相控陣技術對電子情報偵察影響研究

王志鋼　王建濤　楊承志

摘 要：針對相控陣雷達技術引起的射頻信號復雜多變的問題，提出一種基于對雷達射頻信號進行動態信號級仿真的雷達偵察數據分析方法。對典型相控陣雷達系統應用的相控陣雷達技術進行了分析,并運用Matlab 7.0仿真工具軟件對相控陣雷達射頻信號進行了實時信號級仿真，獲得了射頻信號模型，分析了相控陣技術對電子情報偵察的影響。

關鍵詞：相控陣;電子情報;偵察;雷達射頻信號

中圖分類號：TN95文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2009)05-042-05

Influences Studying of the Phased Array Technique to Reconnoiter the Electronic Intelligences

WANG Zhigang,WANG Jiantao,YANG Chengzhi

(Aviation University of Air Force,Changchun,130022,China)

Abstract：To investigate the problem of complexity and diversity of the radio frequency signal caused by phased array radar,the analytical method analyzing the reconnoitered data of the radar radio frequency signal on real-time signal simulation is present in this paper.The phased array technique used in typical phased array systems is analyzed.The radar radio frequency signal is simulated by Matlab7.0 on real-time signal model.The model of radio frequency signal is obtained.The influence on reconnoiter of electronic intelligences caused by the phased array technique is analyzed.

Keywords：phased array technique;electronic intelligences;connoiter;radar frequency signal

0 引 言

現代電子技術在軍事斗爭及武器裝備的廣泛應用，使得爭奪電磁頻譜的主動權，即制電磁權，成為現代化信息戰爭的最明顯特征。制電磁權的基礎為電子情報的偵察與分析。傳統的電子情報處理方法為計算機與專家系統相結合的半自動處理方式，全自動處理的情報虛警率較高。對于相控陣雷達的高變化，偽隨機變化射頻信號，此種方法速度低、精度差，已經無法滿足現代信息化戰爭對電子情報的需要。利用仿真工具對相控陣雷達進行信號級仿真，能夠獲得電子情報偵察接收機的實際接收信號模型；能夠有效提高電子情報處理的分析速度和精度，尤其相控陣雷達的多變發射的方式、偽隨機變化的射頻信號發射參數對于電子情報偵察的影響，此方法效果較好。

1 影響電子情報因素分析

1.1 電子情報的意義與內容

廣義的電子情報是指從感興趣的信號截獲的信息，其信號為任何非通信輻射信號。狹義的電子情報特指對雷達系統發射的信號進行觀測的結果，目的是獲得有關雷達的各類信息。文中的電子情報即指后者。電子情報的價值在于能夠及時提供有關威脅系統（如引導飛機或導彈飛向目標的雷達）的信息，也能夠提供有關防御系統的信息和為電子進攻提供重要的情報。電子情報依據用途可分為兩大類：雷達電子偵察情報和電子支援情報。雷達電子偵察情報是指根據偵收到的雷達裝備的射頻信號經過信號處理和數據處理所獲得的雷達裝備信息。電子支援情報通常是指地方雷達所處戰斗態勢和電子攻擊樣式的情報。

電子情報的生成流程如圖1所示。

圖1 電子情報生成流程

電子情報的生成可分為五個步驟：

(1) 電子情報接收機對偵收到的雷達射頻信號進行測量，獲得雷達系統全脈沖數據；

(2) 對雷達系統全脈沖數據進行分選和處理，獲得雷達系統輻射源數據；

(3) 對雷達系統輻射源數據進行脈內分析和識別獲得基于雷達工作樣式的雷達電子偵察情報；

(4) 基于已有的雷達原理信息，利用仿真模型作為工具，對雷達電子偵察情報進行雷達系統內部工作機理研究，以求達到對輻射源進行個體識別的目的；

(5) 應用雷達系統內部工作機理研究獲得的雷達戰術情報獲得電子支援情報；最后，將獲得的雷達支援情報直接應用于反輻射打擊，電子壓制等電子進攻作戰，此部分是電子支援情報應用的一個重要部分。

1.2 電子情報偵察方程

文獻［1］中指出，在自由空間中，電子情報接收機接收到的雷達發射信號電平可由下式進行描述：

S璄=P璽G璗EG璄λ2(4π)2R2璄L璗L璄

其中：S璄為電子情報接收機處的信號電平；G璗E為電子情報接收機方向上雷達發射天線增益；G璄為雷達發射天線方向上的電子情報接收機接收天線增益；R璄為從雷達發射天線到電子情報接收機天線的距離；λ為雷達波長；L璗為雷達發射機到天線的射頻損耗；L璄為電子情報接收機從天線到接收機前端的射頻損耗。

進行分析可以得出影響電子偵察接收機接收端信號功率的主要因素有：電子情報接收機直接測量的雷達系統全脈沖數據為信號到達時間，信號到達角，信號載頻、信號脈寬、信號幅度。文獻［2］中指出接收機的最主要參數接收機靈敏度的定義為：接收機及輸入端需要的最小信號功率。僅有在接收功率大于靈敏度時接收機才可以截獲射頻信號。因此，在信號環境、信號調制和偵察系統本身的適應能力等外界條件不變的情況下，從信號本身的角度考慮，測量參數主要取決于電子情報接收機處的信號功率。

1.3 相控陣雷達仿真模型應用于電子情報偵察影響研究

由于相控陣雷達采用能夠快速掃描和自適應控制的雷達天線同時配合固態雷達發射技術和軟件化雷達技術使得相控陣雷達擁有許多傳統雷達不具備的特點，主要有：能夠執行多目標搜索、跟蹤與多種不同種類雷達作戰任務；能夠實現雷達系統最優化工作方式管理；能夠實現高搜索數據率和跟蹤數據率；能夠實現空間濾波能力和自適應空時處理能力;能夠實現大功率孔徑乘積與可變功率孔徑乘積；能夠實現天線孔徑與雷達平臺的共形；能夠實現低可探測搜索，自適應反干擾接收等多種電子反對抗技術；能夠實現雷達、電子對抗和通信設備多種裝備的射頻系統共用功能。

由于相控陣雷達具有許多傳統雷達不具備的特點，因此傳統的通用雷達系統已無法滿足電子情報偵察的影響研究的需要。基于以上相控陣雷達的各特點，可以得出以下應用于電子情報偵察的影響研究的相控陣雷達仿真模型的具體技術要求：

(1) 仿真模型應為一基于作戰效果的自適應仿真系統。

(2) 仿真模型應可以對系統所處狀態進行管理與控制。

(3) 仿真模型應具有高搜索數據率和跟蹤數據率。

(4) 仿真模型應具有實現空間濾波能力和自適應空時處理能力。

(5) 仿真模型應能夠模擬低可探測搜索，自適應反干擾接收等多種電子反對抗技術。

2 應用于電子情報偵察影響研究的相控陣雷達仿真模型

2.1 應用于雷達截獲信號的影響研究的相控陣雷達仿真系統

基于電子情報偵察的影響研究的相控陣雷達仿真模型的具體技術要求，重新設計相控陣雷達仿真系統，如圖2所示。

圖2 相控陣雷達仿真模型基本結構圖

對相控陣雷達仿真的目的是獲得相控陣雷達自適應變化的射頻信號。依據此目的可對相控陣雷達系統進行等效。由雷達反對抗控制系統、發射系統和發射天線系統組成相控陣雷達仿真系統的發射鏈路。由接收天線系統、接收系統、信號處理系統和數據處理系統構成相控陣雷達仿真模型的接收鏈路。錄取控制系統作為控制系統連接接收與發射系統。由于仿真的目的為獲得相控陣雷達的射頻信號,因此對于接收鏈路可以將其等效為對錄取、控制系統內雷達工作參數表變化的影響。設仿真開始時，雷達的接收信號為零，按照預設參數發射理想信號。當接收系統接收到目標回波后，則依據回波信號選擇最優的發射參數進行發射，依據此方法可以得出相控陣雷達仿真系統的仿真技術重點為相控陣天線線陣和陣列綜合技術及發射數字波束形成技術。

2.2 線陣和陣列綜合技術的仿真

泰勒線源綜合法是一種十分有效的描述理想狀態下天線線陣和陣列方向圖的方法。更為重要的是經過改進的n參數修正方法能夠有效抑制副瓣和約束零點位置。因此n參數泰勒線源綜合被廣泛應用于相控陣雷達天線的發射波束。

Taylor n參數分布線源綜合法能夠有效約束波瓣圖零點的位置，同時可對副瓣進行有效的抑制。Taylor用sinc(πφ)作為基本函數，通過調整近區零點位置，形成方向圖：

F(φ)=sinc(πφ)∏nn=11－φ2(σφ璶)2〗∏nn=1(1－φ2n2)

式中:φ璶為方向圖的零點位置;當1≤n≤n時,

φ璶=A2+(n－1/2)2;

當n≥n時,φ璶=±n;σ為波束擴展因子，此參數的作用在于使前n個旁瓣能平滑過渡到1/U包絡,

σ=n/A2+(n－1/2)2;n表示有n個旁瓣受到控制。

2.3 發射數字波束形成技術的仿真

多波束天線具有探測范圍大、數據錄取率高、覆蓋空域大等諸多優點，因此在雷達發射波束中得到了廣泛應用。發射數字波束形成是將傳統相控陣發射波束形成所需要的幅度加權和移相從射頻部分放到數字部分來實現，從而形成發射波束。

空域內一點射頻能量為：

E(u)=∑iA璱W璱F璱(u)

式中：A璱為第i個陣元輻射能量;W璱為第i個陣元的權系數;

F璱（u）為第i個陣元的天線圖函數。

采用最大輸出信噪比準則能夠有效抑制天線、饋線系統帶來的射頻噪聲，因此被廣泛應用于發射波束控制領域內。最大輸出信噪比準則的準則內容為：

設第i個陣元所感應的復振幅為：

x璱=s璬e－j(i－1)β璬

式中：β璬為所需信號的復振幅，β璬=2πdsin θ璬λ。

加權輸出為：

y璼=∑Mi=1W璱s璬e－j(i－1)β璬=Ms璬WHa(θ璬)

W=［W1,W2,…,W璏］T

a(θ璬)=1M［1,e－jβ璬,…,e－j(M－1)β璬］T

陣列輸出的信號功率為:

p璽=MS璬2WHa(θ璬)aH(θ璬)W

2.4 相控陣雷達系能量管理技術的仿真

相控陣雷達由于其全系統均可實現捷變，以此必須利用反饋和最優化技術對雷達工作狀態進行管理選擇最有效的工作方式。對相控陣雷達發射的能量進行管理，能夠使發射能量達到最大利用率。

傳統雷達的掃描方式為一定角度內的均勻掃描和對某一批目標的連續跟蹤,無法解決瞬時探測范圍與跟蹤精度之間的矛盾，而相控陣技術能夠有效解決此矛盾。相控陣技術采用數字形成多波束的方法獲得最大的能量利用。設雷達天線在掃描時,每個波束位置要駐留N個脈沖,則單位仰角波束內的輻射能量密度為：

dEdφ=NEφ璙=N(P璽τ)φ璙

式中:φ璙為仰角波束寬度。

立體空域里的總能量為：

E=2πθ璈E璻=(p璽τ)NG璵ax1.45Rn璵ax∫φ璵axφ璵inRn(φ)dφ

當n=0時,為等能量分布，所用能量最大：

E0=(p璽τ)NG璵ax(φ璵ax－φ璵in)1.45

能量管理的原則如下：

以指定空域為約束條件使得能量節約因子最大。經分析可以得出制約能量節約因子的參數包括：天線增益、仰角功率、波束駐留時間。

3 相控陣技術對雷達截獲信號的影響分析

3.1 空間某點雷達截獲信號射頻模型

由于線性調頻信號能夠有效解決距離分辨率和多普勒分辨率兩者兼顧的問題，因此相控陣雷達的發射信號多采用線性調頻信號，本文中也采用線性調頻信號作為仿真模型信號。線性調頻信號可用下式進行表示：

s(t)=A0exp［j2π(f璫+bt)t］， 0≤t≤τ

0，其他

對相控陣雷達的射頻信號進行仿真,仿真結果如圖3~圖11所示。

圖3~圖9中橫坐標為時間（μs）；縱坐標為歸一化處理后的信號幅度（V）。

圖10~圖11中橫坐標為天線方向與正北方向夾角的正弦值；縱坐標為歸一化后的天線功率譜。

圖3 普通射頻信號：載頻1 250 MHz，脈沖重復周期4 000 μs，

脈沖寬度1 100 μs

圖4 由1,2,3,4號脈沖組成的多脈沖射頻信號

圖5 1號脈沖:載頻1 215 MHz，脈沖重復周期4 000 μs,

脈沖寬度400 μs

圖6 2號脈沖:載頻1 300 MHz，脈沖重復周期4 000 μs,

脈沖寬度400 μs

圖7 3號脈沖:載頻1 325 MHz，脈沖重復周期4 000 μs，

脈沖寬度400 μs

圖8 4號脈沖:載頻1 400 MHz，脈沖重復周期4 000 μs，

脈沖寬度400 μs

3.2 結論

(1) 運用已有的信號規律描述偵察到的相控陣雷達信號是十分困難的。圖4中的信號是實際射頻信號，由于其采用的多脈沖技術，四個脈沖相疊加使得偵察時將其誤認為是相位編碼信號，使得判斷失誤。

(2) 比較圖9~圖11可以發現，由于發射波束的高速隨機性位置轉換，其發射天線的主瓣駐留時間縮短至普通天線駐留時間的1/10 。因此使得利用偵測主瓣偵察方法的作用距離大大降低。

圖9 多脈沖射頻發射信號

圖10 相控陣天線圖

圖11 普通天線圖

(3) 比較圖9~圖11可以發現相控陣天線的副瓣已達到-40 dB，即使在不使用自適應零點對正技術的情況下，仍然很難偵測到天線的副瓣。因此對于偵測雷達天線副瓣的偵察方法影響較大。

3.3 相控陣技術對電子情報偵察的影響

(1) 相控陣雷達技術的廣泛應用使得雷達射頻信號的變化速度大幅度提高，變化形式多種多樣。應用已有的信號變化規律已經很難詳細說明雷達射頻信號的特點。

(2) 相控陣技術在天線電子掃描方面的廣泛應用，使得發射波束變化迅速且波束寬度極窄。因此，使得依靠對雷達發射天線主瓣的偵察的方法的作用距離大幅度下降。

(3) 相控陣技術和自適應線陣綜合技術使得天線獲得比傳統天線低很多的天線副瓣，使得依靠偵察副瓣方法的偵察設備偵察效果大幅度下降。

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