低截獲概率雷達(dá)信號偵察技術(shù)

胡新宇，張鐵軍，王 昀

（1.中國航天科工集團8511 研究所，江蘇 南京210007；2.陸軍裝備部駐上海地區(qū)航空軍事代表室，上海200000）

0 引言

電子偵察系統(tǒng)用于截獲敵方輻射源發(fā)出的電磁信號，并對其進行識別、分析和定位，完成對戰(zhàn)場電磁環(huán)境態(tài)勢的感知，具有抗打擊能力強、作用范圍廣、隱蔽性高等優(yōu)勢，是現(xiàn)代軍事偵察不可缺少的重要手段。隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，各國都在使用大量采用了低截獲概率（LPI）技術(shù)體制的雷達(dá)設(shè)備，其特點是采用低功率、大帶寬、大時寬、復(fù)雜調(diào)制等手段，使得傳統(tǒng)的電子偵察系統(tǒng)難以對其進行感知。

針對LPI 雷達(dá)的信號特點，本文提出了一種低截獲概率雷達(dá)信號偵察技術(shù)，通過采用多維聯(lián)合相干處理、高分辨率檢測處理、實時脈內(nèi)調(diào)制分析、多維參數(shù)聯(lián)合分選等技術(shù)，可有效提升對LPI 雷達(dá)信號的偵收、檢測及識別水平，增強電子偵察系統(tǒng)對LPI 雷達(dá)信號的感知能力。

1 工作流程

LPI 雷達(dá)信號偵察技術(shù)流程圖如圖1 所示。

圖1 LPI 雷達(dá)信號偵察技術(shù)流程圖

1)多維聯(lián)合相干處理：對信號分別進行頻域、空域的相干處理，增加檢測信號時的處理增益，提高系統(tǒng)對LPI 雷達(dá)信號的偵收能力。

2)高分辨率檢測處理：采用多重信號分類（MUSIC）處理算法，通過對輸入信號進行相干矩陣的計算，并進行特征值分解，得到分別對應(yīng)于信號和噪聲的特征值幅度值，然后分析特征值以提高信號的分辨率。

3)實時脈內(nèi)調(diào)制分析：通過求解LPI 信號的相位差分，實時進行脈內(nèi)識別處理，獲取LPI 信號的脈內(nèi)調(diào)制信息。

4)多維參數(shù)聯(lián)合分選：依據(jù)測量獲得的輻射源信號的多維參數(shù)（載頻、脈寬、角度、脈內(nèi)信息等參數(shù)），實現(xiàn)對具有少量脈沖的LPI 雷達(dá)信號進行有效分選處理。

2 多維聯(lián)合相干處理

LPI 雷達(dá)通過采用功率管理等手段，限制發(fā)射功率，使其恰好能滿足對一定距離/雷達(dá)截面積條件下的探測需求，降低信號被截獲概率。為了滿足對LPI雷達(dá)信號的偵收需求，采用基于DBF 體制的多維聯(lián)合相關(guān)處理方案，可有效提升系統(tǒng)對微弱信號的偵收能力。其中偵察天線陣采用采用二維（方位、俯仰維）面陣布局，具體布陣示意圖如圖2 所示。

圖2 陣列天線布陣示意圖

圖2 中，D 為兩個相鄰天線單元之間的間距（λmin/2≤D≤λmin，λmin為所需偵收電磁信號的最短波長）；M為方位維天線單元的個數(shù)；N 為俯仰維天線單元的個數(shù)。

多維聯(lián)合相干處理技術(shù)算法流程如圖3 所示。

多維聯(lián)合相干處理技術(shù)對信號分別進行頻率維、方位維、俯仰維的相干處理，增加了檢測信號時的處理增益，提高了系統(tǒng)靈敏度。

3 高分辨率檢測處理

在戰(zhàn)場電磁環(huán)境中，不同輻射源信號的時域、空域、頻域參數(shù)都有可能發(fā)生重疊，如果存在同時到達(dá)的多個信號，且參數(shù)（頻率、方位）的差值小于信道化分辨率，則此時信道化算法難以區(qū)分，會造成漏批、增批現(xiàn)象。如果想要使用信道化算法區(qū)分同時到達(dá)信號，則需要減小相應(yīng)的信道化分辨率。而頻率信道化的分辨率取決于信號脈沖寬度，空域信道化的分辨率取決于天線陣單元的數(shù)目，都受到一定的物理限制。

本文采用基于多重信號分類（MUSIC）的高分辨率技術(shù)，通過對輸入信號進行相干矩陣的計算，并進行特征值分解，得到分別對應(yīng)于信號和噪聲的特征值幅度值，然后分析特征值以提高信號的分辨率。該技術(shù)利用有限的數(shù)據(jù)長度獲得較高的分辨率，可以一定程度地突破信號的脈沖寬度和天線陣單元數(shù)目的限制，具體流程圖如圖4 所示。

圖3 多維聯(lián)合相干處理技術(shù)流程圖

圖4 高分辨率檢測處理流程圖

1）選擇階數(shù)

選擇的相關(guān)矩陣階數(shù)越大，算法能夠達(dá)到的分辨率越高，同時實現(xiàn)算法的計算復(fù)雜度也越大，所以應(yīng)選擇能夠滿足信號分辨率需要的最小階數(shù)。最小階數(shù)一般由所需要分辨的信號個數(shù)決定，計算公式如下所示：

式中，M 為相關(guān)矩陣最小階數(shù)；N 為需要分辨出的信號個數(shù)。

2）構(gòu)建相關(guān)矩陣

選擇信號延時，信號延時如果選擇的不合適，也會對信號分辨率造成影響。然后根據(jù)所選擇信號延時和階數(shù)構(gòu)建相關(guān)矩陣，計算公式如下所示：

式中，i 為相關(guān)矩陣的行坐標(biāo)；j 為相關(guān)矩陣的列坐標(biāo)；Xp為延時為p 的信號；Xq為延時為q 的信號。

3)特征值分解

計算出相關(guān)矩陣的特征值，其中特征值的幅值大小代表信號的相關(guān)性。由于噪聲的相關(guān)性小，所以代表噪聲的特征值較小，而信號的相關(guān)性較大，所以代表信號的特征值也較大。

4)確定信號個數(shù)

分析特征值以確定信號的個數(shù)，其中主要的分析方法有以下3種：特征值門限法，信號個數(shù)由超過門限的特征值個數(shù)確定；Akaikew 信息準(zhǔn)則法(AIC)，信號個數(shù)由使AIC 準(zhǔn)則最小的值確定；最小描述長度準(zhǔn)則法(MDL)，信號個數(shù)由使MDL 準(zhǔn)則最小的值確定。

4 實時脈內(nèi)調(diào)制分析

LPI 雷達(dá)通過采用脈沖壓縮技術(shù)，獲得大帶寬、大時寬信號，可有效減少發(fā)射信號功率，降低信號被截獲概率。為了實現(xiàn)脈沖壓縮，LPI 輻射源使用了大量復(fù)雜調(diào)制技術(shù)。本文通過求解LPI 信號的相位差分，實時進行脈內(nèi)識別處理，獲取LPI 信號的脈內(nèi)調(diào)制信息，具體流程圖如圖5 所示。

圖5 實時脈內(nèi)識別處理流程圖

LPI 輻射源一般采用調(diào)頻、調(diào)相實現(xiàn)脈沖壓縮，所以LPI 輻射源信號的數(shù)字表達(dá)式為：

式中,ω(n)為頻率調(diào)制，θ(n)為相位調(diào)制，同時由于頻率與相位有著一定的關(guān)系，可將式(3)改寫為：

式中，A 為幅度，ωc為角頻率，φ(n)為相位。所以有：

獲得同相和正交2 個分量后，通過求解出相位差分mn，可對各種調(diào)制樣式進行解調(diào)：

5 多維參數(shù)聯(lián)合分選

LPI 輻射源一般每發(fā)射一個信號，就會改變其頻率、功率等信號參數(shù)，因此往往沒有2 個發(fā)射脈沖是相同的，傳統(tǒng)的信號分選技術(shù)很難適應(yīng)。本文采用多維參數(shù)聯(lián)合分選技術(shù)，根據(jù)測量獲得的角度、脈寬、載頻、脈內(nèi)調(diào)制等多維信號參數(shù)，采用已知輻射源分選、未知輻射源分選等處理手段，聯(lián)合實現(xiàn)對輻射源信號的分選識別，提升對LPI 輻射源信號的識別能力，具體流程圖如圖6 所示。

圖6 多維參數(shù)聯(lián)合分選流程圖

1）首先，利用先驗知識快速地將已知雷達(dá)信號從原始全脈沖信息中挑選出來，并利用分選完成的樣本稀釋原始全脈沖信號，減輕未知復(fù)雜體制雷達(dá)信號與少量脈沖信息分選的壓力：

①將角度、脈寬、載頻、脈內(nèi)調(diào)制等多維參數(shù)，按照一定的精度要求，劃為不同的區(qū)間，從而形成一個多維參數(shù)空間。

②采用多維參數(shù)關(guān)聯(lián)比較，實現(xiàn)對所有已知輻射源信號參數(shù)的比較，完成信號提取。

③完成信號稀釋，并輸出已知分選處理結(jié)果和剩余脈沖信號。

2)其次，對剩余脈沖進行未知信號分選處理，提取輻射源信號，具體步驟如下：

①對剩余脈沖信號，按照角度、脈寬、載頻、脈內(nèi)調(diào)制等多維參數(shù)，采用基于網(wǎng)格密度的聚類處理算法，使具有相同特征的脈沖形成不同分類。

②對不同分類信號，進行信號變化規(guī)律統(tǒng)計分析，根據(jù)分析規(guī)律進行信號搜索，提取該型號信號脈沖。

③對提取出的信號脈沖進行統(tǒng)計處理，生成雷達(dá)輻射源描述字。

3）最后，通過和批處理，減少輻射源漏批、增批現(xiàn)象，提升信號分選結(jié)果的置信度，并將生產(chǎn)的輻射源描述字補充加載到雷達(dá)數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)的分選處理提供依據(jù)。

6 結(jié)束語

傳統(tǒng)的電子偵察系統(tǒng)對LPI 雷達(dá)的感知能力有限，難以應(yīng)對具有日益復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境。針對低截獲概率雷達(dá)的信號特征，本文研究了低截獲概率雷達(dá)信號偵察技術(shù)，能夠有效提升對低截獲概率雷達(dá)信號的偵收、檢測及識別水平，提高系統(tǒng)對低截獲概率雷達(dá)信號的感知能力。