現代電子戰仿真與測試的發展探討

屈進軍

摘? 要：介紹了國外電子戰測試機制。說明了國外基于商用現貨的方法。論述了不斷變化的相控陣雷達以及帶寬的挑戰，

關鍵詞：現代電子戰;仿真與測試;發展探討

0 引 言

電子戰是一個十分廣闊的領域，是從直流到可見光的電磁頻譜的戰斗，也是在現代戰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斗。冷戰結束以后，軍事信息領域的對抗非但沒有減少，反而愈演愈烈。20世紀80年代以來，戰爭的形態發生了巨大變化，即從傳統的“陸?？铡比S立體戰爭變成了“陸海空天電”聯合行動，信息戰、電子戰的研究方興未艾，歷時42天的海灣戰爭使電子戰的地位得到進一步提升。電子對抗已經變成決定作戰雙方勝負的關鍵因素之一，電子戰也從雙方單一裝備之間的對抗，發展到系統對系統、體系對體系間的對抗。隨著電子戰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場環境與作戰態勢的模擬，因此必須對包含雷達、通信及其對抗裝備的復雜電子戰環境進行模擬，通過單元仿真集成為綜合的電子戰模擬與仿真系統。

電子戰（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送的電磁（EM）信號，以收集有關敵方行動計劃或作戰能力的情報。

仿真電子戰系統在現場遇到的頻譜環境是一項極其復雜的任務：要在嚴格的預算下完成超乎想象的高效率且經過驗證的測試操作能力。

電子戰包括三個獨立的應用領域：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，如大功率阻塞技術和選擇性欺騙技術等，對威脅目標實施干擾，其優點是本方的系統不會像敵方一樣受到干擾。武器系統也屬于電子攻擊系統的一部分，例如高速反輻射導彈（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域，以及確保本方系統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。

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

電子戰系統的測試一直以來都是一項舉足輕重的工程挑戰，并且隨著電子戰系統的技術水平和預期性能的提高以及不斷增強的相控陣（AESA）雷達威脅而迅速發展。每種新型電子戰系統都將在試驗靶場上面臨最后一關，在這里必須測試系統在作戰使用中可能遇到的各種情況。但是，電子戰系統在進入試驗靶場前，首先要在具有復雜威脅環境模擬器的安裝系統測試設備中進行全面的評估。甚至在電子戰系統達到這些測試處理階段前，還必須先在系統集成實驗室和半實物的測試設備中完成許多測試。這些測試階段極其重要，因為測試期間能發現問題并使研發人員在轉向上述更昂貴的測試階段前解決問題。其目的就是要經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貨測試系統日趨成熟，現在已經成為成本高度敏感的電子戰開發環境的必備工具。

1 電子戰測試機制

由于試驗靶場非常少，幾乎一直處于“使用中”狀態，“預訂”測試時間如同預約頂級醫療專家一樣難。因此，國外一些主承包商和測試設備制造商迫于壓力，只好將仿真與測試盡量從試驗靶場轉移回實驗室。這就推動了對實驗室具備更復雜先進測試能力的需求。不管怎樣，由于這些基于商用現貨的仿真與測試平臺已經取得了長足的進步，所以現在的電子戰系統在面臨最終的驗證挑戰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備，在設計過程的早期進行絕大多數的仿真、測試和分析。必須進行大量測試，讓電子戰系統在最大帶寬范圍內經受最大容量信號的考驗，包括信號環境中頻繁變化的波形、干擾、已知的威脅以及其他動態變化的因素。

這種測試系統的能力是全面的，必須能正確模擬實時雷達脈沖特征、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， 脈沖重復頻率及模式

·每個脈沖的調制

·頻率和頻譜特征

·信號幅度

·雷達天線方向圖

·天線掃描方式

這些測試系統還必須能產生和動態改變輻射源類型，對模式的變化進行仿真并實現其他功能，與先進威脅系統（例如相控陣雷達）不斷增強的能力同步發展。

對于仿真測試工程師來說幸運的是，這種需要大型數/模數據庫、射頻和微波測試裝備（大多數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電子戰技術多年以來在研究開發和采辦預算中不受重視的局面。時間就是生命，而測試是系統研發耗時較多并且價格高企的部分之一，因此，業界加強了簡化測試的開發工作。想要通過增強實驗室部分的測試來達到目的，就必須了解需求是什么。

在測試過程中的各個環節需要使用不同類型的測試系統和測量方法。

首先在系統集成實驗室中使用獨立的商用儀器執行測試，例如頻譜分析儀和網絡分析儀、示波器和信號生成設備。當進入到硬件在環階段，需要應用自動化程度更高的設備以構建所需的頻譜場景，同步測量和記錄結果。等到進入功能齊全的系統測試中心，通常會使用量身定制的大型測試系統來構建所需要的高度復雜且不斷變化的頻譜環境。在戶外測試階段，可以使用從現成的儀器到定制的自動化系統等各種設備進行測試。

在復雜的電磁環境中執行電子戰測試，還可以使用更先進的多發射機仿真器;但是對于簡單和高度重復的系統集成，硬件在環測試，或雷達警告接收機/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測試。

2基于商用現貨的方法

一種基于實驗室的閉環電子戰仿真與評估系統包括以下主要特征：

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

·系統能在盡可能短的反應時間內對波形進行數字化、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”的信號環境。

圖1 一種基于商用現貨的綜合電子戰仿真與評估系統的組成。

截獲威脅并對其分類是一項艱巨的工作，需要經年累月對信號情報進行搜集、利用與分析，從而構建包含了特定雷達系統的極其詳細信息的數據庫，如友方的、敵方的和疑似敵方的雷達系統信息。所幸由于美國國防部長期致力于數據搜集，這樣的數據庫已經建成并持續更新。

然而，威脅“前景”處于持續變化的狀態，因為世界先進軍事技術不斷產生新的威脅雷達和雷達波形，一些先進雷達在作戰期間能夠實時（脈沖到脈沖）改變現有波形。因此，識別出全部可能存在的威脅是不現實的，先進電子戰系統必須依靠高速數字信號處理能力和軟件實時動態生成對抗手段。

為了產生能反映實際情況的仿真威脅環境，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生信號波形或波形序列，可以非常有效地仿真威脅環境。離散的任意波形發生器（AWG）或矢量信號發生器（VSG）可以實現合成信號的重構。

在電子戰系統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，卻減輕了在較復雜威脅環境發生器上以及在安裝系統測試設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，是試驗靶場的補充而不是替換。他們的好處是閉環系統，使設計者們能完全控制研發期間所需要的測試、評估及“優化”，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不斷變化的相控陣雷達

由于兩種不可控變數的存在，任何測試設備制造商、軟件銷售商、主承包商或其他機構都不可能產生針對電子戰系統仿真與測試的理想解決方案。第一個變數是技術的變革，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準配置。主導這些進步的是所有電子戰和雷達系統的核心組件：模-數轉換器（ADC）、數-模轉換器（DAC）、FPGA、GPU和通用處理器。

第二個變數是對手們每年也在加速取得技術進步。尤其是相控陣雷達。多模式相控陣雷達正在進入世界上許多國家的軍隊。這些雷達常常表現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的功能外，相控陣雷達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生多個子波束（每個子波束在不同頻率上發射信號），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射功率以免受到探測，采用包括各種擴譜技術在內的多種調制樣式，在一些扇區以被動方式工作而在其他扇區以主動方式工作，還有許多其他特征。

也許最令人驚異的是相控陣雷達日益增強的這種能力：搜集到足夠多的目標相關信息就能推算出該目標的雷達截面積，從接收到的回波信號可得出發動機調制和通道效應，能有效產生目標的三維圖像。相控陣雷達利用存儲的已知目標信息，能識別出正在跟蹤的飛機類型以及飛機配置的電子戰和電子對抗能力。這一切使得相控陣雷達具有明顯的優勢。

4帶寬的挑戰

電子戰測試中使用的大多數先進商用現貨儀器的性能通常必須等于或優于待測的電子戰系統，達到這個要求是儀器制造商的首要目標。最使人畏縮的挑戰之一是帶寬似乎將無限增大。電子戰系統覆蓋了寬廣的頻率范圍，雷達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。如今這種情況已經顯著改變了，因為現在的雷達系統帶寬一般能達到1GHz或甚至2GHz，預計2020年前帶寬將擴大到4GHz。

雷達信號和工作帶寬的每次進步都會全面影響電子戰系統，波及到系統的所有功能。例如，較大的帶寬和較快的采樣率明顯增加了電子戰系統必須采集和處理的樣本數，而系統的處理容量和速度是有限的。電子戰系統采集的數據（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）的固態存儲器和高速系統總線。

記錄帶寬為2GHz的信號，即使時間很短也會產生幾百萬兆字節數據，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助下能分選出感興趣的信號，只傳送那些選中了（數量更少因此數據量更?。┑男盘柕狡渌男盘柼幚砥鬟M行更詳細處理。然后，電子戰系統必須做出響應，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，因為響應時間“窗口”受控于敵方威脅系統。因此，不管電子戰系統必須處理多少數據，它仍然只有相同的限定時間來進行處理。

反應時間是影響電子戰系統性能的另一個關鍵因素，它對于模擬電子戰系統性能的測試系統同樣重要。反應時間來源于信號處理設備引起的延時和將數據從一個功能模塊傳輸到另一個功能模塊（或從一臺儀器到另一臺儀器）引起的延時。在電子戰系統設計中，盡可能縮短反應時間是絕對有必要的，因為響應時間是以微秒為測量單位。所以，即使逐漸縮短反應時間也是受歡迎的?？s短電子戰測試系統的反應時間也很關鍵，通過選擇高速通信總線以實現系統內點對點數據傳輸可以極大縮短反應時間。目前有代表性的是PCI快速總線（PCI），它已經發展成能更好地集成進PC環境并能提供高達幾千兆字節/秒的通用傳輸率。

有效應對更大帶寬和更短反應時間提出的挑戰，以及對其他諸如無雜散動態范圍（SFDR）和轉換器分辨率這樣很重要參數的測量，對于電子戰仿真系統設計與電子戰系統自身設計來說都同樣重要。

5結束語

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

任何基于商用現貨的測試解決方案都不是完美無缺的，雖然使用了設備和軟件，這種測試系統還是像待評估系統一樣復雜。然而，這種方案對于實現更高性價比的研究、測試、開發與評估（RTD&E）的目標是一致的，因為測試系統是一次性購買并在多次測試電子戰和雷達系統時分期付款的，所以必定會在未來得到更廣泛的使用。

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