無線電引信的抗干擾性能評估方法研究

金 文, 武海東, 沙作金, 袁春輝, 江 露

(1.上海無線電設備研究所,上海201109;2.上海目標識別與環境感知工程技術研究中心,上海201109;3.陸軍駐南京地區軍代局駐上海地區第二軍代室,上海201109)

0 引言

無線電引信是利用電磁波環境信息感知目標并在距目標最佳炸點處引爆戰斗部的一種近炸引信。作為導彈高效毀傷與起爆控制的關鍵設備,無線電引信是敵方電子對抗裝備的主要干擾目標[1]。

無線電引信工作時向外發射電磁波,電磁波經目標反射后進入引信接收機,引信接收機將其轉化為電信號(其中包括目標信號、噪聲和干擾),并傳遞至信號處理模塊進行處理、分析和識別。若處理結果滿足引信預定起爆條件,則輸出起爆指令來觸發戰斗部引爆。

本文通過研究針對無線電引信的典型干擾,構建無線電引信抗干擾性能指標體系,研究無線電引信抗干擾性能評估方法。

1 典型干擾樣式分析

除了自然環境帶來的有源或無源干擾之外,無線電引信最主要的威脅來自于人為干擾。人為干擾也可以分為有源干擾和無源干擾。無源干擾主要通過箔條云、角反射器、假目標等方式實現,有源干擾主要通過干擾機發射一定的干擾信號來完成。人為干擾的分類如圖1所示。

圖1 人為干擾分類

有源壓制式干擾通過干擾機發射某種大功率的噪聲信號,使得引信接收到的回波信號的信噪比大大下降、難以檢測出有用的信號或產生誤差,從而達到干擾的目的。這種干擾方式一般要求較大的發射功率,對一些能夠在較低信噪比情況下工作的引信干擾效果并不明顯。有源欺騙式干擾通常采用模擬目標回波信號或模擬回波的某一些特征的方法,使引信誤將干擾信號認作是目標回波信號。

無源干擾一般包含箔條云干擾和角反射器干擾等。箔條云通常由涂覆金屬的纖維或鋁箔條組成,箔條云干擾主要通過箔條云對電磁波進行反射和散射來實施干擾,故其能夠干擾多種體制的引信。角反射器的干擾原理是模擬地面和空中的目標,使引信難以探測到真正的目標信息,從而降低導彈對被掩護目標的毀傷程度,達到干擾的目的。

無線電引信主要工作在導彈飛行末段,該階段無線電引信面臨的主要有效干擾為有源欺騙式干擾(如空中無人機自衛式干擾)、有源壓制式干擾(如地面干擾站自衛式干擾)、無源欺騙式干擾(如角反射器干擾)和無源壓制式干擾(如箔條干擾)等。無線電引信在其它飛行階段均處于未開機狀態,未開機狀態下可能有效的干擾為有源壓制式干擾(如電磁脈沖干擾)。根據已有經驗,無線電引信通常能承受千兆瓦級的電磁脈沖干擾。

2 無線電引信抗干擾性能評估指標

無線電引信系統抗干擾性能評估是一個比較復雜的問題,無法籠統地用一兩個指標進行描述。尤其是針對不同干擾樣式,無線電引信均有對應的不同的抗干擾性能指標。

2.1 抗有源壓制式干擾性能評估指標

(1)最大作用距離

最大作用距離Rm]a]x,即引信能夠探測到的最遠距離,在有源壓制干擾下,可以表示為

式中:Pt為引信發射功率;Gt為引信發射天線的增益;Gr為引信天線對著目標方向的接收增益;σ為目標的截面積;RJ為干擾機到引信接收天線的距離;ΔfJ為干擾頻帶;Δf為引信接收機的帶寬;L為引信系統的損耗;Pt]J為干擾機的發射功率;GJ為干擾機正對引信方向的增益;G'r為引信天線對著干擾機方向的接收增益;min(Pr/Pr]J)為目標檢測所需最小信干比,Pr為接收到的目標信號功率,Pr]J為接收到的干擾信號功率;A'r為引信天線對著干擾機方向的有效面積;λ為引信發射信號波長。

(2)反壓制系數

壓制系數是衡量壓制式干擾的一個重要指標。通常情況取檢測概率Pd為0.1時,接收機中頻放大器的輸入端通帶內的最小干信比為壓制系數,用Ka表示,表達式為

式中:PJ和PS分別為壓制式干擾下,進入引信接收機中頻放大器的干擾信號功率和目標回波信號功率。

干擾與抗干擾是相互對立的,可以考慮用接收機輸入端的最小可檢測信干比來描述抗壓制式干擾性能的優劣,將其定義為反壓制系數,用Kb=1/Ka表示。對于采取不同抗干擾措施的引信,在相同的干擾環境下,反壓制系數越小,表明引信的抗干擾性能越好。

(3)抗干擾改善因子

引信抗干擾改善因子(EIF)的定義:引信在采用電子抗干擾技術后,引信接收機輸出的信號、干擾功率比與未應用抗干擾技術時接收機輸出的信號、干擾功率比的比值。當目標相同、引信其它主要參數都相同時,引信在采取抗干擾技術前后的接收機輸出端的信號功率是一定的,所以EIF也可理解為采取抗干擾技術前后引信接收機的輸出的信號干擾功率比,記為KE]I]F,表達式為

式中:(PS/PJ)0和(PS/PJ)k分別表示引信采取抗干擾措施前后,引信接收機輸出的信號干擾功率比。但是該指標沒有考慮采用抗干擾技術給引信系統整體性能帶來的影響。因此,研究人員對EIF指標進行了改進,定義了系統損失系數L,提出了有效抗干擾改善因子(Effective EIF,EEIF),記為KEEIF,表達式為

(4)壓制式干擾下測距精度

對于具有理想的矩形脈沖信號和匹配接收系統的引信,在忽略距離單元采樣引起誤差的條件下,測距精度σR主要由接收機輸出端的信號噪聲能量比來決定,其表達式為

式中:τ為信號脈沖寬度;E為信號能量;EJ為干擾信號能量;EN為噪聲信號能量;c為光速。

匹配損失、波束形狀損失和檢波損失都會在檢波后的視頻積累接收系統中存在,此時有

式中:[E/(EJ+EN)]m為天線波束對準目標時雷達接收機的輸出信噪比(包含噪聲和干擾);Lp是波束形狀損失,其經驗值約為1.6dB;Lm為不匹配損失,其經驗值約為1dB;n是波束內脈沖數。

由式(7)可知,當引信受到干擾時,接收機輸出的信噪比會變化,引信的測量誤差也會增加。當使用抗干擾技術時,若引信的測量精度變化較小,則表明引信抗干擾性能較好。

2.2 抗無源壓制式干擾性能評估指標

無源壓制式干擾主要是箔條和懸浮氣體干擾,它們相當于無源偶極子對無線電信號形成強反射,將增加引信探測目標的難度。

若無源干擾區的有效反射面積為σJ,則引信接收的干擾信號功率

式中:R為無源干擾區到引信的距離。

假設干擾區(體積為VJ)有N個偶極子,其平均有效截面積為σd,V0為引信的分辨空間體積,則

當目標處于無源干擾區內時,若目標的有效截面積為σ,可近似求得接收機輸出端信干比

式中:θα和θφ為引信半功率波瓣寬度;τ為脈沖寬度。由式(11)可知,Rm]a]x越大,表明引信系統的抗干擾性能就越優異。

由于無源壓制式干擾在本質上也是降低引信接收機的輸出端信干比,所以其他的抗有源壓制式干擾所使用的評估指標同樣適用于評估抗無源壓制式干擾性能。

2.3 抗有/無源欺騙式干擾性能評估指標

(1)測距精度

測距精度是測距引信的主要性能指標,用其直接描述測距引信抗欺騙式干擾性能是最為有效的。測距引信抗干擾性能越好,實際測距精度肯定就越高。

(2)抗干擾成功率

若引信在干擾條件下進行多次引爆測試,其正常引爆(不早炸、不啞火)的次數越多,證明其抗干擾性能越好。將引信在規定干擾條件下能夠有效引爆的次數與總試驗次數之比定義為抗干擾成功率。

(3)干擾機截獲時間

有源欺騙干擾中干擾機對引信進行干擾時,需要獲取引信信號。引信抗干擾能力越強,干擾機獲取信號的時間越長。從開啟干擾機至干擾機獲得引信信號的時間定義為干擾機截獲時間。

(4)引導干擾時間

引信受到干擾機干擾的結果之一是引信早炸。在同等干擾條件下,無目標時引信啟動得越晚,則該引信的抗干擾能力越強。定義干擾機開始干擾至引信啟動的時間為引導干擾時間。

(5)無源欺騙信號識別率

若引信識別無源欺騙式信號較多,則表明其抗無源欺騙式干擾性能較強。定義無源欺騙信號識別率為發現假信號次數占無源欺騙干擾總次數的百分比。

3 無線電引信抗干擾性能評估方法

3.1 國內相關標準

GJB3257—1998《無線電引信干擾效果評定準則》[2]中規定了無線電引信干擾設備對無線電引信干擾效果評定的一般準則。該標準適用于無線電引信干擾設備在設計定型和生產定型試驗時對無線電引信干擾效果的評定。

GJB4964—2003《無線電引信對抗設備戰術技術要求項目格式》[3]規定了擬制無線電引信對抗設備戰術要求的項目格式。該標準適用于地面、艦船及機載等無線電引信對抗設備,是擬制和論證其戰術技術指標要求應遵循的基本依據。

3.2 指標體系構建方法

引信抗干擾性能評估是一個多指標綜合評估問題,需要從多個角度和層次反映無線電引信抗干擾性能的水平。構造一個抗干擾評估指標體系就相當于構造一個信息處理系統,該系統可根據經過統一處理的輸入得到特定的輸出結果。而構造系統最重要的就是系統元素和系統組織結構。在抗干擾評估指標體系中,系統元素就是基本的單個評估指標,而系統結構就是評估指標之間的依賴和隸屬關系[4]。建立評估指標體系流程如圖2所示。

圖2 構建指標體系流程圖

由前面的分析可知,無線電引信在工作過程中可能會受到多種不同形式的干擾,因此需要通過多種不同的抗干擾樣式去建立抗干擾評估指標體系。

3.3 指標體系的優化方法

分析第2章建立的初始抗干擾性能指標評估體系,可發現雖然指標體系比較完備,但沒有考慮指標對評估結果的作用和各個指標之間的相關性。由于各個指標之間的相關性很強,導致初始指標體系較繁雜,所以需要對初始指標體系進行優化,以精簡指標個數,盡可能地降低冗余。常用的優化方法有極大不相關法和模糊粗糙集法。

極大不相關法能夠根據指標體系中的指標相關性,選取相關性較弱的指標,組成新的指標體系,降低指標體系的冗余度。粗糙(Rough)集[4]方法能夠反映系統評價指標之間的依賴關系,區分不同類型的指標,并從初始指標體系中查找出完全確定評價結果的最精簡指標組合。

對于評估指標,可以概括為離散型指標和連續型指標。其中,離散型指標值必須用語言或者少量的離散值描述,而連續型指標值是在一個連續區間內。對于連續型指標,Rough集不能直接進行處理,需要先對其進行離散化,而這一過程很有可能導致重要信息丟失。信息丟失的嚴重程度對評價結果的準確性具有很大影響。模糊集可以通過隸屬函數來處理集合中子類邊界的模糊性,所以將模糊集與粗糙集相結合的模糊粗糙集(Fuzzy-rough Set,FRS)能夠很好地解決連續型指標離散化問題,并可以優化無線電引信抗干擾指標體系,使其冗余度大大降低。

3.4 指標權重的求取方法

在完成系統抗干擾性能評估指標體系的建立和優化后,就可以確定體系中的所有評估指標。由于各個評估指標的重要程度和每個樣本對應指標體系中的各個指標值都是不同的,需要正確有效地確定各個評估指標在評估系統中的權重系數,來計算出能定量描述引信抗干擾性能的綜合評估值。常用的權重系數選取方法有統計法、直接給出法、最大離差法和層次分析法等。其中,層次分析法[5]由美國匹茲堡大學T.L.SATTY教授于20世紀70年代初期提出,是一種定性定量相結合的多準則決策方法。它利用決策者的認知,對復雜問題進行簡易處理,并做出決策。無線電引信抗干擾指標體系中,指標因素繁多復雜,且難以全部量化,層次分析法對解決這種復雜問題十分有效,并且可以簡化系統分析和計算工作。因此本文選擇群決策中層次分析法的排序方法,來確定指標體系中的指標權重系數。層次分析法的建模流程如圖3所示。

該方法中,決策者根據自己的經驗,對指標體系中各個指標進行相對重要性評估,給出兩兩判斷矩陣,最后求出各個指標的權重系數。

圖3 層次分析法的建模流程

由m個評估者對n個評估指標{x1,x2,…,xn}組成的評估指標體系進行評估,每一次每個評估者取兩個評估指標xi和xj進行重要性比較。表示第k個評估者所認為的xi和xj對評價結果的影響大小之比。每個評估者所得到的全部比較結果構成的矩陣即為判斷矩陣,其中為矩陣元素,一般用數字1～9及其倒數作為標度量化值。

利用群集結方法,將多個評估者的判斷矩陣進行集結,構成一個判斷矩陣。假設第k個評估者在評估體系中的重要度為ak,且0≤ak≤1,則群集結后的判斷矩陣是最接近所有評估者的判斷的,則有最小均方誤差

對式(12)等號兩邊求偏導,則有

將所得判斷矩陣按列進行歸一化,并按行求和,得到權重系數

再歸一化后得到各個指標的權重系數

3.5 抗干擾評估性能計算

根據引信工作環境選擇合適的評估指標,假定選擇的評估指標為最大作用距離、反壓制系數、測距精度以及抗干擾成功率。根據引信的體制方案,通過仿真試驗的方法得到各個評估指標。假設各評估指標數據為x1,x2,x3,x4。由于各評估指標間一致性相差很大,根據評估指標的特點和基本屬性,利用模糊數學對其進行模糊化處理。

在同等干擾條件下,最大作用距離越大,其抗干擾性能越好。將其模糊處理,設定其隸屬函數為

而在相同的干擾環境下,反壓制系數越小,則其抗干擾性能就越好。將其模糊處理,設定其隸屬函數為

在相同的干擾環境下,測距精度越小,則其抗干擾性能越好。設定其隸屬函數為

在相同的干擾環境下,抗干擾成功率越高,則其抗干擾性能越好,且該評估值為百分數。設定其隸屬函數為

再根據3.4節中方法求得四個評估指標對應的權重系數ω1,ω2,ω3,ω4。則其綜合評估結果為

4 結論

無線電引信在工作過程中會面臨多種不同的干擾,因此需要根據不同的抗干擾樣式去建立評估指標體系。本文提出的無線電引信抗干擾性能評估方法,通過合理有效的指標體系構建流程,可以針對不同的干擾樣式和引信體制,高效地構建一個完善的評估體系,來應對引信多樣化的抗干擾性能評估需求。根據實際引信設計方案設置相關參數,選擇相應的指標和評估矩陣,完成無線電引信在不同干擾條件下的抗干擾性能評估。