艦載電子偵察接收設備所面臨的挑戰及相應措施

梁瑞麟

（海軍駐揚州723所軍事代表室,揚州 225001）

0 引 言

電子偵察接收機對于現代作戰艦艇來說有著十分重要的意義。其主要功能為:監視本艦周圍的雷達信號態勢,對威脅目標告警；實時引導有源或無源干擾設備進行干擾；輔助引導武器系統進行攻擊,為武器發射提供敵方目標的角度信息；在必要情況下,對于敵方雷達采用多站或單站機動進行無源定位。從戰術應用的角度歸納起來,其主要作用是自衛反導和電磁信息監視。

長期以來,和雷達相比,電子偵察設備有著距離優勢,它可以在對方雷達的作用距離之外發現對方雷達信號。這是因為電子偵察設備偵察的是對方雷達的直射波,信號強度與距離的平方成反比；而對方雷達接收的是從目標上反射回來的反射波,信號強度與距離的4次方成反比。然而近年來雷達技術的進步給艦載電子偵察裝備帶來很大的挑戰。相當一部分雷達都采用了脈沖壓縮體制,脈沖壓縮雷達發射的脈沖功率較小,脈沖寬度很大,而平均功率較高,通過大比例的脈沖壓縮來提高雷達探測距離,同時實現滿意的距離分辨率；使用匹配濾波器技術進行相干積累,雷達可以在低信噪比情況下進行探測。而電子偵察接收機要求頻率和方位上寬開,且只對信號的脈沖功率產生響應,偵察靈敏度受到很大限制。加上艦艇的雷達反射截面（RCS）很大,以至于一些體制先進的雷達比較容易發現艦艇,而艦載電子偵察接收機卻不容易收到該雷達信號,使得電子偵察設備的偵察距離優勢逐步喪失。另一方面,由于雷達的脈沖寬度增加和信號密度加大,電子偵察設備面臨的信號重疊概率大大增加,接收機丟失信號的概率也顯著增加。

本文試圖對目前電子偵察設備面臨的挑戰進行分析,提出一些應對的技術措施。

1 電子偵察設備探測距離和雷達探測距離比較

根據自由空間的雷達方程,可以得到雷達的作用距離:式中:Pt為雷達發射峰值功率；Gt為雷達天線增益；λ為雷達工作波長；σ為目標（艦船）的反射截面積；Prmin為雷達接收機靈敏度（含接收機前端的饋線損耗）。

根據偵察方程,可以得到電子偵察設備對該雷達的發現距離:式中:Gi為電子偵察天線在雷達方向上的增益；Pimin為電子偵察接收機靈敏度（含接收機前端的饋線損耗）。

比較（1）、（2）兩式,得到電子偵察接收機探測距離和雷達探測距離之比,即所謂（對空）超越系數:

由式（3）可以看出,電子偵察接收機的超越系數C和雷達本身的發射功率Pt、Gt有很大關系,如果雷達的發射功率降低了,雷達對目標的探測距離也隨之降低,但是偵察接收機的探測距離降低得更多。如果雷達發射功率降低到原來的1/16,那么雷達探測目標的距離將降低到原來的1/2,而偵察接收機的探測距離降低到原來的1/4。

超越系數C還與艦船的雷達反射截面σ及雷達的探測距離R2rmax有很大關系,艦船的雷達反射截面σ越大,艦載電子偵察設備的超越系數越小；雷達的探測距離Rrmax越遠,艦載電子偵察設備的超越系數越大。也就是說雷達的作用距離越遠,越容易被對方探測到。

當式（3）小于或等于1時,電子偵察接收機的偵察距離和雷達探測距離相比就不具備優勢。

2 關于脈沖重疊造成的丟失問題

雷達采用脈沖壓縮技術后,為了加強電子偵察接收機的探測能力,提高電子偵察接收機的靈敏度是必要的。然而,靈敏度的提高會使信號密度大大增加,不僅遠距離的弱信號會進入接收機,各種反射信號也會超過接收機靈敏度門限。另一方面由于脈沖壓縮體制雷達信號的脈沖寬度較大,帶來的問題是脈沖重疊概率大大增加,容易造成信號測量錯誤或丟失。

有必要概略地分析一下脈沖寬度、信號密度和脈沖重疊概率之間的關系。為了簡化,假定周圍存在多部不同雷達的輻射信號,而且各雷達的脈沖重復周期互不相關。這樣進入接收機的脈沖信號流是時間軸上隨機出現的一系列脈沖寬度不同的信號。根據隨機過程理論,如果一個隨機過程的統計特性與時間起點無關,則稱為平穩隨機過程,這種平穩無后效的隨機過程可看作是泊松過程。根據泊松分布特性,在Δt的時間區間內出現n個脈沖的概率為:

式中:Pn（Δt）為Δt的時間區間內出現n個脈沖的概率；λ為脈沖密度,即每秒鐘內出現的脈沖數量。

設相鄰兩脈沖前沿之間的間隔時間為 ω,則 ω的概率分布密度函數為:

對于普通的單脈沖體制接收機而言,在進入接收機的脈沖信號流中,如果前一個脈沖還沒有結束,后一個脈沖就到了,則后一脈沖就不被測量。設脈沖寬度為τ,相鄰脈沖前沿的間隔時間為 ω,若不考慮接收機的恢復時間,則當ω≤τ時,后一脈沖就會丟失。

也就是說,ω≤τ的概率就是脈沖丟失概率,對式（5）的脈沖間隔ω分布密度函數在0～τ的區間內積分,就得到脈沖丟失概率為:

作為例子,假定信號密度為10萬脈沖/s,對應不同的平均脈沖寬度τ,表1給出了按照式（6）計算的脈沖丟失概率與脈沖寬度之間的關系。

表1 不同的平均脈沖寬度對應的脈沖丟失概率

從表1可以看出,在信號密度為10萬脈沖/s的情況下,當平均脈沖寬度 τ小于 1 μ s時,則脈沖丟失概率P不大于9.5%,設備尚可正常測量和分選。當平均脈沖寬度達到4 μ s時,則脈沖丟失概率P達到32%,信號處理設備很難正確進行分選。實際上,脈沖壓縮雷達的脈沖寬度往往在10 μ s以上,有些甚至達到幾百μ s,因此脈沖重疊概率很高。

上述計算模型和實際情況可能不完全符合,但至少可以作為分析的參考。不僅如此,脈沖重疊還會造成參數測量錯誤。前面已經提到,如果后一個脈沖和前一個脈沖首尾相接,則會造成前一個脈沖寬度測量值變大。而且,目前廣泛采用的延遲線式瞬時測頻接收機不能分辨同時到達信號,如果2個脈沖前沿發生重疊,或者它們前沿之間的間隔很小,在這種情況下,若2個脈沖幅度相當,則頻率可能測錯；若2個脈沖幅度相差大于10 dB,通常可正確測量幅度較大的脈沖頻率,丟失幅度較小的脈沖數據。脈寬或頻率的測量錯誤將會造成信號增批,脈沖數據的丟失則給信號處理造成困難,造成漏批,這些都是近年來電子偵察設備經常碰到的問題。

以上分析還是在假定周圍多部雷達的脈沖重復周期互不相關的前提下得到的,實際上,同種型號雷達的脈沖重復周期存在某種相關性,這將加大脈沖重疊概率。更有甚者,雷達為了反偵察,同一載體（比如一條艦船）上的多部雷達通常采取同步觸發技術,即令多部雷達發射不同頻率的脈沖前沿正好對齊,這樣,常規的單一信道電子偵察接收機就難以正確測量出各雷達信號。

3 應對的技術戰術措施

3.1 適當提高電子偵察設備的靈敏度

為了適應雷達技術的發展,提高電子偵察設備探測低功率雷達的能力,提高偵察靈敏度Pimin和天線增益Gi是十分必要的。目前傳統的寬開式模擬接收機的靈敏度Pimin通常在-60 dBm左右,受到噪聲和帶寬的限制,再要提高困難較大,通過下面的計算可以明白其中的原因。

式（7）為寬開式模擬接收機的靈敏度和檢波前的信/噪比的關系式:

式中:Pimin為電子偵察接收機靈敏度（dBm）；k為波耳茲曼常數,k=1.387×10-23J/K；T為絕對溫度,常溫按300 K計算；B為檢波前帶寬,若B取1 MHz為單位,則kTB=-114 dBm；F為接收機前置放大器的噪聲系數；L為饋線（含濾波器、限幅器等）損耗；S/N為接收機門限狀態下的檢波前信/噪比（dB）。

按目前的技術水平,饋線（含濾波器、限幅器等）損耗L典型值為3.5 dB,接收機前置放大器的噪聲系數典型值為3.5 dB,若按照8～18 GHz頻段的帶寬10 GHz（40 dB）計算,帶入式（7）得到:對于延遲線式瞬時測頻接收機而言,檢波前信噪比和視頻帶寬有關,而后者由最小可測脈沖寬度決定。由于通常要求最小可測脈沖寬小于50 ns,接收機視頻帶寬應當大于20 MHz。瞬時測頻接收機要求的保精度信噪比一般要求7～10 dB；不模糊（不出現粗大誤差）信噪比取決于延遲線組的配置和解模糊方式,一般要求為-1～3 dB,信/噪比過低則可能出現粗大誤差。若取0 dB作為靈敏度所要求的信/噪比計算,則由式（8）可以看出,寬開式瞬時測頻接收機的靈敏度Prmin上限的典型值為-67 dBm左右,尚不包含極化損耗-3dB和天線罩的損耗-1 dB。

至于天線增益,雖然多波束定向天線的增益較高,測向靈敏度較高,但測頻需要要全方位全截獲概率偵收,全向天線增益Gi一般在0 dB左右,難以進一步提高。

3.2 適當調整頻段的劃分

通常電子偵察設備的頻段劃分總是希望頻段覆蓋盡量寬,例如將2～18 GHz劃分為2～7.5 GHz和7.5～18 GHz 2個頻段,甚至 2～18 GHz 1個頻段來解決問題,這樣設備量較小。然而,面對大量脈沖壓縮雷達信號,會造成頻帶內信號重疊概率加大的困局,將頻段適當細分是一種有效的方法。比如說將傳統的2～18 GHz寬頻帶劃分成若干個子波段,每個子波段只有 2 GHz或4 GHz帶寬,或者根據實際雷達信號的分布進行針對性地劃分,這樣進入一個子波段接收機的信號密度將顯著減少,脈沖重疊概率也相應減少。而且由于每個子波段的瞬時帶寬下降,靈敏度也會相應提高。這些子波段可以采用并行工作方式,也可以采用單機時分工作方式。前者的成本較高,截獲概率也高；后者成本較低,截獲概率也降低。

這樣做的另一個好處是提高了設備抗干擾性能。當一個子波段受到強干擾,只影響該子波段的工作,其余子波段的工作并不會受到影響。

增加頻段的劃分會增加裝備的成本,但由于帶寬下降,部件性能有所提高,即使減少每個子頻段接收機的通道數量,也可達到同樣的測量精度。即為了降低裝備成本,不一定采用傳統的多波束比幅測向接收體制,這樣可減少接收機通道的數量,也有利于采用更加靈活的濾波措施來改善電磁兼容問題。

3.3 采用數字信道化接收技術

近年來寬頻帶數字化接收技術發展很快。通常所說的模擬接收機是對接收的雷達信號進行放大、檢波,利用信號的包絡進行檢測,它對檢波前的信噪比有較高要求,靈敏度難以進一步提高,而且對于重疊信號的檢測能力較差。而數字化接收機不用檢波器,將射頻信號放大、變頻到高中頻,直接進行高速采樣、從而保留了信號的相位信息。它對信噪比的要求較低,靈敏度較高。通過對高速采樣后得到的數字信號進行信道化處理,是解決脈沖重疊情況下頻率測量的有效方法。目前,中等帶寬的數字信道化接收機測頻技術已經比較成熟,瞬時帶寬達到1 GHz以上,其靈敏度可以提高到-85 dBm以上。為了實現寬頻帶偵收,可采用多個子波段并行工作。它是解決脈沖同時到達引起頻率測量錯誤的有效辦法,缺點是成本較高。

采用數字信道化接收機測頻雖然可以解決頻率測量設備的高靈敏度和脈沖重疊問題,若測向還采用模擬體制,仍然不能完全解決脈沖重疊的問題。將測向天線探測的信息直接進行數字化處理,是一種行之有效的方法。采用數字干涉儀技術實現全數字化的偵察接收,在不久的將來可望運用到艦載電子偵察技術領域。

此外,采用非相干積累也有利于電子偵察設備截獲信號。雖然不具備雷達發射信號的先驗信息,不可能象雷達那樣采用匹配濾波的方式進行相干積累,但是在特定情況下,如果事先知道所關注的信號在某個頻段和某個時間段內出現,那就可以對該頻段的信號加噪聲的包絡進行采樣。在一個適當的時段內,對采樣的樣本進行非相干疊加,然后與門限進行比較,這種方法也可以提高探測靈敏度。

3.4 充分利用多種信息來源進行融合

艦艇作戰是一種綜合體系能力的對抗。研究電子偵察接收設備時要同時考慮綜合利用多種信息來源,例如本艦的雷達探測信息和通信偵察信息,不能只考慮讓某一設備“單打獨斗”。比如,在密集的信號環境背景下,要克服信號增批問題,單純依靠電子偵察設備的信號分選往往比較困難,若利用本艦雷達探測到的目標信息進行融合,很容易幫助區分真實目標和增批信號。盡管擔心本艦雷達一發射會暴露己方目標,但是實際作戰時,本艦雷達不可能總是保持沉默,如果敵方目標飛向我方艦艇,將本艦雷達探測的數據和電子偵察設備偵察到的數據進行融合,自然可以從各種信號中判斷出真實的威脅目標。而且利用雷達的距離信息,結合電子偵察設備偵察到的頻率方位信息,決定何時進行無源干擾或有源干擾,這樣的效果比單純利用電子偵察設備收到的信息進行戰術決策要科學得多,至少可彌補電子偵察設備偵察得不到距離信息的缺陷。而且很多反艦導彈采用復合制導,導彈本身不一定輻射雷達波,單純靠電子偵察接收機就不能發現它,相反,通信偵察有可能接收到它與發射平臺之間的數據通信信號,這對于提前預警是有利的。

3.5 配合艦艇的隱身設計

從水面艦艇本身的發展來看,減小艦艇的雷達反射截面 RCS,提高艦艇本身的隱身水平,是一個重要趨勢。從式（3）可以看出,若艦艇的雷達反射截面RCS減小一半,電子偵察設備的偵察距離對于對方雷達探測距離的超越系數將加大1.41倍。顯然,對方雷達不容易看到我方,我方自然就容易看到它。艦艇隱身對于其上層建筑和桅桿,包括偵察天線的設計、結構、安裝位置等也提出了很高的要求。傳統的多個偵察天線座自成一體,安裝在桅桿的上部或兩側,這對艦艇隱身不利。艦艇的隱身設計要求減少天線數量,天線更加簡潔；采用天線和桅桿共形設計,外觀上看不到明顯的天線座；提高天線的匹配設計,減小駐波系數和反射,這些方法都有利于提高艦艇本身對于雷達的隱身能力。

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