輻射源信號指紋信息的電子防護及與個體的分離

石 榮，張 禮，包金晨，陳俊豪

（電子信息控制重點實驗室，四川成都 610036）

0 引言

傳統意義上的輻射源信號指紋識別，簡稱為輻射源指紋識別，又稱為輻射源個體識別，或特定輻射源識別SEI（Specific Emitter Identification），即從截獲的電磁信號中識別出特定輻射源所發射的信號，并能夠對同型號輻射源的不同個體進行區分，進而將輻射源個體與所屬的運載平臺、武器系統、戰略戰術目標對象等關聯起來，為電磁空間作戰提供更高層次的情報信息[1-2]。SEI至從20世紀60年代誕生以來，就一直是電子對抗偵察領域中學術界與工業界共同關注的一個重要技術方向，在該方向上不僅公開發表了大量的學術論文[3-6]，而且世界各國也將該技術進行了實際應用[7]。

由于電子對抗不僅包含電子戰支援與電子攻擊，而且還包含電子防護，所以從廣義上講偵察與反偵察、干擾與抗干擾等都屬于電子對抗的研究范疇。隨著SEI技術的不斷發展進步，如何確保己方的電磁輻射源個體身份的安全，有效防止己方的同型號輻射源信號的指紋信息被對方所利用，這些問題也逐漸成為電子防護領域所關注的重要研究內容。通過檢索公開發表的文獻可知：截止到目前為止，在電子對抗偵察的SEI技術方向上發表了大量論文，但在輻射源信號指紋信息的電子防護技術方向上的研究工作幾乎是一片空白。

針對這一問題，本文以公開發表的SEI文獻為研究素材，在對電磁輻射源信號的常見指紋特征提取方法與表征要素簡要回顧的基礎上，秉承信號特征信息“隱真示假”的思想，提出了基于預失真處理的指紋特征隱藏、按照預設模板的虛假指紋信息主動合成、以及通過主動自加噪進行指紋特征弱化的電子防護方法。在此基礎上，分析了電子信息設備硬件模塊化、功能軟件化和運行智能化所帶來的輻射源信號指紋與個體分離的特有現象，指出了構建己方電磁輻射源信號指紋庫和管理利用的必要性與緊迫性。

1 輻射源信號指紋特征的提取與表征

從傳統理論上講，輻射源指紋是指輻射源的發射設備硬件所固有的特性，具有難以改變、難以偽造和難以避免等特點，以無意調制的形式附加在主發射信號上的具有上述特點的微弱信號。由此可見，要從截獲的輻射源信號中提取出指紋特征，那么該特征需要滿足如下幾個基本要求：普遍性、唯一性、穩定性、獨立性、可測性。在此條件下，才能夠通過指紋來區分同型號輻射源的不同個體。根據公開發表的技術文獻，常見的輻射源信號指紋特征提取方法與表征要素歸納總結如下：

1）信號包絡參數

由于同型發射機之間的微小差異會造成信號時域包絡形狀發生改變，特別是雷達發射機，體現為脈沖的上升沿、下降沿，脈沖頂部包絡波動不同。通過對偵察截獲的信號所擬合的信號包絡曲線，可以提取出：擬合上升角，擬合下降角，包絡曲線面積、持續時間，包絡曲線的最大斜率、峰度、峭度、斜度、方差等特征參數。針對特殊輻射源功放的非線性失真，還可以對信號包絡曲線實施泰勒級數展開，以進行特征參數的提取。

2）瞬態過程中的特征參數

瞬態一般指電子設備處于開關機、外部激勵變化、工作模式切換、工作參數變化等狀態。瞬態相對于穩態來講，更容易凸顯同型發射機的差異性。在瞬態過程中幅度、頻率、相位都隨時間有不同的變化規律，將瞬時幅度、瞬時頻率和瞬時相位等測量值進行統計處理之后可得：歸一化瞬時幅度、頻率、相位的標準差，均值歸一化瞬時幅度、相位的標準差，同相數據標準差，正交數據標準差等瞬態特征參數。

3）調制參數

調制參數在數字通信信號中又稱為星座圖參數，主要用于描述硬件電路的多種非理想特性對調制信號的影響，主要包括：I/Q路的偏移、不平衡度、頻率偏移、限幅特性、相位誤差、相位抖動、星座圖畸變程度等特征參數。

4）頻率及頻譜變化參數

這類特征主要反映發射鏈中的信號頻譜的無意變化，包括：信號的頻率穩定度、DAC數模轉換器的頻率雜散、上變頻器的頻率雜散與交調分量等。另一方面，為了體現頻譜變化中所攜帶的無意調制信息，通常采用各種時頻分析工具，例如：短時傅里葉變換、小波變換、Wigner-Vile分布、Choi-Williams分布、模糊函數等，進行時頻域特征參數的有效提取。

5）各種變換域特征參數

常見的變換域分析工具包括：高階譜、循環譜、Hilbert譜等。高階譜是非高斯信號分析的重要工具，常用的是三階譜，又稱為雙譜；而循環譜主要用于提取調制信號中的循環平穩特性，在消除平穩噪聲與抗干擾等方面比功率譜具有更好的信號特征展現性能；將信號經驗模態分解后得到的若干本征模態函數進行希爾伯特變換，其中信號振幅在時間頻率平面上的分布即是Hilbert譜。在變換域中來進行信號特征的分析與提取，主要是為了弱化主信號的影響，更能凸顯無意附加微弱調制信號的差異性特征。

6）特征的二次加工處理

針對前述所提取出的特征信號或經過預處理之后的信號進行二次加工處理，不僅起到特征空間降維的作用，而且還能夠更加凸顯各類信號指紋特征的差異性，更有利于后續的分類識別。常用的二次加工處理方法包括：波形骨架提取、分形維數計算、信息熵的估計、奇異值分解、圖形切片處理等。

總之，輻射源信號指紋特征提取與表征是SEI中的核心關鍵環節之一，上述歸納總結的常用方法也是完成SEI任務的典型工具。從電子防護的角度來思考，只要確保己方輻射源所發射的信號在上述信號特征提取與表征過程中難以展現出個體差異，也就阻斷了SEI的信息來源，達到了保護輻射源個體身份信息安全的目的。而要實現這一目的就需要電磁輻射源在電磁信號輻射過程中主動“隱真示假”，盡量隱藏反映自己個體身份信息的信號特征，更多展示自己可控的穩定的虛假信號特征，從而使得對方的SEI設備在特征提取環節上的可信度極大地降低，具體的實現方法接下來繼續分析。

2 輻射源信號指紋的電子防護

隱藏與偽造輻射源指紋特征，一方面是要減弱同型輻射源之間的個體差異，使得在前一節所展示的各個測量維度中所有同型個體具有的特征看上去都幾乎一樣；另一方面，針對SEI設備的弱點來構建虛假的個體特征，使其識別發生可控的錯誤，這也是一種確保安全的有效手段。如果將輻射源指紋識別與人類個體的指紋識別做一個類比，換個角度思考，我們如何才能隱藏與偽造人類個體的指紋特征呢？這涉及到指紋保護與虛假指紋合成技術，該技術思想實際上來源于人類社會，在各類偵探小說與影視作品中，大家經常看到特工人員帶上特制的貼膜或手套，一方面該手套可以防止自身的手指指紋被遺留在特定場所；另一方面，該手套上還經過特殊加工刻錄有其它另一個人員的手指指紋，當特工行動之后，不僅沒有留下自己的指紋信息，卻可以留下另一個人員的指紋。雖然上述思想與情節來源于文學作品，但由于保密原因，世界各國在實戰中即使使用了該技術也不會自己主動公開示例。從技術原理可行性上講，這完全可以移植到電磁輻射源指紋信息的主動防護應用之中。

2.1 基于預失真處理的指紋信息隱藏

從電磁輻射源信號指紋形成的整個過程可以看出，信號從DAC數模轉換器輸出至上變頻，直到經過功率放大和天線輻射的整個過程是一個開環過程，最終通過天線所輻射出信號的波形與最初所想要發射的波形之間的差異是沒有測量與反饋的，這是眾多電磁輻射源對自己所發射的信號中攜帶有表征自己個體身份特征的信息毫不知情的重要原因所在，同時也是電子對抗中SEI活動能夠得以長期開展的重要前提條件。

為了消除上述發射環節中各種硬件所附加的信號波形失真，可采用信號接收采集設備對電磁輻射源從天線輻射出的信號進行采集記錄，找到實際發射的信號波形與預設信號波形之間的差異，將該差異反饋到DAC前端的FPGA等信號波形數字合成部件中，采用預失真校正方法弱化甚至消除附加信號的影響，從而實現電磁輻射源信號附加指紋特征的抵消或弱化，如圖1所示。

圖1 采用外部閉環反饋的預失真校正方法

在圖1中通過外部測量構成了一個閉環反饋控制系統，控制變量是預設波形與實際輸出波形之間的差異，該差異反饋到輸入端的FPGA中對數字合成波形進行預失真處理，從而在一定程度上削弱或抵消DAC、上變頻、功放和天線等環節中附加的傳輸影響，使得最終輸出的信號波形與預設波形的差異最小化。

由于在SEI輻射源指紋識別過程中要求有較高的信噪比，以便將包含在主信號中微弱的個體特征有效地提取出來，一旦將圖1所示發射鏈中附加的信號特征弱化到一定水平之后，就使得第三方即使在一定的信噪比條件下仍然無法有效提取出微弱的信號特征，從而保護自身的個體身份信息。

2.2 按照預設模板的虛假指紋信號主動合成

既然通過預失真處理可以使得同型輻射源所輻射的信號之間的特征差異最小化，那么利用上述技術方法也可以使得同型輻射源所輻射的信號之間的特征差異按照預設模板進行生成，從而人為構造出虛假的信號指紋特征。

在此方法中電磁輻射源同樣采用如圖1所示的閉環反饋的系統架構，將預設的指紋特征參數加載到電磁輻射源的FPGA中，電磁輻射源在合成主信號波形的同時，按照上述控制參數合成具有預設指紋特征的信號波形，并將該波形附加至主信號上一起進行DAC、上變頻、功率放大后并經天線對外輻射。然后通過實際波形測量并與預設波形進行比對來完成波形差異的閉環反饋，通過對輸入端波形參數的微調來控制最終的天線所輻射的信號與預設信號模板之間的差異最小化。實際上采用如圖1所示的系統架構，在指紋特征合成過程中還能夠將前述基于預失真處理的原信號指紋隱藏與預設信號指紋特征主動合成二者有機地結合起來，同時達到隱真示假的最終目的。另一方面，如果在實際工程應用中沒有外部的波形測量設備的閉環反饋，僅通過開環方式來實現預設信號指紋特征主動合成，這在一定程度上也是可行的，只不過在開環條件下所合成的虛假指紋的逼真度會受到較大影響，示假效果比閉環條件下要弱許多，但在部分實際要求不高的應用場合下還是可以使用的。

關于按照預設模板的虛假指紋信號主動合成的可操作性與實際效果，在此還可以從邏輯學的角度補充論證如下：目前已經公開發表了大量的有關SEI的學術論文，這些論文中較大一部分都不是針對實際的同型輻射源來開展的技術驗證試驗，而是論文作者自己開展的仿真試驗，在仿真過程中大都采用自己構造一些信號指紋特征添加到同一個主信號上，然后作者自己再采用所提出的方法來進行特征提取與個體識別，而且仿真的結論基本上都是效果較好。實際上從邏輯學中的證明方法論來講，這一過程已經說明輻射源信號指紋是可以通過模板來人工構建的，上述仿真過程中對信號指紋的產生從本質上講就是一個合成虛假指紋并添加到主信號中的過程。所以這也說明：按照預設模板的虛假指紋信號主動合成工作其實大家早就做過了，只不過大家都沒有意識到這一點而已。

2.3 基于主動自加噪的指紋特征弱化

如前所述，由于同一廠家生產的同型號輻射源之間的信號個體特征差異很小，所以在電子對抗偵察的SEI應用中對這些極小差異的特征信號進行有效提取就需要很高的信噪比。為了滿足這一要求，電子對抗的偵察方一般都采取了低噪聲系數的接收前端、近距離抵近偵察、高增益大口徑天線定向偵收等方式。一方面盡可能地提升所截獲信號的強度，另一方面盡可能降低接收機的噪聲，從而確保盡可能高的信噪比。這樣一來，使得偵察接收的主動權大部分掌握在偵察方自己手中。

自從主動自加噪反電子偵察技術提出以來[8]，偵察接收信噪比控制的主動權在一定程度上發生了轉換，處于被偵察狀態的電磁輻射源可以通過在正常發射的信號中自己主動添加噪聲信號的方法來限制任何接收方能夠接收到信號的帶內信噪比上限。這意味著無論偵察接收方的位置與電磁輻射源之間的距離如何近、無論接收方采用口徑多么大的接收天線、也無論接收方采用多么小的噪聲系數的接收機，其所能偵察截獲到的輻射源信號的信噪比都不會超過輻射源通過主動自加噪之后發射信號時所設置的信噪比。電磁輻射源只要將發射信號的信噪比設置在比較合理的范圍，在這一范圍內的信噪比小于對方SEI所要求的特征信號提取需要的信噪比下限，同時仍然高于自身應用所要求的信噪比門限值即可。這樣做的效果就相當于通過控制發射信號的信噪比，弱化了輻射源信號指紋特征的展現，間接保護了電磁輻射源個體身份信息，使其難以被對方的SEI設備利用與識別。

3 信號指紋與輻射源個體的分離

由前述分析與討論可知，雖然傳統意義上的輻射源指紋難以改變、難以偽造和難以避免，但是并不是一定不可改變、不可偽造和不可避免；而且傳統SEI中用于識別輻射源個體的信號指紋特征所具有的普遍性、唯一性、穩定性、獨立性和可測性要求也會隨著電子技術的發展而改變：普遍性被模糊、唯一性被偽造、穩定性被削減、獨立性被混淆、可測性被降低。不僅如此，在未來電子設備的演化過程中，信號指紋與輻射源個體之間也會逐漸失去一一對應關系。如果將輻射源指紋識別與人類個體的指紋識別再做一個類比，換個角度思考，在人類個體的指紋識別中指紋與個體失去對應關系只有發生在個體之間的手部移植等極個別情況；但隨著現代電子設備硬件模塊化、功能軟件化的發展與普及，以及具有認知學習能力的智能化電磁輻射源的出現，輻射源個體也展現出了不同的特點。

3.1 硬件個體與軟件個體的不同特點

一個電磁輻射源通常包含硬件與軟件2大部分，其功能的正常展現需要在軟硬件的相互配合下共同完成。以一部雷達為例，軟件部分通常完成發射控制、接收信號處理、數據處理和人機交互等功能，而硬件通常主要包含了中頻信號合成與接收處理機、信息處理機、上下變頻器、頻率合成器、發射機、天線等部件。傳統意義上的幾部同型雷達的軟硬件大體是一樣的，SEI設備截獲同型雷達所輻射的信號、進行信號指紋特征的提取，然后通過分類識別來區分這幾部同型雷達的不同個體，這實際上關注的是輻射源的硬件個體。在這一過程中SEI無法從截獲到的信號中尋找到各部同型雷達在軟件上的細微差異，實際上在傳統意義下的SEI任務也沒有這個必要，因為上述幾部同型雷達在軟件上大體都是一樣的，所以在此示例之中，同型輻射源的硬件個體上有差異，而軟件個體上無大的差異。

隨著具有認知能力的智能化雷達的出現，幾部同型號的認知雷達被生產出來之后，雖然出廠時在軟硬件上幾乎一樣，但由于在不同地點與不同環境中部署與使用，于是各部雷達通過自身不同的學習過程所具有的經驗與能力的增長也是各不相同的，而這些不同主要體現在軟件上的差異。差異性的軟件必然在認知雷達的探測行為中有所體現，所以電子情報偵察系統通過對同型號不同認知雷達個體的行為分析來識別軟件上的差異，也能達到同型雷達個體識別與區分的目的，而這里的個體就是軟件個體。實際上通過行為分析來區分不同的軟件個體在網絡空間的實體偵察中早就開始應用了，而在電磁空間偵察應用中晚來了一步而已。

由上文可見，隨著科技的進步與發展，電磁空間中的輻射源個體會出現細分：一個是硬件個體，另一個是軟件個體。傳統的SEI技術通過截獲分析信號指紋來區分同型輻射源的不同硬件個體；而新興的電磁輻射源行為分析技術可以用來識別同型輻射源的不同軟件個體[9]。隨著認知無線電和認知雷達的發展，這種行為上的差異也能夠體現個體上的差異，即將行為特征作為個體特征，這在認知無線電與認知雷達等智能化輻射源的個體識別與對抗策略研究中也具有較高的應用價值。

3.2 基于軟件互換的輻射源個體身份調換

當前軟件無線電的廣泛應用使得電子設備硬件通用化、功能軟件化的特點表現得淋漓盡致，這在一定程度上將人類社會神話故事中靈魂互換的夢想在電磁空間中變成了現實，即軟件無線電設備通過加載不同的軟件以形成不同的軟件個體。

這一現象將導致電磁輻射源的硬件個體與軟件個體之間可以不存在固定的一一對應關系，這一點與人類個體之間是有巨大區別的，因為對于人類來講，人類個體的肉身與其思想及靈魂之間具有一一對應關系，一個人與另外一個人之間在當前的科技條件下不可能做到思想及靈魂的互換，但對于先進電子設備來講，它們之間的軟件卻是可以完全互換的，于是能夠通過軟件互換來實現輻射源個體身份的調換。以當今普遍使用的民用智能手機為例，2個用戶使用了同一型號的手機，只需把SIM卡插入對方的手機，然后重新安裝一遍軟件就可以做到2個用戶之間軟件個體身份調換，這對于2個用戶來講沒有任何影響，但是對于實施個體身份識別的第三方來講，就有可能被迷惑住了，因為這2部手機的硬件個體與軟件個體發生了對應關系的改變。從SEI識別出的硬件個體與通過行為分析識別出的軟件個體之間已經對應不上了。由此可見：輻射源的信號指紋與輻射源個體之間產生了分離，這種分離首先發生在信號指紋與軟件個體的分離上，接下來還會發生信號指紋與硬件個體的分離。

3.3 基于硬件模塊互換的指紋特征改變

隨著近年來電子設備的硬件小型化集成與高度模塊化的發展，電子設備的可維修性得到了極大的提升，包括：數字化中頻模塊、變頻器、發射機、天線單元等硬件模塊都可以快速更換，這為戰場電子設備的故障排查和快速維修創造了條件，與此同時硬件模塊的互換與替換也逐漸成為常態。

由于在SEI中電子設備指紋的提取與識別針對的重點是目標對象的硬件所附加在信號波形上的微弱特征，所以一旦同型號設備之間的硬件模塊進行互換，將導致設備級指紋特征的改變，甚至是局部信號特征的互換，這就意味著指紋特征穩定性的消失。由于模塊的標準化量產，相互之間也定義了標準化的接口，以便于同型號模塊的替換。在一個電磁輻射源的發射鏈路中可以隨時對其中的基帶模塊、中頻模塊、變頻模塊、功放模塊、天線模塊等部件進行更換與對調，在電磁輻射源使用中也可以像搭建積木一樣，只要將滿足相關性能指標的硬件模塊按照標準接口組裝起來就能在最短的時間內完成信號發射功能。這樣的快速組裝所形成的電磁輻射源將不再具有穩定的指紋特征；另一方面，在2個同型號電磁輻射源設備之間隨機調換發射鏈路上的模塊，也會使得傳統意義上的SEI信號指紋特征發生改變。

由此可見，基于硬件模塊互換的方法對于輻射源個體指紋特征的保護具有重要意義，這可以讓對方的SEI設備在信號特征提取中無法獲得穩定性，除非SEI設備能夠將特征與目標輻射源的部件模塊對應起來，但是在目前的科技條件下，還沒有哪一項技術能夠達到此目標。另一方面，基于硬件模塊互換的指紋特征改變進一步加劇了輻射源指紋與輻射源個體身份之間的分離。如前所述，不僅輻射源的軟件個體可以實現重載，而且輻射源的硬件個體也不再具有穩定性、唯一性與獨立性了。

4 己方輻射源信號指紋庫構建與管理

構建輻射源信號指紋庫是實施輻射源個體識別的基礎與前提。傳統SEI應用中的輻射源信號指紋庫大都只進行對方輻射源信號指紋數據與特征信息的記錄、存儲、檢索、比對等應用，而對己方輻射源信號指紋很少關注。如果將電磁空間與人類社會空間做一個類比，換個角度思考，在人類社會中各個國家為了更好地推進社會與經濟的發展，每隔幾年就會開展一次人口普查，收集本國人民的基本信息；同樣在電磁空間中為了更好地確保和增進電磁信息的安全，也需要對己方各類輻射源進行信號指紋的采集、處理與記錄，這也是推進己方輻射源信號指紋電子防護應用的迫切需要。

如前所述，要向對方的SEI輻射源指紋識別系統實施“隱真示假”的電子防護，本文前述的幾種技術手段僅僅是一個基礎而已，而要將各種隱真示假行動串接起來形成完整閉環的證據鏈條，從而在行為模式和行動意圖上向對方形成高層級的欺騙，這還需要己方電磁輻射源信號指紋庫來提供支持。該數據庫中不僅記錄有己方各類電磁輻射源的指紋信息，還保存有在此基礎上加工合成的各種預設的掩護個體身份的電磁信號指紋模板，基于上述數據就能夠在指定的時間和指定電磁空間中形成具有一致個體身份特征的虛假電磁目標，從而為達成預定的作戰意圖服務；另一方面，也能為己方電子輻射源指紋特征的隱真示假、信號指紋特征與輻射源個體身份分離的驗證提供測試服務與信息保障。

為了實現上述目標，管理好己方的電磁輻射源信號指紋特征庫也同樣重要，需要在電磁空間作戰的教學、訓練、保障與作戰支持等方面制定全面的電磁輻射源指紋信息管理流程與條令條例。這不僅有利于電磁空間作戰中己方和對方電磁目標個體身份真偽的判別，同時也有利于保護己方電磁輻射源個體身份特征不被對方所利用。另外，對于己方電磁輻射源在發生模塊更換與替換，以及軟件互換加載時，及時將上述信息反饋到電磁輻射源信號指紋特征庫中，從而為利用此特征庫實施電子防護提供重要的信息技術保障，這也是在電磁空間中實施電子防御的必然要求。

5 結束語

由于電子對抗天生就是一個矛盾的統一體，電磁輻射源信號的個體指紋識別與指紋信息防護全都是其攻防博弈的重要反映，所以如何確保己方輻射源信號指紋信息的安全，同樣是電子對抗中電子防護需要研究的重要內容。在這一研究方向上本文提出了輻射源信號指紋隱真示假的三種電子防護方法，并針對輻射源信號指紋與人類個體指紋之間的特性差異，分析了軟硬件模塊互換等所帶來的輻射源信號指紋與個體身份分離的特有現象，指出了構建己方電磁輻射源信號指紋庫的必要性與緊迫性。上述分析與探討不僅可以推進電子防護中電磁輻射源個體身份信息的安全，增強其反電子偵察能力，而且也能為電子對抗偵察中SEI技術的后續發展提供新的牽引動力，具有重大的前瞻性意義。