復(fù)雜電磁環(huán)境中智能決策對抗技術(shù)的應(yīng)用

周偉江 ，秦大國 ，劉 甲

（1.航天工程大學(xué)，北京101416；2.中國人民解放軍92493部隊，北京101416）

0 引言

隨著新軍事變革不斷推進，戰(zhàn)爭形態(tài)由機械化向信息化轉(zhuǎn)變，復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境，正是戰(zhàn)爭形態(tài)演變的產(chǎn)物，并將隨著信息化戰(zhàn)爭的發(fā)展而發(fā)展，因此制電磁權(quán)的奪取就顯得尤為重要。雷達組網(wǎng)實現(xiàn)了全頻段、多體制、全空域、數(shù)據(jù)融合的監(jiān)控手段，實現(xiàn)了對目標的可靠截獲。面對復(fù)雜的電磁態(tài)勢，作為干擾對抗方，單一的窄頻段、單樣式、單雷達的干擾已經(jīng)不能滿足靶場試驗訓(xùn)練的系統(tǒng)性需求。

為能夠有效構(gòu)建逼近實戰(zhàn)的電磁對抗試驗訓(xùn)練環(huán)境，提出一種智能對抗干擾。該干擾不再僅僅依靠大功率電磁掩蓋目標回波而實現(xiàn)電磁突防，而是依靠對戰(zhàn)場電磁信號的方位、脈內(nèi)、脈間、功率等信息的偵收、分選，實現(xiàn)對戰(zhàn)場雷達位置、功能、狀態(tài)的識別，從而針對雷達的功能和狀態(tài)有針對性實時有效干擾，并根據(jù)雷達狀態(tài)的轉(zhuǎn)變判斷出干擾是否有效，將雷達反饋信息用于干擾決策修正。

本文討論了復(fù)雜電磁環(huán)境信號偵收分選的基本功能過程、智能干擾策略實施過程和干擾效果評估等。

1 復(fù)雜電磁信號分選過程

1.1 偵收分選系統(tǒng)主要功能

偵收分選模塊能夠在復(fù)雜電磁環(huán)境中對電磁信號進行識別和定位，能夠在已知特性輻射源數(shù)據(jù)庫的支持下，對未知電磁干擾信號進行存在性檢測判斷。在確定存在電磁干擾信號的基礎(chǔ)上，能夠?qū)﹄姶鸥蓴_信號參數(shù)進行測量，主要包括其工作頻率、到達角、信號帶寬、功率電平等一般類型的參數(shù)。

1.2 工作過程

為更加容易實現(xiàn)對多部雷達的分選，分選分為2個步驟，首先根據(jù)測向原理實現(xiàn)信號方位的分選；其次再針對潛在威脅方位進行信號分選。

通過對隨機交錯的信號進行去交錯處理分離出單部雷達的信號，從而可以得到所需雷達信號。電子設(shè)備發(fā)展初期，雷達偵查設(shè)備所處背景環(huán)境簡單，幾乎無背景噪聲，工作效率高、持續(xù)時間長，參數(shù)基本不變，對這種電磁環(huán)境不存在分選問題；20世紀70年代后，雷達和導(dǎo)彈武器的大量使用，各種警戒雷達、制導(dǎo)雷達和末制導(dǎo)雷達對目標的同時照射，從而產(chǎn)生的隨機交錯密集脈沖流對偵查設(shè)備工作造成嚴重干擾。為了完成對不同雷達信號識別分選，將隨機交錯信號去交錯就顯得尤為重要。

信號分選又分兩步完成分別是數(shù)字信道化接收功能和信號處理功能，數(shù)字信道化接收功能主要實現(xiàn)對信號的識別，產(chǎn)生PDW脈沖數(shù)據(jù)流。信號處理功能主要實現(xiàn)PDW數(shù)據(jù)的分選和處理。

在數(shù)字信道化功能部分，可首先對多路采集信號做數(shù)字信道化，例如在信道化過程中，數(shù)字信道化模塊將每一路輸入的數(shù)字信號分成128個信道，每個信道帶寬可設(shè)置為20 MHz。選擇其中一路采集數(shù)據(jù)作為信道監(jiān)測，信道監(jiān)測使用簡單的平滑門限檢測或者小波變換方法檢測，在信噪比較好的范圍內(nèi)均能比較好地完成信號檢測，而且可以實時完成。如果有信道過門限，讓開信號的上升沿后，對應(yīng)信道的信道監(jiān)測通知各信號選取部件選擇對應(yīng)的信道，送往下一級相位計算。相位計算采用改進的cordic算法，采用流水模式計算，效率較高并且便于實現(xiàn)。后端的頻率計算和相位差計算均在此基礎(chǔ)上采用一定的積累方式完成。

數(shù)字信道化模塊實際上就是利用可編程硬件實現(xiàn)多相濾波器，信道左右互為鏡像。數(shù)字信道化模塊將每一路輸入的數(shù)字信號分成多個信道。每個信道頻率作了歸一化處理。各信道的幅頻特性如圖1所示。

經(jīng)過信道化處理的信號，可在可編程硬件后端快速輸出PDW字，PDW字輸出主要輸出參數(shù)測量包括完成頻率（RF）、脈幅（PA）、脈寬（PW）、到達時間（TOA）及方位（DOA）測量。

經(jīng)過信道化處理后的只是將雜亂的模擬信號處理成雜亂的數(shù)字信號，還未實現(xiàn)信號的真正意義上的分選。

而信號處理就是完成雜亂數(shù)字脈沖的去交錯功能，對接收輸出的由多個輻射源形成的（PDW）脈沖數(shù)據(jù)流進行去交錯分選，提取出每一個輻射源的脈沖序列，分析輻射源的輻射特性，得到輻射源的特征參數(shù)，將特征參數(shù)用于干擾決策，引導(dǎo)干擾機實施干擾。

圖1 信道形成濾波器的頻率響應(yīng)

信號處理通過網(wǎng)絡(luò)（或Rapid IO作為備份）接收接收模塊送來的PDW，同時控制接收模塊的靈敏度、工作狀態(tài)等；分選結(jié)果通過DSP多核的共享RAM存入某個區(qū)域，由主核與上位機通過網(wǎng)絡(luò)通信：接收上位機送來的各種命令，同時將分選結(jié)果送上位機顯示。信號處理模塊包括預(yù)處理單元與復(fù)雜信號處理單元兩個部分。首先由預(yù)處理單元完成信號去交錯分選，再通過復(fù)雜信號處理單元完成信號的進一步分選與參數(shù)計算。

信號處理步驟如圖2和圖3所示，已有很多成熟方法，這里不展開論述。

以上是對單個樣式雷達進行分類形成單一模式的雷達EDW，但是實際情況下雷達會根據(jù)當(dāng)前對目標狀態(tài)不同，轉(zhuǎn)換為不同的波形，僅僅進行EDW分析，只能得到雷達狀態(tài)，而無時間關(guān)聯(lián)。

因此對雷達的隨著時間的關(guān)聯(lián)是形成雷達庫數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。

隨著被照射時間變化，將雷達EDW記錄為RD EDWTi，Ti表示雷達的狀態(tài)：

RD EDWTi={Name，RF，Bi，PW，PRI，PA，Pos}

Name表示雷達型號，不同位置的相同參數(shù)雷達認為是不同雷達；

RF表示雷達頻率范圍，對于跳頻雷達是一組數(shù)據(jù)；

Bi表示雷達雷達帶寬，包含雷達脈內(nèi)調(diào)制特征和帶寬；

PW表示雷達脈寬，包含雷達脈寬的調(diào)制規(guī)律；

PRI表示雷達的重復(fù)周期，包含雷達重復(fù)周期的調(diào)制規(guī)律；

圖2 信號處理分選流程

PA表示雷達的幅度，含有雷達脈內(nèi)變化特征；

Pos表示雷達位置，如果無法從時間積累上判斷出位置則表示雷達方位，相當(dāng)于DOA。

2 智能干擾策略實施過程

2.1 智能干擾策略主要功能

雷達干擾是在雷達偵查的基礎(chǔ)上，通過對敵情、我情和戰(zhàn)場環(huán)境分析判斷，選擇干擾目標、明確干擾時機、分配干擾任務(wù)、形成干擾方案，進而優(yōu)選方案的過程。干擾系統(tǒng)的干擾決策系統(tǒng)應(yīng)隨雷達環(huán)境和抗干擾技術(shù)的改變而及時自動智能修正，從而提供最佳的干擾決策。智能干擾決策代替人工干擾決策，不僅可以把決策者從對紛繁多變、蜂擁而至的信號流進行決策的繁重工作中解脫出來，并且能夠?qū)崿F(xiàn)完全自主決策和快速反應(yīng)的高效工作模式。

圖3 信號處理分選流程續(xù)

2.2 智能干擾策略工作過程

為能夠?qū)崿F(xiàn)對雷達的功能和狀態(tài)有針對性實時有效干擾，本文討論的干擾系統(tǒng)包含了干擾參數(shù)庫、知識庫和推理機等幾部分，如圖4所示。

圖4 智能干擾策略組成框圖

參數(shù)庫是干擾參數(shù)輸出的基本元素，主要包括雷達參數(shù)庫和干擾參數(shù)庫。參數(shù)庫的數(shù)據(jù)項由工作人員根據(jù)已掌握的資料輸入到計算機中存儲。以后不斷隨著作戰(zhàn)經(jīng)驗的豐富，加以補充和完善。知識庫主要是指干擾矩陣。干擾矩陣是各種雷達策略和干擾策略相互作用結(jié)果的定量描述，是雷達與雷達對抗雙方博弈的基本依據(jù)。最初的干擾矩陣是確定的，但是當(dāng)敵方雷達環(huán)境變化或干擾資源變化時，可根據(jù)實際情況變化和改進，不斷適應(yīng)當(dāng)前新環(huán)境達到最優(yōu)的干擾效果。推理機是整個決策的中心環(huán)節(jié)，類似人類大腦，主要完成對雷達信號的篩選、識別，然后依據(jù)干擾矩陣進行自主決策。

2.3 參數(shù)庫

參數(shù)庫是干擾參數(shù)輸出的基本元素，主要包含了雷達參數(shù)庫和干擾參數(shù)庫。參數(shù)庫中的雷達庫和干擾庫主要有兩方面來源，首先由工作人員根據(jù)已掌握的資料輸入到計算機中存儲。隨著作戰(zhàn)經(jīng)驗的豐富，由知識庫不斷修正參數(shù)庫中的雷達庫狀態(tài)和干擾庫參數(shù)。

參數(shù)庫中的雷達庫存儲狀態(tài)如圖5所示，隨著雷達EDW數(shù)據(jù)輸入對同一部雷達的RD EDWTi數(shù)據(jù)進行鏈接，EDW鏈接記錄了雷達狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變以及可能的各分支，雷達狀態(tài)由第一層開始默認為搜索狀態(tài)，雷達庫可存儲多個搜索狀態(tài)或多個跟蹤狀態(tài)，隨著Ti數(shù)值越大，威脅等級越大。

圖5 雷達參數(shù)庫和關(guān)聯(lián)狀態(tài)

參數(shù)庫中的干擾庫包含有各種雷達干擾樣式和參數(shù)，干擾庫不是獨立存在的，參數(shù)庫中的干擾樣式與雷達狀態(tài)的轉(zhuǎn)變進行關(guān)聯(lián)，干擾庫如圖6所示，在初始狀態(tài)下干擾庫中沒有雷達轉(zhuǎn)換后的狀態(tài)，默認干擾前和干擾后狀態(tài)一致，在經(jīng)過對抗訓(xùn)練時根據(jù)參數(shù)以及雷達狀態(tài)對干擾庫進行實時更新。

圖6 干擾庫關(guān)聯(lián)狀態(tài)

2.4 知識庫

知識庫有預(yù)先設(shè)定的，但是后續(xù)根據(jù)雷達狀態(tài)的變化，主要依據(jù)為雷達威脅狀態(tài)等級的變化從而判斷干擾有效性，是一個可定量描述有效干擾效果相關(guān)性的庫，可通過對知識庫的快速查閱得到最有效的干擾參數(shù)。

知識庫的來源主要推理機依據(jù)對抗訓(xùn)練中參數(shù)庫雷達威脅等級狀態(tài)變化記錄而來。知識庫可用干擾矩陣標識，干擾效果越好，干擾所用級別越小，如表1所示，記錄的是當(dāng)前雷達狀態(tài)下最優(yōu)的干擾樣式及參數(shù)。

對同一雷達狀態(tài)，橫向比較各干擾樣式參數(shù)得到與雷達干擾效果相關(guān)的特征參數(shù)，作為下一次引導(dǎo)干擾樣式的依據(jù),推理機可通過對特征參數(shù)分析得出影響雷達相關(guān)分析參數(shù)，進一步優(yōu)化干擾參數(shù)。

2.5 推理機

智能干擾系統(tǒng)可有效提取所偵察雷達信號特征參數(shù)，根據(jù)信號特征參數(shù)判斷當(dāng)前的雷達狀態(tài)，分析干擾效果，修正效果矩陣值，給出干擾樣式的決策結(jié)果。整個系統(tǒng)主要由信號篩選、雷達狀態(tài)識別和干擾樣式?jīng)Q策三環(huán)節(jié)組成。其中信號篩選就是將雷達信號的參數(shù)與雷達威脅庫中的數(shù)據(jù)比較，選出屬于雷達威脅庫中的信號，就不再單獨說明。這里主要討論雷達狀態(tài)識別和干擾決策兩個環(huán)節(jié)。智能干擾決策技術(shù)的流程圖如圖7所示。

表1 干擾效果矩陣

圖7 干擾決策流程

雷達在不同的工作狀態(tài)下，某些特征參數(shù)有一定的區(qū)別。從前面的分析可以看出，雷達在不同的工作狀態(tài)下，信號譜寬、調(diào)諧率、脈沖結(jié)構(gòu)等特征的差別最為突出。這些信號特征是識別雷達工作狀態(tài)的主要依據(jù)，而同一部雷達前后狀態(tài)的改變是判斷干擾效果的依據(jù)。

干擾樣式?jīng)Q策主要根據(jù)識別的結(jié)果，依據(jù)干擾知識庫，給出干擾樣式?jīng)Q策結(jié)果。干擾知識庫分為干擾樣式庫和干擾效果庫。

在干擾知識庫中利用干擾效果矩陣值表現(xiàn)干擾效果的優(yōu)劣。干擾效果值越大，干擾效果相對就越好；反之，干擾效果相對較差。干擾效果好的干擾樣式列在較前的位置；否則列的位置較后。總體上來說，選擇干擾樣式，就是要選擇針對當(dāng)前雷達工作狀態(tài)時的干擾效果最好的干擾樣式，也就是干擾效果矩陣對應(yīng)行中的干擾效果的最大且靠前的干擾樣式。

干擾效果矩陣隨著戰(zhàn)況實時修正，動態(tài)體現(xiàn)干擾樣式效果的優(yōu)劣。干擾效果矩陣的修正與干擾效果有關(guān)。某種干擾的干擾效果好，對應(yīng)的干擾效果矩陣中的值則需要增加；反之，如果某種干擾的干擾效果差，干擾效果矩陣中的值則需要減小。每次評估完干擾效果后，用修正因子修正對應(yīng)干擾樣式的干擾效果矩陣進行修正。修正因子應(yīng)滿足，該干擾樣式干擾效果好，修正因子大于零；干擾效果差，修正因子小于零。

在對干擾進行修正時，因?qū)走_啟用的抗干擾措施未知（除明顯波形改變外），推理機建立特征參數(shù)與雷達特征相關(guān)聯(lián)特征網(wǎng)絡(luò)，記錄下特征參數(shù)對雷達特征影響的相關(guān)性，如圖8所示，可通過對抗訓(xùn)練和結(jié)果的輸入得到相關(guān)性，用于引導(dǎo)后續(xù)參數(shù)的修正。

圖8 推理機干擾特征參數(shù)同雷達關(guān)聯(lián)

3 干擾效果評估

3.1 干擾效果評估方法及使用范圍

根據(jù)干擾決策原理，干擾效果的評估直接關(guān)系到整個干擾決策是否合理，也是決定戰(zhàn)場勝負的重要因素。干擾效果表現(xiàn)為：雷達及其作戰(zhàn)系統(tǒng)因受到干擾信號威脅致使整體作戰(zhàn)性能效能降低。采取有效的方法對系統(tǒng)作戰(zhàn)效能變化進行評估可稱為干擾的效果評估。檢測干擾效果的方法多種多樣。其中主要有功率準則、信息準則、概率準則等。

其中有些準則在干擾效果評估時被廣泛應(yīng)用。但都存在著不足之處，功率準則主要針對遮蓋性干擾，具有一定的局限性；信息準則只能估計干擾信號自身的優(yōu)劣，環(huán)境成份考慮過少，不能正確反映真實的干擾效果；概率準則主要針對欺騙性干擾，具有一定的局限性，且受欺騙概率不易獲得。

以上評估準則都是基于雷達方進行的，實戰(zhàn)環(huán)境中，干擾方無法直接獲得相應(yīng)的評估指標數(shù)據(jù)，本文建議采用作戰(zhàn)效果作為干擾效果的評判準則，基于干擾方對干擾效果進行評估。首先，作戰(zhàn)效果評估準則適用于系統(tǒng)對系統(tǒng)的對抗效果評估。其次，干擾機與雷達是非合作伙伴，干擾機無法獲得雷達信號處理端的信息，只能從總體上觀察雷達工作狀態(tài)的改變。

3.2 基于作戰(zhàn)效能實施干擾效果評估方法

根據(jù)雷達原理，雷達處于搜索狀態(tài)時，有效的干擾會遮蓋住目標信號，或產(chǎn)生假目標，使得雷達不能正確地檢測到目標信號，此時雷達發(fā)現(xiàn)不了目標，仍會處于搜索狀態(tài)，不會轉(zhuǎn)為跟蹤狀態(tài)，更不會轉(zhuǎn)為目標識別狀態(tài)；如果干擾樣式效果差，則不會影響雷達對目標信號的檢測，雷達檢測到目標后會轉(zhuǎn)為跟蹤狀態(tài)，對目標信號進行深入的探測，此時雷達對目標的威脅等級升高。

雷達處于跟蹤狀態(tài)時，此時實施有效干擾，雷達跟丟目標，會轉(zhuǎn)為失跟狀態(tài)，再重新對開展目標信號區(qū)域搜索，造成雷達威脅等級降低；干擾效果差的干擾樣式難以對雷達檢測目標產(chǎn)生影響；雷達對目標進行跟蹤監(jiān)視階段，當(dāng)目標被鎖定后，系統(tǒng)將對目標進行更深入的識別分析，此時雷達對目標的威脅等級升高。

當(dāng)雷達處于目標識別狀態(tài)時，此時實施有效干擾，會影響雷達的成像過程，使得相控陣雷達無法正確識別目標或成像，但是相控陣雷達轉(zhuǎn)為目標識別狀態(tài)時，就不會再改變工作狀態(tài)，所以此時選用靜態(tài)仿真條件下干擾效果最好的干擾樣式進行干擾；效果不好的干擾，不會影響雷達的成像過程，雷達會提取目標特征，對目標進行分類，此時雷達對目標的威脅等級最高。

綜上所述，可以看出干擾會給雷達系統(tǒng)工作帶來較大影響，一定程度上改變雷達工作狀態(tài)，工作狀態(tài)的改變在一定程度上體現(xiàn)干擾的效果，這也是基于非合作方干擾效果評估的依據(jù)。

4 結(jié)束語

隨著新軍事變革不斷推進，戰(zhàn)爭形態(tài)由機械化向信息化轉(zhuǎn)變，復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境，正是戰(zhàn)爭形態(tài)演變的產(chǎn)物，本文提出了一種可適應(yīng)戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境的智能干擾技術(shù)，主要從分選、干擾策略和干擾效能評估等方面討論了整個智能對抗干擾的原理，對戰(zhàn)場指揮決策具有一定參考價值。