隱形雷達LPI性能評估方法探討

?

隱形雷達LPI性能評估方法探討

羊彥1，牛振喜2，惠帥帥1，侯靜1

(1．西北工業大學電子信息學院，陜西西安710072; 2．西北工業大學科學技術管理部，陜西西安710072)

摘要:實現雷達LPI性能的途徑有:波形設計、能量管理、低旁瓣技術、頻譜展寬、相干接收等多個方面。但是，要保證這些LPI技術在戰時的有效性，需要建立規范化的評估體系對其性能進行評估。分析了雷達電子戰對抗雙方中雷達與ESM的博弈規律，并以ESM當前技術水平為依據，提出了針對隱身雷達LPI評估方法，旨在規范日趨復雜的電子環境中雷達抗截獲/抗識別的技術發展途徑。

關鍵詞:隱形雷達; LPI; ESM;性能評估;截獲因子;復雜度因子

雷達是現代信息化戰爭條件下的核心裝備，也是戰場上首要被攻擊目標。從近年來發生的幾場局部戰爭中可以看出，凡是被敵方偵察發現的雷達，很難逃過其物理攻擊，在雷達“四抗”中，“抗摧毀”已經突出上升為第一位的威脅。

為了改善雷達的LPI性能，近年來，我國相關研究院所在該領域開展了廣泛的研究，并取得了多項技術成果。那么，這些LPI技術在戰時是否有效?要回答這一問題，需要探索雷達LPI性能的驗證、評估方法，并把握該技術相對性和時變性。

然而，LPI技術的有效性是相對于雷達電子戰中“電子支援系統(ESM)”而言的，ESM系統的截獲能力、識別能力決定著雷達LPI性能的有效性，它的發展影響著隱形雷達的發展方向，是一對“矛”和“盾”的關系。因此，雷達隱身性能的驗證必須緊跟ESM技術的發展水平。

本文針對多種機載雷達LPI措施的性能評估問題，揭示了雷達LPI與ESM之間博弈的規律，指出了雷達LPI性能評估模型與ESM的內在聯系，并給出了LPI性能評估模型及其指標體系、評估規范及驗證的構建方法，以及雷達LPI性能評估的“資源環境”及軟件構架等。這些研究的結論可用于規范隱形雷達衡量標準，促進雷達低截獲性能的提升，使其能適應未來戰場的實際需要。

1　低截獲雷達國內外發展水平及趨勢

1．1國內外LPI技術發展水平

1)美國的隱形火控雷達

美國的F-22“猛禽”戰機采用了隱形有源相控陣AN/APG-77雷達，其核心技術在于:使用擴譜技術，采用特殊調制形式在寬頻帶里發射低能量脈沖，使得對方的ESM系統難于察覺;接收時，信號處理器將這些信號進行相干處理，使得目標反射回來的總能量等同于常規雷達，不影響它的探測能力［1］。

2)俄羅斯的隱形火控雷達

俄羅斯改進的MIG-31飛機，已經實現機載多基地隱形有源相控陣雷達系統。它采用了戰術編隊(1架發射，多架接收)和空空數據鏈的方法，實現了戰術態勢共享和“后我發射”的戰場態勢［1］。

3)我國“隱形火控雷達”情況

我國在隱形火控雷達的研制方面已經獲得突破性進展，使得多功能機載相控陣雷達LPI技術已經進入實用階段。前不久報道的隱形飛機J-20成功試飛也從一個側面證實了我國的LPI技術水平。

1．2LPI技術及其發展趨勢

體現雷達LPI技術發展趨勢體現在如下方面［2-4］:①寬帶/超寬帶相控陣技術;②雙/多基地雷達探測技術;③一體化探測技術;④寬帶、低副瓣相控陣天線設計技術;⑤低截獲概率(LPI)波形設計技術。

2　ESM截獲機技術國內外發展動態

ESM截獲接收機技術的發展狀態主要體現在如下3方面:①雷達信號參數獲取;②基于脈沖描述字(PWA)、特征匹配的信號分選和識別。

2．1雷達信號參數截獲技術發展現狀

1)雷達參數的提取

雷達信號參數提取任務包括對常規參數諸如脈寬(PW)、脈幅(PA)、到達時間(TOA)、到達角(DOA)和載頻(RF)的提取，以及特殊參數諸如包絡特征參數、脈內調制參數和其他參數。上述參數中，對載頻的測量一般是使用瞬時測頻技術，對精度要求較高的場合還要在中頻運用FFT進行精確測頻。對于脈寬、脈幅和到達時間的測量主要在時域進行，通過A/D量化測得。脈沖包絡特征參數指的是上升沿時間、下降沿時間等包絡形狀參數，該參數的測量需要較高的信噪比和較寬的瞬時帶寬。脈內調制參數的測量現在使用的方法還都局限于時頻分析、小波分析等計算量較大且耗時的分析算法上。目前對脈寬和脈幅的測量精度一般較低，還難以用于高精度的信號分選和識別中;而對到達時間和載頻的測量相對較準確且速度較快，所以這兩個參數也就成為了現在最主要的信號分選參數。

2)偵察接收機技術的現狀

目前，國外的ESM接收機頻率范圍一般為0．5 ～18 GHz，能覆蓋絕大部分現役雷達的工作頻段，靈敏度大都在－60～－80 dBm。在接收機的動態范圍內每秒鐘可接收25～100萬個脈沖信號，前端截獲概率達到50%時，其截獲時間約為1．5～3 s。測向定位系統可提供的最優雷達測向精度為2°均方根值。

3)接收機技術的發展動向

①對綜合體制雷達實施偵察的技術

目前，國外已經展開對低截獲概率雷達、脈壓/捷變頻、捷變頻脈沖多普勒、頻率分集/變重頻變脈寬以及大帶寬低峰值功率等綜合體制雷達實施偵察的技術的研究，并已取得成效。

②利用偵察機對目標進行無源定位技術

這種技術與有源定位方法相比，作用距離遠、隱蔽性好，在電子戰環境下的生存能力強。

③相控陣雷達的偵收技術

相控陣雷達的數字波束形成接收機是采用數字技術實現瞬時多波束及實時自適應處理的裝置，它在形成瞬時多波束的同時，能對干擾源自適應調零并得到超高分辨率和超低旁瓣的性能［5］，它是一種極為優良的雷達反對抗體制，是目前各國進行雷達對抗的重點領域。除此之外，還有基于數字接收機的空間譜估計測向及高精度參數測量技術、利用對流層散射對雷達信號實現超視距偵察的技術等。

2．2分選與識別技術國內外發展現狀

2．2. 1信號分選技術

信號分選也稱去交織，指的是把混合雷達脈沖序列分解成獨立的多個脈沖序列(每個脈沖序列對應某一特定雷達的脈沖序列)。

1)常用的分選方法簡介

目前常用分選方法有如下3類［6］:①基于到達時間的信號分選方法，累積差直方圖法(CDIF)是現在使用最多的方法，該方法是傳統直方圖方法和序列搜索法的結合，在低密度、簡單信號情況下，一般能夠完成信號分選工作。序列差直方圖法(SDIF)是其改進模式。②基于DOA，RF和PW等的多參數信號分選方法，亦稱“聚類”方法。該方法先根據單脈沖參數(DOA、RF和PW)把全脈沖序列分成幾個類，然后對每個類再用基于到達時間的信號分選方法再進行分析。但該方法較難適應諸如脈沖重頻抖動和參差，頻率捷變等復雜波形。③自適應、聯合分選與識別信號分選方法。自適應分選方法增強了容錯能力但降低了效率，該法同樣無法適應復雜體制雷達;聯合分選是對自適應分選方法的改進，在信號分選中使用了輻射源庫的先驗信息。

2)基于信號理論的新分選方法

隨著信號處理理論的進展，新的分選方法不斷涌現。例如:基于粗糙集理論的相控陣雷達信號分類算法，它利用了相控陣雷達信號波束特征的特殊性，通過篩選而得到相控陣雷達信號脈沖。另外，還有應用復雜度特征實現低信噪比下未知復雜雷達信號的高準確率分選方法、利用加權系數對信號特征參數值進行加權并實現信號數目估計的新算法、基于脈沖樣本圖的信號分選算法等。

2．2. 2雷達信號識別技術

1)基于特征匹配的雷達識別技術

特征匹配指的是把一個未知的雷達描述字與輻射源庫匹配的過程。由于大量復雜體制雷達的出現，這種方法的性能急劇下降。隨著人工智能技術、人工神經網絡技術(ANN)、專家系統、模糊邏輯和進化算法等在雷達輻射源識別中，它們比傳統的特征匹配算法提高了識別性能。

2)針對相控陣雷達的識別技術

目前，相控陣雷達已成為各國雷達發展的主流。由于相控陣雷達信號的參數內容多，結構復雜，組合方式靈活易變，以及合理的信號能量分配管理和超低旁瓣，且RCS反射面積小，使得常規ESM很難截獲此類雷達信號，從而發展了如下分選和識別的技術和方法［7］。

數據率變化的識別:相控陣雷達根據完成的功能不同，目標位置的遠、近，目標的重要程度、威脅等級，而采用不同的數據率，從而提供了對其識別的依據。

雷達多波束形成變化的識別:多波束形成是相控陣雷達的主要技術特點之一，從而也提供了此類雷達的識別途徑。

脈幅變化的識別:相控陣雷達波束方向改變非常靈活，但在同波束方向上同組脈沖串脈幅基本沒有變化，在不同波束方向上脈沖串脈幅有明顯的差別，如果有此特征則可能是相控陣雷達。

脈寬及脈內特征變化的識別:由于相控陣雷達基于信號能量的合理分配，對不同的目標位置、目標的重要程度、目標的數目或者不同的工作方式，采用不同的能量分配形式，這也是識別此關雷達的重要依據。

3　雷達LPI性能評估的技術途徑

經過近些年的發展，我軍在實驗設計理論與方法的研究上已取得了較大的進展。然而據調研，目前還沒發現有關雷達電子對抗作戰仿真實驗設計問題的專項研究。這方面的缺失，導致LPI技術研究可能偏離規范化、科學化。

參考已有的關于作戰仿真實驗設計的研究成果，是建立雷達電子對抗仿真實驗系統的正確途徑。在進行這一工作的過程中還須解決如下基礎性問題:①深刻理解雷達對抗作戰雙方博弈的焦點，理解LPI性能評估的體系結構和ESM發展水平的相關性，以便建立開放型、可更新的指標體系。

②要有全局觀點，使得LPI性能評估的系統可以作為分支嵌入到雷達系統仿真中去，也能面向用戶，對LPI單項技術進行驗證。

③要考慮到驗證體系所需的資源環境，充分搜集建立LPI波型庫、博弈方法庫、分選識別算法庫所需的技術資料，搜集專家經驗數據資料，以保證評估特性的完備性，驗證結論的客觀性。

3．1構建隱形雷達性能評估框架模型

3．1. 1“截獲”與“反截獲”博弈焦點的研究

隱形雷達的特征是:當它在探測、跟蹤目標的過程中，盡量使對方不能檢測到其發射信號(基本的LPI性能) ;即使檢測到，也只能是部分信息，使其難于識別。與此相反，ESM截獲接收機則以“對雷達信號捕獲、識別”為目的。雙方的這種“截獲”與“反截獲”博弈關系是“LPI性能評估”的基礎。

在雷達電子戰中，“截獲”是被攻擊的必要條件，但是攻擊的有效性取決于截獲信息的充分性——全信息或部分信息。如果對方獲得的雷達信息完成了檢測與識別的全過程，其攻擊將是有效的，否則將是無效的或部分有效的。

在現代電子戰中，盲目的干擾就等于自我暴露，因此一般不敢貿然采取行動。而部分信息的暴露仍給雷達留有發揮效能的余地;因而“抗識別”也是“研究LPI性能評估”的另一個依據。

因此，LPI性能評估規則的制定，必須緊密結合當前國際電子戰中ESM系統技術發展水平，否則將在未來戰爭中難以發揮作用。本文研究的技術路線是:深入研究國內外雷達信號截獲接收機發展現狀與趨勢進行分析，研究“截獲”與“反截獲”博弈的焦點，從而建立務實的LPI性能評估體系。3．1．2基于層次分析法的評估框架研究

1)層次分析法簡介

雷達系統效能評估的方法主要有專家打分法、仿真法、層次分析法、主成分分析法等。經過論證，層次分析法更貼近于本項目涉及的LPI性能評估模型。

層次分析法(analytic hierarchy process)簡稱AHP方法［8］，是20世紀70年代中期美國T．L．Seaty所創立，在作規劃、政策分析、方案評價等方面應用很廣。該方法的主要特征是把復雜的問題分解為若干個組成因素，將這些因素按從屬關系分為層次結構。專家評比時只需要對各因素進行兩兩比較，確定同一層次中諸因素的相對重要性，然后綜合專家的判斷決定各因素相對重要的順序。因此，用該方法來決定各因素在效能評估時的加權系數值是最合適的，這比在很多因素中憑經驗定出加權系數更科學。利用這種方法進行作戰能力評估時還必須進行一致性檢驗，因為是采用2個因素對比的方法進行的，如果因素太多，有可能出現矛盾的評價［9］。

2)評估框架結構的構建

評估框架構建的途徑主要包括:構建層次結構，構建兩兩比較判斷矩陣，計算相對權重，進行一致性檢驗等4個步驟［9-10］。基于層次分析法的低截獲性能評估的結構模型圖如圖1所示。

圖1　雷達LPI性能評估指標體系結構

3．2評估框架中指標體系的賦值

1)低截獲性能評估指標體系

該模型分為5級結構，具體涵義如下:

①目標層(A) :機載雷達LPI性能驗證;

②子目標層(B) :涉及“抗偵收能力”、“抗分選能力”2個分支，關鍵詞分別為截獲因子α和波形復雜度因子δ;

③準則層(C) :涉及6種有效的LPI措施，其中涉及截獲因子α的有4種，如:脈沖壓縮、天線隱形、接收機措施、功率管理;涉及抗分選能力的2種，如:信號偽裝、復雜組合信號等內容。

④子準則層(D) :該層是對準則層6項措施的細化，共15項，涉及波形設計、波束控制、發射功率管理以及雷達接收機專項技術等。

⑤指標層(E) :該層是對D層15項指標的解釋，每項指標2個賦值，共30項。

2)賦值方法

圖1中，B、C、D層的賦值來自于如下3個方面的綜合——試驗數據，專家打分和計算機仿真數據; E層數據主要來自于計算機仿真和實測數據的綜合。指標的賦值須建立更新機制，融入最新的雷達、ESM技術性能指標。具體實施程序如下(見圖1) :

·構建基于層次分析法的指標體系;

·在同層中構建兩兩比較判斷矩陣;

·計算相對權值;

·進行一致性檢驗。

在上述數據處理過程中，須完成如下工作［11］:①指標參數歸一化:指標參數歸一化就是把指標體系的各參數(定性或定量)，通過數學變換成能進行統一處理的過程，克服了參數量綱不同對處理和比較帶來的困難。當前對于參數的規范化處理通常為區間比值法、效用函數法和標準差法等。本文采用非線性S型可導函數歸一法，以便突出參數的飽和特性。②指標參數聚合:本文采用層次分析法進行指標聚合，有利于實現定性與定量相結合，簡化了相互關系，方便了上一層指標的合成與計算。

3．3LPI性能評估所需“資源環境”的構建

這里的“資源環境”是指在評估、判決過程中所必需波形/環境資源、博弈方法資源以及當前ESM系統具備的能力資源等，是評估所必需的條件。其具體內容包括: LPI波形庫、能量管理與攻防博弈模式庫、分選與識別工具庫等資源環境。

1) LPI波形庫

主要包括:脈壓/編碼信號、PCSF復合參數信號，PRT交織參差脈沖串信號，誘導脈沖信號和基于Costas序列的頻率捷變等組合波形等波形設計方案;以及在HPRF、MPRF、LPRF工作模式下的最優波形以及受干擾的應急情況下的“低截獲”波形等。

2)能量管理與攻防博弈模式庫

它主要包括如下2個方面的內容:

①時/空/頻/能量域四維資源管理與調度規范;

②基于雷達“反截獲”的博弈規則。這些資源用以驗證雷達的反偵察能力。其工作原理是:仿真系統針對“攻、防雙方的”技術水平以及相互間的耦合因素，通過仿真程序，可從時域、空域、頻域和能量域給出資源管理與調度的優化博弈方案;進而，可求得針對特定ESM系統的“反截獲”能力。

3)分選與識別工具庫

雷達信號分選與識別是指從偵察接收機輸出的隨機交疊脈沖流中分離出各部雷達信號并予以識別的過程。本項目用該工具庫確定被分選對象的難易程度，是判定LPI波型復雜度因子的重要依據。

目前雷達信號分選的主要方法有模板匹配法、直方圖法(CDIF、SDIF)、聚類分析技術等，它利用雷達的載頻(RF)、脈寬(PW )、信號到達角(D0A)、到達時間(T0A)和脈沖幅度(PA)，以及利用脈內調制方法的“指紋”模版等數據進行分選和識別。該工具庫按分選能力的高低分為3個子庫，每個子庫還包含“識別置信度”及“復雜度因子”的賦值，是驗證雷達低截獲特性的基礎。

3．4實驗與驗證

本文實驗與驗證內容包括截獲因子的驗證和基于抗分選、識別的信號復雜度因子的驗證等兩個方面，驗證條件涉及評估框架模型的構建、指標體系的論證及賦值、試驗驗證規則的制定以及與評估驗證相關的“資源環境”的建立等。在驗證條件完備的前提下，按照如下驗證規則進行。

1)截獲因子的驗證

如圖2所示，在給定LPI波形后，α的計算分3步完成。截獲因子α中各項參數的確定必須緊扣當前國際ESM技術的發展水平，并適時修正下面計算項的取值，以便保證驗證的有效性。

圖2　截獲因子的估算流程

2)抗分選、識別的信號復雜度因子δ驗證

圖3　雷達信號的驗證方案

圖3所示，在選定LPI信號和與其比對的參考信號后，分2路處理并比對。在相同的ESM截獲條件下，分別將2種信號進行分選處理，其結果可以從分選成功概率、識別結果的置信度以及分選識別時間等3個方面進行對比，從而給出該波形復雜度的評價，并評判所設計信號的LPI性能。

4　結語

本文針對多種機載雷達LPI措施的性能評估問題，揭示了雷達LPI與ESM之間博弈的規律，指出了雷達LPI性能評估模型與ESM的內在聯系，并給出了LPI性能評估模型及其指標體系、評估規范及驗證的構建方法，以及雷達LPI性能評估的“資源環境”及軟件構架等。這些研究的結論可用于規范隱形雷達衡量標準，促進雷達低截獲性能的提升，使其能適應未來戰場的實際需要。最后，給出了試驗驗證的途徑及方法，旨在規范日趨復雜的電子環境中雷達抗截獲/抗識別的技術發展途徑，具有重要的理論價值和軍事意義。

參考文獻:

［1］陳次兮．實現“先視、先射、先毀”——再談研制隱形雷達的緊迫性［J］．中國電子科學院學報，2011，6(6) : 576-580，596 Chen Cixi．A Study on the Urgency of Invisible Radar Development to Realize Discovery，Launch and Destruction before Enemies［J］．Journal of CAEIT，2011，6(6) : 576-580，596 (in Chinese)

［2］賁德．機載有源相控陣火控雷達的新進展及發展趨勢［J］．現代雷達，2008，30(1) : 1-4 Ben De．Latest Status＆Development Trends of Air Borne AESA Fires-Control Radar［J］．Modern Radar，2008，30(1) : 1-4 (in Chinese)

［3］Griffiths Hugh．Multistatic．MIMO and Networked Radar: The Future of Radar Sensors［C］∥European Microwave Week，Paris，Sept，2010: 81-84

［4］Northrop Grumman．AESA Radar Revolutionary Capabilities for Multiple Missions［EB/OL］．http:∥www．es．northrop gruman．corn /solutions /ae8aradar/assets/review-aesa．pdf，2009

［5］袁海杰．相控陣天線數字波束形成淺述［J］．火控雷達技術，2003，32: 31-36 Yuan Haijie．Digital Beam Forming in Phased Array Antenna［J］．Fire Control Radar Technology，2003，32: 31-36 (in Chinese)

［6］姜勤波，馬紅光，楊利鋒．脈沖重復間隔估計與去交織的方正弦波插值算法［J］．電子與信息學報，2007，29(2) : 350-354 Jiang Qinbo，Ma Hongguang，Yang Lifeng．Estimation of Pulse Repetition Interval and Deinterleaving Based on the Square Sine Wave Interpolating Algorithm［J］．Journal of Electronics＆Information Technology，2007，29(2) : 350-354 (in Chinese)

［7］謝正巧，陳新年，羅進．相控陣雷達信號識別的研究［J］．信息化研究，2010，36(12) : 37-40 Xie Zhengqiao，Chen Xinnian，Luo Ji．Research on Signal Recognition for Phased Array Radar［J］．Informatization Research，2010，36(12) : 37-40 (in Chinese)

［8］陶玉犇，耿松濤，王梟．電子對抗作戰仿真實驗設計研究［J］．兵工自動化，2013，32(1) : 15-16，23 Tao Yuben，Geng Songtao，Wang Xiao．Research on Electronic Warfare Operational Simulation Experiment Design［J］．Ordnance Industry Automation，2013，32(1) : 15-16，23 (in Chinese)

［9］楊玉貴，程俊東，周悅，等．基于現象的機載電子對抗能力評估［J］．火力與指揮控制，2012，37(11) : 184-186 Yang Yugui，Cheng Jundong，Zhou Yue，et al．Airborne Electronic Countermeasures Capability Evaluation Based on AHP［J］．Fire and Command Control，2012，37(11) : 184-186 (in Chinese)

［10］宋飛，趙法鎖．地下工程風險分析的層次分析法及MATLAB應用［J］．地球科學與環境學報，2008，30(3) : 292-296 Song Fei，Zhao Fasuo．Application of Analytical Hierarchy Process and MATLAB Program for Risk Analysis of Underground Engineering［J］．Journal of Earth Sciences and Environment，2008，30(3) : 292-296 (in Chinese)

［11］張金哲，韓曉明．基于改進AHP法的飛機超視距作戰能力評估［J］．火力與指揮控制，2009，34(10) : 159-163 Zhang Jinzhe，Han Xiaoming．Over-the-Horizon Air Combat Capability Evaluation of Fighter Plane Based on Moified AHP［J］．Fire Control＆Command Control，2009，34(10) : 159-163 (in Chinese)

Discussing Methods of Evaluating LPI Performance of Stealth Radar

Yang Yan1，Niu Zhenxi2，Xi Shuaishuai1，Hou Jing1

(1．Department of Electronics Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China 2．Office of University Research，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China)

Abstract:Radar is the core equipment under the conditions of modern information technology，and is the primary target which may be attacked for competing for the right of information on the battlefield．So“anti-destruction”of radar has risen to first importance，and the feature of“low probability of interception”(LPI) is a prerequisite for the ability of anti-destruction．At present，the methods of realizing LPI performance are: waveform design，energy management，low side lobe technology，spectral broadening，coherent reception，etc．However，to ensure the effectiveness of these techniques of LPI in wartime，we need to establish a standardized assessment system to evaluate its performance．This paper analyzed radar electronic warfare using the game rules of both radar and ESM and gave the evaluation method of LPI performance of stealth radar on the basis of the current technical level of ESM for regulating the way of technology development of anti-radar intercept / anti identification in increasingly complicated electronic environment．

Key words:stealth radar，LPI; ESM，performance evaluation，intercept factor，complexity factor，analytic hierachy process，antenna lobes; antenna phased arrays; design; efficiency，electronic warfare，energy management，environmental impact assessments，evolutionary algorithms，flowcharting; fuzzy logic，information technology，neural networks，probability，radar，radio frequency identification(RFID)，stealth technology，targets，waveform analysis; artificial neural networks，ESM，game rules，low probability of interception(LPI)，stealth radar; time of arrival(TOA)，waveform design

作者簡介:羊彥(1970—)，女，西北工業大學副教授，主要從事基于低截獲概率雷達的電子對抗技術工作。

收稿日期:2014-10-20基金項目:航空科學基金(20132053024)資助

文章編號:1000-2758(2015) 02-0284-06

文獻標志碼:A

中圖分類號:TN955．1