雷達反空間電子偵察的干擾方法研究

林 鈺，余 強，畢大平

（1.桂林長海發展有限責任公司，桂林541000；2.電子工程學院，合肥230037）

0 引 言

現代高技術條件戰爭中，電磁空間己經成為繼陸、海、空、天之后的第5維空間。未來戰爭中如果沒有制電磁權，那么制空權、制海權、制天權甚至地面作戰的主動權將毫無保障。電磁空間主動權爭奪的核心就是偵察與反偵察的斗爭，因此必須依靠各種偵察與反偵察裝備和手段獲得信息優勢，才能保證贏得戰爭的主動權。

電子偵察是指對敵方的電磁輻射源發出的電磁信號進行搜索、截獲、分析、識別、定位和評估等，從而確定這些裝備或系統的類型、用途、工作規律、所在位置等信息。其根據偵察手段可分為雷達對抗偵察、通信對抗偵察和光電偵察等［1］。雷達對抗偵察作為重要的情報偵察手段之一，其設備的工作頻率覆蓋0～40GHz，正向140GHz擴展，截獲概率已接近100%，信號環境適應能力100萬脈沖／s。它包括用于平臺自衛的雷達威脅告警、電子戰支援偵察（ESM）和電子情報偵察（ELINT），能為本方作戰計劃的制定提供重要的信息。因此，雷達信息受到前所未有的威脅，但目前雷達干擾系統主要的作戰對象都是各種體制的有源雷達，并無專門以電子偵察系統為作戰對象的干擾系統。從電子防御的反偵察角度，本文重點研究對空間電子偵察裝備的攻擊方法，通過對其進行電子干擾達到破壞其工作效能的目的，為保護己方雷達情報提供可行的途徑。

1 空間電子偵察裝備的發展現狀及組成原理

1.1 空間電子偵察裝備的發展現狀

國外許多國家已部署了雷達對抗偵察裝備，如電子情報偵察衛星、偵察飛機和地面偵察系統等，能夠定期或者不定期對敏感地區進行偵察，為其制定作戰計劃提供重要的依據［2］。

電子偵察衛星已經成為獲取電子情報的重要手段，一般部署在500～600km高度的較低軌道上，不易受地形、氣象等條件的限制，偵察范圍廣，獲得情報多，其頻率覆蓋范圍可達0.5～20GHz，覆蓋了大部分雷達的工作頻率。美國、俄羅斯、法國和英國等都已經擁有電子偵察衛星，其中以美國的電子偵察衛星功能最強，陣容最齊全。美國自1962年5月發射了世界上第1顆電子偵察衛星以來，至今已經發展到第5代。20世紀90年代初研制的第4代典型裝備——“軍號”電子偵察衛星，運行在大橢圓軌道上，它使用了當今航天領域最先進的電子、天線和數字傳輸技術，可同時監聽上千個地面電子信號源。美國還在研制具有一定隱身特性的“徘徊者”靜止軌道電子偵察衛星和“奧林匹亞”（SB－WASS）低軌道電子偵察衛星。

美軍的各種戰術偵察飛機、無人機以及地面機動偵察站都裝備有電子偵察裝備，主要進行電子戰支援偵察和告警。美國現役的主要電子偵察機有RC－135V／W 和 EP－3EⅡ等。RC－135V／W 飛機能收集世界上多種預警、制導雷達的技術參數，其測量脈寬精度可達±0.1μs、方位精度可達±1°。

另外，周邊國家和地區一直重視發展信號情報偵察能力，積極建立自己的信號情報體系。日本自衛隊已經建立了若干地面電子偵察站，并裝備有YS－11、EP－2J、F－4EJ等信號情報飛機和具有信號情報能力的預警機。為進一步提高其信號情報能力，還向美國購買了3架EP－3C情報搜集飛機，用于對海上艦船和地面輻射源進行監視、偵測、記錄、分析。另外，韓國、印度、東南亞諸國及臺灣地區也都具有地面、海上和空中信號情報能力，其中韓國、印度和臺灣地區分別裝備有波音707、EP－3C和EC－130信號情報飛機，并各自建有多個信號情報偵察站［3－4］。

1.2 電子偵察系統的組成原理

偵察接收設備主要用于截獲、分析和存儲敵方的雷達信號參數和工作規律等信息，一般由偵察天線、偵察接收機、信號處理和顯控終端組成，如圖1所示。

圖1 現代雷達對抗偵察設備的原理組成

雷達對抗偵察設備對輻射源信號進行偵察的工作過程：由偵察天線接收其所偵測空間的電磁信號，經偵察接收機和測量單元，實現對該批信號的參數測量，形成脈沖描述字（PDW），再由信號處理部分經算法處理進行分選和識別，最后進行顯示控制和記錄［5］。

2 干擾的可行性分析

2.1 偵察系統自身弱點分析

從偵察系統本身的設計和處理流程來分析可能存在的薄弱環節，為下文的干擾方法分析提供依據。下面重點對其采用的典型技術弱點進行分析。

2.1.1 測頻體制弱點分析

現代電子戰接收機種類繁多，但總的說來尚無一種接收機能滿足電子偵察的所有要求。雷達對抗偵察接收機的發展主要分為模擬接收機和數字接收機2個階段［6］。

在模擬階段，主要有晶體視頻接收機、超外差接收機、瞬時測頻接收機（IFM）、信道化接收機［7］等。這些接收機現在裝備中仍在廣泛使用，但是不足之處是容易導致信號的頻率和相位等精細信息丟失。

數字接收機階段，其發展歷程大致為3個階段：

（1）基帶信號的數字化處理階段，也就是視頻數字化階段。視頻數字化接收機需要與其它的模擬設備配合工作，雖然提高了雷達信號偵察接收機的偵察能力，但無法獲得信號的脈內信息，很難適應日益復雜的電磁環境。

（2）中頻信號的數字化處理階段，直接將中頻信號進行數字化處理，使用數字下變頻的方法變為基帶信號，這樣就能夠保存信號的頻率和相位信息。

（3）射頻信號的數字化處理階段，由于高速模／數轉換器（ADC）價格昂貴，功耗較高，一些關鍵性參數較低等的不利因素制約著射頻信號數字化處理技術的發展，并未得到廣泛的應用。

無論模擬還是數字方法測頻都存在自身的弱點。瞬時測頻接收機只能測量單載頻信號且對于同時到達信號不能夠準確測量任一載頻值；信道化接收機頻域截獲帶寬較寬，但是寬帶信號在相鄰信道輸出或者受到噪聲干擾容易引起測頻錯誤；超外差接收機截獲概率較低，對于寬帶雷達信號的截獲概率較低；數字接收機中的部分數字測頻方法對于信噪比要求較高，受到噪聲干擾時測頻誤差較大，這些都為對偵察系統實施干擾提供了可行的突破點。

2.1.2 測向接收機弱點分析

測向接收機主要對信號源的入射角度進行測量，典型的測向方法主要有振幅法、相位法和時差法。其中振幅法測向［7］技術主要有最大信號法（波束搜索法）、雙波束脈沖比幅法測向［8］和全向振幅單脈沖測向技術等。相位法測向技術：單基線相位干涉儀測向［9］，此種技術存在相位模糊的缺陷，隨后出現的測向技術很好地克服了這一點，如余數定理解模糊、虛擬基線法、無模糊長基線干涉儀測向、立體基線法［10］。時差法測向［11］技術中的短基線時差測向基本原理是根據電磁信號到達2個或多個站的時間差來對輻射源的方向進行測量。

數字測向技術是將測向天線陣與數字接收機相結合，信號的信息將保留在被量化后的數字中：一種是通過對數字信號處理來獲取輻射源的幅度、相位和時間信息，從而得到信號的方向參數；另一種則是譜估計法，比如最初的空間譜估計是時域傅立葉分析在空域的直接擴展形式，這類方法存在分辨力不高和虛假分量等缺陷［12］。

幅度測向方法中的搜索法測向系統由于瞬時工作空域較小，不能滿足偵察系統的寬開空域偵察的要求，故較少在空間偵察系統中使用，且測向精度較差。比幅測向系統能夠對空域進行360°全向覆蓋，在偵察截獲系統中較為常用，但是由于測向原理是通過比較2個或者多個通道中的信號因相位差而引起的幅度差而實現測向，對于復雜電磁環境中存在的多信號或者干擾的情況下，測向誤差將會增大。時差法測向同樣是通過測量脈沖到達時差引起的相位差而實現測向，對于脈沖配對和時差測量精度要求較高，同樣在多信號和噪聲干擾情況下測向誤差將會增大。干涉儀測向是通過頻率到相位的轉換實現鑒相，達到測頻的目的，該方法同樣受到多信號和噪聲的影響。數字方法測向主要是通過對數字信號的復雜計算來實現高精度測向，不適用于實時性要求較高的偵察系統，故不予討論。

2.1.3 信號分選弱點分析

雷達信號分選是指將雷達偵察接收前端送來的密集交疊的脈沖流分離成屬于各個雷達的脈沖序列，進而得到雷達相關參數的過程。簡單來說，信號分選就是一個去交疊、去交錯的過程。典型的多參數雷達信號分選流程一般可分為兩部分：首先是雷達信號的預處理，包括已知輻射源的匹配與扣除，到達方向（DOA）、脈沖寬度（PW）、雷達頻率（RF）聯合分選，預處理的目的是為了稀釋脈沖流，為主分選做準備；第二步是主分選，包括脈沖重復周期（PRI）分選、跳頻雷達和參差雷達識別、剩余脈沖處理，主分選的目的就是將相同參數的雷達識別出來。

早在20世紀70年代，Campbell等人就開始了復雜信號環境下的信號分選算法研究，傳統的信號分選技術主要包括最近鄰分類器、參量范圍匹配法、統計評估技術和試探法等。20世紀80年代之后，Rogers等人開始研究高密度復雜信號環境下的實時信號去交錯處理算法。在高密度復雜信號環境下，不同輻射源脈沖在時域上交錯到達，利用脈沖到達時間（TOA）進行基于PRI脈沖去交錯處理一直是信號分選處理算法研究的熱點。累積差直方圖（CDIF）算法是對PRI分選進行了深入研究，在傳統直方圖分析方法的基礎上結合序列搜索算法提出的。時序差直方圖（SDIF）算法，是對CDIF算法進行改進，這種算法在運算速度和防止虛假目標方面做了較大改進。趙仁建等在1997年提出了用于密集信號分選的平面變換技術的概念，這種技術將密集射頻脈沖信號分段截取并逐行在平面上顯示，通過平面顯示寬度的變換，得到表征信號特征的調制曲線［12］。2000年，Nishiguchi等人將TOA的復值自相關積分方法進行了改進，稱其為改進的PRI變換算法［13］。

從以上介紹的各種分選方法來看，其核心是時域參數TOA，通過時域的不同處理方法來實現同部雷達脈沖信號的分選。所以對于截獲脈沖信號的TOA和雷達自身信號的相關性要求較高，一旦出現測量誤差或者雜亂虛假脈沖則會使分選錯誤。平面變換等復雜算法由于耗時較長并不適合于實時性要求較高的ESM系統。

2.2 干擾配置及干擾功率分析

在雷達工作過程中，雷達信息不可避免地被空間偵察設備截獲偵收，這樣需要在雷達周圍布置針對空間偵察設備的干擾系統來保護己方雷達信息不被正確偵測，以達到反偵察的目的。但是干擾配置需要考慮2個問題：進入偵察系統的干擾功率能否強于雷達信號；干擾信號覆蓋雷達信號工作頻率時，空間偵察設備的反射波能否對雷達造成干擾。

圖2 干擾系統配置示意圖

3 對空間雷達對抗偵察的干擾方法分析

對雷達的干擾，通常是在搜索、截獲雷達信號并測得信號的方位、頻率等關鍵參數后，再引導干擾系統對目標進行干擾。而作為作戰對象的空載平臺ELINT／ESM系統本身不輻射電磁信號，對于干擾系統來講，空載平臺ELINT／ESM系統的瞬時工作狀態是未知的，無法直接引導干擾系統對目標進行干擾，因此需要深入考慮，從被保護對象——雷達的工作參數和狀態方面來設置相關干擾參數。本節討論的干擾方法主要是針對雷達對抗偵察系統自身的弱點進行有針對性的干擾。

干擾其對雷達單個脈沖PDW的有效獲取。

3.1 對頻域參數測量實施干擾

頻域參數主要是信號的載頻信息，對于頻域開窗類的測頻方法（如超外差接收機和信道化接收機）可以采取噪聲干擾來降低信噪比，使其截獲概率和測頻誤差（如窄帶噪聲干擾、梳狀譜噪聲干擾、噪聲掃頻干擾等）。在梳狀譜干擾中，通過對干擾源進行設置，使得干擾信號的頻點設置與己方雷達工作頻率相關，雷達信號和干擾信號能夠同時進入偵察系統，采取N個頻點正弦信號合成梳狀譜干擾信號：

式中：An為干擾信號幅度；fn為梳狀譜中干擾信號的頻點；tj為干擾時間。

其干擾效果較為良好［14］。對于頻域轉換的測頻方法如IFM，則可以針對鑒相器實施干擾（如噪聲干擾、重疊脈沖干擾或連續波干擾等）。采取步進數為N ，信號波形為Scw（t）＝Acwcos（2πfcwit＋φ0），（iT≤t≤（i＋1）T）的步進頻率連續波（SFCW）對己方雷達信號進行全時域覆蓋（其中，Acw為發射信號幅度，fcwi為第i（1≤i≤N）個頻點對應的頻率，T 為點頻持續時長），IFM接收機處理同時到達的信號會遇到很大的困難，以此來達到干擾的目的［15］。

數字化接收機主要由接收和采樣兩部分組成，由于其采樣體制的先進性，導致傳統的干擾方法很難對其產生影響。而接收部分，則可以通過增大干擾信號功率與雷達信號功率的比值，使接收部分無法正確檢測，達到干擾的效果。以單比特數字接收機為例，其檢測概率與接收機量化位數以及核函數的取點數有關，采用強弱信號交替的方式［16］。根據實驗驗證得知，當干信比達到8dB時，強信號完全掩蓋弱信號，只有采取較高的量化位數。但是這會導致運算量的增加以及算法難以實現，不利于測量。所以，對于數字化接收機，利用噪聲干擾降低其信噪比也是一種可行的措施。

3.2 對時域參數測量實施干擾

實際的脈沖信號包絡波形是一個近似梯形脈沖，不會和理想脈沖波形一樣與坐標軸垂直，會有一定的傾斜角度，如圖3所示。下面以單個實際脈沖包絡為例，來分析脈沖信號的幾個重要參數［17］。

脈沖幅度（PA），即脈沖包絡最大值和最小值的差值，在脈沖描述字中，脈沖幅度是一個重要的參數，它的測量直接影響到其它參數的測量。脈沖寬度（PW）測量需要確定一個臨界點，來確定計算開始時間和停止時間。一般根據所測量的脈沖幅度，取脈沖幅度為50%的點為臨界點，脈沖后沿到達時間和前沿到達時間之差即為脈沖寬度。脈沖的到達時間（TOA），偵察系統所測量的到達時間是指雷達信號被偵察截獲時所對應的系統時間，這個觸發點是截獲脈沖幅度的半幅度點。因為脈沖有上升沿和下降沿，所以也有2個到達時間，分別稱為前沿到達時間和后沿到達時間。

圖3 單個脈沖包絡示意圖

影響脈沖包絡的因素主要有噪聲、接收機濾波器帶寬、檢波算法和多徑效應等。這樣對偵察系統實施干擾時，可以采用噪聲干擾和相干重疊脈沖破壞雷達的包絡，進而對時域參數進行干擾。這樣對TOA的干擾將直接破壞信號分選的條件，使分選結果出現嚴重錯誤。

3.3 對空域參數測量實施干擾

對于輻射源定位是進行干擾的前提條件，故空域參數是偵察系統的重要性能指標。通過上文對于測向方法弱點的分析，振幅法、相位法和時差法測向都不能同時處理多個信號，且對噪聲較為敏感。根據實驗［18］得知，當干擾源功率與雷達功率相同時，測量結果會變成兩者夾角中間的值，故可以對測向系統實施噪聲干擾或通過與己方雷達協同發射相干信號進行欺騙干擾，使接收機出現虛假測向。測向結果將直接影響輻射源定位的準確度，使偵察系統無法對輻射源準確定位。

4 結束語

雷達電子防御已經成近些年研究的重點內容，其中針對雷達截獲系統的反偵察技術得到了重視。但是以空間電子偵察系統為作戰對象的干擾技術在公開文獻中較少研究。本文以此為出發點，在重點分析電子偵察系統的原理和技術的基礎上，針對其技術弱點提出有針對性的干擾方法，為下一步研究提供了可行的思路。

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