基于報文數據的雷達偵察系統偵察能力評估

李波波 幸濤

摘 ?要：電子戰環境日益復雜，從以前的信號信息的簡單提取，到如今的包括雷達信號主/副瓣信息在內的精細化測量與分析，對雷達偵察系統的功能性能和戰場感知能力提出了更高的要求，文章提出了一種新方法，它以偵察報文數據為分析對象得到雷達方向圖，以此評估雷達信號主/副瓣偵察能力，此方法進一步挖掘了報文數據，提煉出更多的有效信息，進一步實現輻射源指紋識別，促進評估系統的真實性能。

關鍵詞：雷達偵察;副瓣偵察;試驗與評估

中圖分類號：TN971;E933 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）23-0054-05

Evaluation on Reconnaissance Capability of Radar Reconnaissance System Based on Message Data

LI Bobo1，XING Tao2

（1.The 27th Research Institute of CETC，Zhengzhou ?450047，China;

2.Military Representative Office of Air Force Equipment Department in Zhengzhou，Zhengzhou ?450047，China）

Abstract：Along with the electronic warfare environment is increasingly complex，from the previous simple extraction of signal information to the fine measurement and analysis including the information of radar signal mainlobe/sidelobe at present，the higher requirement on the function performance and battlefield perception ability of radar reconnaissance system is put forwarded. This paper proposes a new way，which gets the radar directional diagram by detecting message data as analysis objects，and evaluates the reconnaissance ability of radar signal mainlobe/sidelobe on this basis. This way further digs message data，extracts more useful information，and further realizes radiation source fingerprint identification to promote the real performance of evaluation system.

Keywords：radar reconnaissance;sidelobe reconnaissance;test and evaluation

0 ?引 ?言

基于雷達的電子戰（Electronic Warfare，EW）系統已成為現代戰爭中不可或缺的要素。電子戰中，任何一方都希望己方雷達在有效探測對方目標的同時，盡可能不被對方偵察和截獲，以占據戰爭的主動權并提高自身的生存機會，在雷達探測到對方目標的同時，對方截獲到雷達波的可能性小。隨著雷達天線技術的更新升級，使得雷達發射的波束更窄、副瓣更低以及信號功率管理控制更精確，從而大大提高了雷達偵察系統對雷達信號的偵察難度[1]，尤其是對副瓣信號的偵察。在復雜和高密度的電磁環境中，要求電子偵察設備能準確地進行信號識別、分選，精確地估計頻率、方位及其他技術參數，確定輻射源的位置、活動頻率和威脅等級[2]。

軍事代表室和二十七所在軍民融合領域長期合作。雙方合作共同進行了某某機載雷達偵察系統的試驗與評估，雙方在其試驗設計過程中總結了新的評估方法，通過對獲取的偵察報文數據進行處理，分析得到相應測量結果并從中分選出主瓣和副瓣信號的結果，評估機載雷達偵察系統的雷達信號主/副瓣偵察能力和性能，特別是副瓣偵察。偵察報文數據的持續時間長、信息內容豐富，而且報文數據量相對信號全脈沖采集要小，易于分析，同時，分析偵察報文能夠更直觀的了解信號偵察的全過程和其他偵察信息。在此將部分的成果進行總結、歸納，為后期其他對抗系統的試驗評估提供新的方法。

1 ?雷達輻射與雷達偵察系統

1.1 ?雷達天線輻射特性

幾乎所有的雷達天線都是有方向性的，并以某種方法在角度上掃描波束。通常輻射方向圖的縱坐標表示歸一化的作為角度函數的增益，主波束在0°，主波束之外的方向圖的剩余部分是旁瓣區域（即副瓣或旁瓣），如圖1所示。

雷達信號的輻射特性跟雷達發射天線有關，不同類型的雷達天線，其輻射方向圖大體一致，圖2為某相控陣天線輻射方向圖的仿真示意圖，旁瓣輻射是來自天線的輻射而非由主瓣輻射出的輻射。天線的最高副瓣通常是鄰近主瓣的第一副瓣。由波導喇叭饋電的典型的拋物反射面天線可能具有-23～-28 dB的峰值副瓣。專門設計的陣列天線，-40～ -50 dB的峰值副瓣是可能的。小于-50 dB的峰值副瓣有時候叫作超低副瓣[3，4]。

1.2 ?雷達偵察系統

無源偵察定位指的是偵察設備不向被探測目標發射無線電信號，只通過接收電磁波信號對目標做出偵察定位的一項技術，它是電子對抗的一個重要組成部分。由于沒有向目標發射信號，無源定位不同于雷達，不會首先暴露自己，也不會招來諸如反輻射導彈這樣的進攻性武器的攻擊，因而，從一開始就成為一項受人關注的技術。通過無源定位綜合其他的偵察設備，一方面使偵察設備發揮更好的功效，另一方面解決單個偵察設備在一定意義下無法解決的問題。無源定位使用的是電子偵察接收機，它不發射信號，只有在目標處有無線電信號發射時，它才能接收信號，并以此作為全部處理、產生定位結果的基礎。

雷達偵察信號分選與識別是雷達對抗中一個重要的組成部分，它處理的信號是雷達接收機送來密集交疊的脈沖流。信號分選指的是從這種隨機交疊的脈沖流中分離出各個雷達脈沖列并選出有用信號的過程;信號識別是指通過信號分選，然后對分選出來的脈沖進行特征參數提取，識別出空間中各種不同體制的雷達以及它們的參數。隨著技術的發展，信號的分選和識別已經沒有嚴格意義上的區分，往往在對雷達信號分選的同時就實現了對雷達的識別;反之信號的識別結果反饋到分選中，又提高了分選的效率和準確率。因此，分選與識別已經不再是兩個獨立的過程，也不僅僅是簡單的串行關系。要實現雷達偵察信號的分選與識別，首先要對雷達脈沖信號進行特征參數提取。雷達脈沖信號參數主要分布在時域、頻域和空域上。

現代電子支援偵察接收機對這種交錯脈沖串進行處理，以識別每個脈沖的脈沖描述字，包括它的中心頻率、振幅、脈寬、到達時間以及到達角。此后該脈沖描述字在一個脈沖分選處理器中進行處理，將該脈沖串提取出與各輻射源相對應的脈沖重復間隔，然后與存有已知雷達類型的輻射源數據文件進行比較，產生按威脅特性分類的輻射源清單。

2 ?數據處理基本方法

2.1 ?坐標轉換

2.1.1 ?大地坐標系轉換為大地直角坐標系

假設空間一點目標在大地直角坐標系中的坐標為（X，Y，Z），在大地坐標系中的坐標為（L，B，H），則在已知目標的大地坐標時，求解目標的大地直角坐標公式為[5]：

（1）

式中：L為經度;B為緯度;H為大地高程;為子午橢圓的第一偏心率，e1=8.181 919 084 262 2× 10-2;N= ;a為地球參考橢球的長半徑，a=6 378 137.0 m;b為地球參考橢球的短半徑，b=6 356 752.0 m。

2.1.2 ?大地直角坐標系轉換為測量直角坐標系

假設空間一點目標在大地直角坐標系中的坐標為（X，Y，Z），在測量直角坐標系中的坐標為（x，y，z），且測量站觀測天線中心點在大地直角坐標系和大地坐標系中的坐標分別為（X0，Y0，Z0）和（L0，B0，H0），則在已知目標的大地直角坐標時，求解目標的測量直角坐標公式為：

（2）

其中，

（X0，Y0，Z0）為測站測量天線中心的大地直角坐標;（L0，B0，H0）為測站測量天線中心的大地坐標（經度、緯度和大地高程）。

2.2 ?誤差分析方法

參考GJB-4345-2002的“脈沖信號的測量能力”數據處理模型，假設樣本量為n，具體分析方法為：

（1）當測頻誤差用絕對值表示時，按式3計算第i個頻率點的測頻誤差Δfi：

Δfi=|fci-fzi| ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

其中，Δfi為設備第i個頻率點的測頻誤差，單位為MHz;fci為設備第i個頻率點終端顯示的射頻信號頻率，單位為MHz;fzi為射頻信號源第i個頻率點輸出信號頻率，單位為MHz;i為頻率測試點（i=1，…，n）。

比較全部Δfi的值，其最大值即為用絕對值表示時設備的測頻誤差Δf。

（2）當測頻誤差用均方根值表示時，按式（4）計算設備的測頻誤差σf：

（4）

其中，σf為設備的測頻誤差，單位為MHz;fci為設備第i個頻率點終端顯示的射頻信號頻率，單位為MHz;fzi為射頻信號源第i個頻率點輸出信號頻率，單位為MHz;i為頻率測試點（i=1，…，n）。

另外，此模型同樣適用于分析脈沖信號的脈沖寬度、脈沖重復周期等其他參數測量能力。

3 ?雷達的主/副瓣偵察性能分析與評估

3.1 ?主/副瓣偵察性能分析

本章節主要對多種類型雷達模擬輻射源的偵察報文進行處理，類型包括地面預警雷達、目標指示雷達、導彈制導雷達、機載預警雷達和機載火控雷達，給出相應主瓣偵察和副瓣偵察的分析評估結果。

評估性能的主要指標有：雷達類型、頻率覆蓋范圍、主/副瓣最大偵察距離以及相應的信號參數測量精度（頻率、脈寬、重復周期等）、測向精度等;此外，本文使用機載雷達偵察系統的慣導數據和模擬輻射源位置數據，通過坐標轉換計算得到輻射源相對偵察系統載機的方位、距離等測向、定位基準，輻射源的脈沖信號參數作為分析測量精度基準。

3.2 ?對地面雷達偵察

通過解析某地面預警雷達的偵察報文數據，給出部分的信號幅度與偵察時間的二維曲線圖，如圖3所示，從圖中可以看出，信號幅度在時間域上有較為明顯的周期性規律，本文對報文數據中的信號幅度數據依據一定原則進行統計分析，進而得到基于偵察報文數據的雷達方向圖，分析原則有：

（1）選取多組信號幅度峰值為主瓣信號。

（2）計算相鄰幅度峰值對應的偵察時間差，作為掃描周期樣本。

（3）對比掃描周期樣本，剔除偵察時間差超出±30%的異常值，計算平均值得到雷達掃描周期。

（4）根據雷達掃描模式，以樣本信號幅度峰值為中心，相鄰幅度峰值間的偵察數據時間換算為相應的雷達掃描方位。

此外，偵察數據上報的信號幅度為非連續的離散值，從而統計得到的雷達方向圖相對實際方向圖會存在一些誤差，但不影響其分析的正確性。

通過對偵察數據的處理，得到雷達方向圖如圖4所示。對比雷達天線輻射方向圖仿真結果，我們能夠看到報文數據由于上報策略的原因在精度上產生了一些誤差，但我們仍能從變化的曲線中區分出雷達信號的主/副瓣信息。此外，從統計結果曲線上，我們看到除了主瓣信號引起曲線的幅度起伏外，相近位置存在不明原因的起伏，隨后，作者通過勘察雷達輻射源附近的地形地貌，找到了引起幅度曲線出現異常起伏的原因，即雷達輻射源附近存在高度較高、外形平滑、金屬構架的建筑物，在雷達掃描過程中雷達波照射到建筑物時，建筑物對雷達輻射的高功率信號造成了反射，且建筑物反射面和載機的連線，與雷達波入射方向成一定夾角θ，反射的雷達波指向載機航線方向。因此，作者對雷達輻射源、建筑物和載機飛行航線的位置進行模擬對比，雷達照射建筑物方向與載機方向的方位差，和方向圖內起伏位置與主瓣的方位差相同，分析結果印證了作者的設想，如圖5所示。

將雷達方向圖轉為極坐標圖，得到極坐標下的雷達方向圖，如圖6所示，其中，實線代表載機航線，虛線代表雷達波傳播方向。，從圖中能夠直觀地看到雷達主/副瓣信號和建筑物反射引起一定方位上的信號幅度起伏。

下文對偵察報文數據率進行統計分析，如圖7、圖8所示，圖7是按距離區間統計相應數據率的占比，圖8是從整個報文數據中統計相應數據率占比的統計結果。能夠看出，主/副瓣偵察距離均大于300 km，偵察報文數據的數據率明顯呈增大趨勢，各距離區間相比較，1 s以下的數據率占比逐漸下降，6 s以上數據率占比逐漸升高。隨著偵察距離的增大，數據率隨之增大。

得到雷達方向圖后，將報文數據按雷達主瓣和副瓣進行分類，通過對比基準數據，本文分別得到雷達偵察系統對此地面預警雷達掃描周期為10.1 s，主/副瓣偵察相應的頻率精度為0.31/0.35 MHz、脈寬精度0.05/0.10 μs、重復周期精度0.80/0.90 μs、測向精度為1.5/1.9°，最大偵察距離>300 km。

3.2 ?主/副瓣偵察能力評估

本文通過統計雷達偵察系統對地面雷達的偵察結果，并進行匯總和統計，如表1所示，得到系統而直觀的分析結果。

通過統計分析結果，能夠評估此偵察系統的偵察能力，此系統具備對不同類型雷達信號的偵察能力，此機載雷達偵察系統能夠測量雷達的掃描信息，雷達信號的參數測量精度和輻射源測向精度較高，同時信號測量能力、測向精度、副瓣偵察距離等滿足指標要求，主瓣偵察性能略好于副瓣。尤其，通過創新的方法能夠從偵察數據中得到相應雷達的方向圖，從中清晰的辨別和分選雷達信號的主瓣和副瓣信息，使得分析雷達的主/副瓣信號變得更為直觀和高效，也增加了分析、評估的準確性，同時得到偵察系統對應信號主瓣、副瓣的偵察性能。

另外，隨著偵察距離的增大，對雷達信號的偵察出現漏脈沖現象，數據率隨之增大。不同頻段的雷達信號偵察分析結果進行橫向對比，隨著雷達信號頻率的升高，空間等因素造成雷達信號傳播的衰減增大，使得偵察到的信號幅度和分析得到的方向圖誤差變大，分析和評估難度也隨之增大。

4 ?結 ?論

量化和有效地評估雷達偵察系統的雷達信號主/副瓣偵察能力，成為研究偵察系統試驗中的新方向，同時，此方法能夠應對周期性掃描的雷達偵察。若偵察系統具備副瓣偵察能力，能夠實現在更大的距離上進行偵察，則能大大豐富系統的應用場景、提高其生存能力，尤其是環境中低信噪比雷達信號的接收與分選。

創新的方法以偵察報文數據為基礎，分析得到雷達方向圖，評估雷達信號主/副瓣偵察能力，挖掘報文數據的同時，提煉出更多的有效信息，豐富地評估系統的真實性能。經分析此方法是有效且可行的，另外，如果評估對其他頻段或類型的雷達，只需獲取相應的偵察數據，即可對其偵察能力進行詳細評估。

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作者簡介：李波波（1988—），男，漢族，河南焦作人，工程師，碩士，主要研究方向：雷達與電子對抗系統研究與評估。