在較復(fù)雜威脅環(huán)境發(fā)生器上以及在安裝系統(tǒng)測試設(shè)備上和開放空間試驗靶場中進行測試所需要的工作量，還減少了重新設(shè)計和重編程所需要的工作量。就這一點來說，AVG和VSG是早期的評估系統(tǒng)，是試驗靶場的補充而不是替換。他們的好處是閉環(huán)系統(tǒng)，使設(shè)計者們能完全控制研發(fā)期間所需要的測試、評估及“優(yōu)化”，并且以很小的代價或者無需額外的費用就能重用或另作他用。

3不斷變化的相控陣?yán)走_(dá)

由于兩種不可控變數(shù)的存在，任何測試設(shè)備制造商、軟件銷售商、主承包商或其他機構(gòu)都不可能產(chǎn)生針對電子戰(zhàn)系統(tǒng)仿真與測試的理想解決方案。第一個變數(shù)是技術(shù)的變革，這種變革是如此之快，以至于今天的尖端科技明天就成了標(biāo)準(zhǔn)配置。主導(dǎo)這些進步的是所有電子戰(zhàn)和雷達(dá)系統(tǒng)的核心組件：模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)-模轉(zhuǎn)換器（DAC）、FPGA、GPU和通用處理器。

第二個變數(shù)是對手們每年也在加速取得技術(shù)進步。尤其是相控陣?yán)走_(dá)。多模式相控陣?yán)走_(dá)正在進入世界上許多國家的軍隊。這些雷達(dá)常常表現(xiàn)出相似于變色龍的能力，這種能力使他們成為強大的威脅。除了具有許多其他雷達(dá)的功能外，相控陣?yán)走_(dá)還能同時工作于許多不同的頻率，采用有源波束形成方式產(chǎn)生多個子波束（每個子波束在不同頻率上發(fā)射信號），隨機改變每個脈沖的頻率和其他特征，增大或減小每個天線單元的發(fā)射功率以免受到探測，采用包括各種擴譜技術(shù)在內(nèi)的多種調(diào)制樣式，在一些扇區(qū)以被動方式工作而在其他扇區(qū)以主動方式工作，還有許多其他特征。

也許最令人驚異的是相控陣?yán)走_(dá)日益增強的這種能力：搜集到足夠多的目標(biāo)相關(guān)信息就能推算出該目標(biāo)的雷達(dá)截面積，從接收到的回波信號可得出發(fā)動機調(diào)制和通道效應(yīng)，能有效產(chǎn)生目標(biāo)的三維圖像。相控陣?yán)走_(dá)利用存儲的已知目標(biāo)信息，能識別出正在跟蹤的飛機類型以及飛機配置的電子戰(zhàn)和電子對抗能力。這一切使得相控陣?yán)走_(dá)具有明顯的優(yōu)勢。

4帶寬的挑戰(zhàn)

電子戰(zhàn)測試中使用的大多數(shù)先進商用現(xiàn)貨儀器的性能通常必須等于或優(yōu)于待測的電子戰(zhàn)系統(tǒng)，達(dá)到這個要求是儀器制造商的首要目標(biāo)。最使人畏縮的挑戰(zhàn)之一是帶寬似乎將無限增大。電子戰(zhàn)系統(tǒng)覆蓋了寬廣的頻率范圍，雷達(dá)與之相比以前一直是窄帶的，工作頻率范圍只有幾百兆赫茲。如今這種情況已經(jīng)顯著改變了，因為現(xiàn)在的雷達(dá)系統(tǒng)帶寬一般能達(dá)到1GHz或甚至2GHz，預(yù)計2020年前帶寬將擴大到4GHz。

雷達(dá)信號和工作帶寬的每次進步都會全面影響電子戰(zhàn)系統(tǒng)，波及到系統(tǒng)的所有功能。例如，較大的帶寬和較快的采樣率明顯增加了電子戰(zhàn)系統(tǒng)必須采集和處理的樣本數(shù)，而系統(tǒng)的處理容量和速度是有限的。電子戰(zhàn)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)（即I/Q采樣）不僅要進行處理，還必須能夠存儲，這就需要超高性能（價格昂貴）的固態(tài)存儲器和高速系統(tǒng)總線。

記錄帶寬為2GHz的信號，即使時間很短也會產(chǎn)生幾百萬兆字節(jié)數(shù)據(jù)，唯一有效的處理辦法就是利用FPGA和（或）GPU這樣的高速信號處理工具。這種硬件在軟件的協(xié)助下能分選出感興趣的信號，只傳送那些選中了（數(shù)量更少因此數(shù)據(jù)量更小）的信號到其他的信號處理器進行更詳細(xì)處理。然后，電子戰(zhàn)系統(tǒng)必須做出響應(yīng)，這就需要更多的分析和處理。通常必須近實時完成這一切處理，因為響應(yīng)時間“窗口”受控于敵方威脅系統(tǒng)。因此，不管電子戰(zhàn)系統(tǒng)必須處理多少數(shù)據(jù)，它仍然只有相同的限定時間來進行處理。

反應(yīng)時間是影響電子戰(zhàn)系統(tǒng)性能的另一個關(guān)鍵因素，它對于模擬電子戰(zhàn)系統(tǒng)性能的測試系統(tǒng)同樣重要。反應(yīng)時間來源于信號處理設(shè)備引起的延時和將數(shù)據(jù)從一個功能模塊傳輸?shù)搅硪粋€功能模塊（或從一臺儀器到另一臺儀器）引起的延時。在電子戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計中，盡可能縮短反應(yīng)時間是絕對有必要的，因為響應(yīng)時間是以微秒為測量單位。所以，即使逐漸縮短反應(yīng)時間也是受歡迎的。縮短電子戰(zhàn)測試系統(tǒng)的反應(yīng)時間也很關(guān)鍵，通過選擇高速通信總線以實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)點對點數(shù)據(jù)傳輸可以極大縮短反應(yīng)時間。目前有代表性的是PCI快速總線（PCI），它已經(jīng)發(fā)展成能更好地集成進PC環(huán)境并能提供高達(dá)幾千兆字節(jié)/秒的通用傳輸率。

有效應(yīng)對更大帶寬和更短反應(yīng)時間提出的挑戰(zhàn)，以及對其他諸如無雜散動態(tài)范圍（SFDR）和轉(zhuǎn)換器分辨率這樣很重要參數(shù)的測量，對于電子戰(zhàn)仿真系統(tǒng)設(shè)計與電子戰(zhàn)系統(tǒng)自身設(shè)計來說都同樣重要。

5結(jié)束語

通過在試驗靶場上和在即將部署的平臺上評估電子戰(zhàn)系統(tǒng)（或者說雷達(dá)系統(tǒng)），全儀器控制的開放空間試驗靶場是最有效的評估手段，這一說法是經(jīng)得起論證的。然而，在設(shè)計和開發(fā)過程的早期，試驗靶場并不是理想的評估場所，利用商用現(xiàn)貨測試設(shè)備和仿真軟件結(jié)合起來進行評估能夠提供更強的靈活性、可重復(fù)性及進行特殊測試的能力。

任何基于商用現(xiàn)貨的測試解決方案都不是完美無缺的，雖然使用了設(shè)備和軟件，這種測試系統(tǒng)還是像待評估系統(tǒng)一樣復(fù)雜。然而，這種方案對于實現(xiàn)更高性價比的研究、測試、開發(fā)與評估（RTD&E）的目標(biāo)是一致的，因為測試系統(tǒng)是一次性購買并在多次測試電子戰(zhàn)和雷達(dá)系統(tǒng)時分期付款的，所以必定會在未來得到更廣泛的使用。

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