飛行器射頻隱身技術(shù)研究綜述

時(shí)晨光, 董 璟, 周建江, 汪 飛

(南京航空航天大學(xué)雷達(dá)成像與微波光子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210016)

0 引 言

隱身、反隱身是當(dāng)前軍事對抗的基本特征和未來發(fā)展趨勢。隨著無源探測系統(tǒng)探測性能的不斷提升,飛行器的生存能力和突防能力受到了嚴(yán)重威脅與挑戰(zhàn)。無源探測系統(tǒng)能夠在不輻射電磁波的條件下探測到有源電子設(shè)備發(fā)射的電磁信號,且現(xiàn)有的無源探測系統(tǒng)的探測距離已經(jīng)遠(yuǎn)大于飛行器的探測距離,這對飛行器的生存和突防帶來了極大挑戰(zhàn)[1]。因此,飛行器如何在完成作戰(zhàn)任務(wù)的條件下,保證自身不被敵方截獲已經(jīng)成為急需研究和解決的問題。

飛行器射頻隱身技術(shù)是指機(jī)載雷達(dá)、數(shù)據(jù)鏈、高度表、電子對抗等機(jī)載有源電子設(shè)備通過降低自身射頻輻射特征,以抵御敵方無源探測系統(tǒng)的截獲、分選、識別、跟蹤的技術(shù),從而降低截獲接收機(jī)對飛行器的截獲概率和截獲距離,提高飛行器自身的生存能力和突防能力。射頻隱身技術(shù)不是一種單一的技術(shù)手段,而是多種技術(shù)的高度融合。

在當(dāng)前射頻隱身技術(shù)研究中,美國占據(jù)著主導(dǎo)地位。根據(jù)已公開的資料,從20世紀(jì)70年代開始,美國最先著手進(jìn)行射頻隱身技術(shù)的相關(guān)研究。1973年,美國啟動了“Have Blue”項(xiàng)目,開展低截獲概率(low probability of intercept,LPI)雷達(dá)系統(tǒng)的試飛實(shí)驗(yàn),并將不同型號雷達(dá)的射頻隱身性能進(jìn)行評估對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,采用射頻隱身技術(shù)的雷達(dá)被無源探測系統(tǒng)截獲的概率更低。20世紀(jì)80年代,美國完成了第一套機(jī)載LPI雷達(dá)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中使用的是法國的幻影飛機(jī)Cyrano雷達(dá)系列,隱身后的雷達(dá)具有9個(gè)發(fā)射波束、320 MHz信號帶寬以及-55 dB天線副瓣電平。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,擁有射頻隱身性能之后的雷達(dá),被無源探測系統(tǒng)截獲的距離大大降低,約為不采取射頻隱身技術(shù)之前截獲距離的1/100。在這一階段,美國還沒有掌握射頻隱身技術(shù)。

20世紀(jì)80年代后期,電子信息和信號處理技術(shù)得到了飛速發(fā)展,射頻隱身技術(shù)也隨之取得了較大發(fā)展。美國在B-2隱身轟炸機(jī)上裝備了APQ-181相控陣?yán)走_(dá),該雷達(dá)具有5級功率控制和發(fā)射波形選擇功能,其射頻隱身特性優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)載雷達(dá)。這說明美國已部分掌握了射頻隱身技術(shù)。

20世紀(jì)末21世紀(jì)初,美國對F-22和F-35戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)更新,將射頻隱身技術(shù)應(yīng)用于機(jī)載雷達(dá)、機(jī)間數(shù)據(jù)鏈、導(dǎo)航、敵我識別、電子對抗等機(jī)載電子設(shè)備上,綜合一體化隱身理論得到了應(yīng)用。F-22隱身戰(zhàn)斗機(jī)上裝備了“多功能先進(jìn)數(shù)據(jù)鏈”,該數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)具有6付點(diǎn)掃描波束切換智能天線,能夠采用窄波束“鎖鏈模式”發(fā)射,使其射頻隱身性能得到進(jìn)一步提升。F-35戰(zhàn)斗機(jī)裝備的AN/APG-81機(jī)載雷達(dá),實(shí)現(xiàn)了電子對抗和有源相控陣?yán)走_(dá)的高度融合與飛行器射頻隱身能力自動化。這也標(biāo)志著美國已經(jīng)完全掌握了射頻隱身技術(shù),并具備作戰(zhàn)能力,將多種射頻隱身雷達(dá)及數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際戰(zhàn)場環(huán)境中。

我國在射頻隱身技術(shù)的研究方面起步較晚。21世紀(jì)初,我國研究人員開始對飛行器射頻隱身技術(shù)進(jìn)行研究[2]。飛機(jī)射頻隱身技術(shù)除了射頻隱身雷達(dá)之外,還包括數(shù)據(jù)鏈、導(dǎo)航、電子對抗等有源電子設(shè)備的射頻隱身。文獻(xiàn)[1-5]對射頻隱身技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行了討論,說明了我國深入開展射頻隱身技術(shù)研究的必要性和迫切性。

本文對飛行器射頻隱身技術(shù)進(jìn)行綜述,闡述了射頻隱身技術(shù)基本概念和研究現(xiàn)狀,介紹了射頻隱身技術(shù)的基本原理和實(shí)現(xiàn)途徑,歸納評述了射頻隱身技術(shù)領(lǐng)域的研究成果,基于現(xiàn)有成果的總結(jié)和分析,針對當(dāng)前射頻隱身技術(shù)發(fā)展存在的問題,對飛行器射頻隱身技術(shù)的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1 飛行器射頻隱身技術(shù)的基本原理及實(shí)現(xiàn)途徑

飛行器射頻隱身技術(shù)有多種實(shí)現(xiàn)途徑,其中主要的有最低輻射能量控制、低副瓣天線、射頻隱身信號波形設(shè)計(jì)、射頻信號最大不確定性設(shè)計(jì)、多傳感器協(xié)同與管理等[6-12]。下面主要介紹這5種技術(shù)途徑的基本原理。

1.1 最低輻射能量控制

當(dāng)機(jī)載雷達(dá)和數(shù)據(jù)鏈等機(jī)載有源電子設(shè)備在作戰(zhàn)中使用足夠的輻射功率和輻射時(shí)間進(jìn)行工作時(shí),可以實(shí)現(xiàn)先敵發(fā)現(xiàn)、先敵打擊、先敵摧毀,但是這也會使敵方的無源探測系統(tǒng)很容易的截獲到我方飛行器輻射的電磁信號,從而對其生存能力構(gòu)成威脅,并影響到我方作戰(zhàn)任務(wù)。因此,在保證實(shí)現(xiàn)飛行器任務(wù)的條件下,需要根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)需求進(jìn)行最低輻射能量控制,使機(jī)載有源電子設(shè)備始終輻射最低能量。降低輻射功率,可以降低敵方無源探測系統(tǒng)的截獲距離;縮短輻射時(shí)間,能夠有效降低敵方無源探測系統(tǒng)的累積截獲概率。

1.2 低副瓣天線

對于大口徑高功率相控陣?yán)走_(dá),其針狀主波束只占實(shí)體空間立體角的千分之幾到萬分之幾。一般情況下,主瓣照射截獲接收機(jī)平臺的概率很低。即使截獲接收機(jī)采用寬口徑、寬頻段工作方式,也基本上依靠天線的副瓣對目標(biāo)進(jìn)行截獲。因此,天線副瓣電平的大小將直接影響機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)射頻隱身性能的優(yōu)劣。

1.3 射頻隱身信號波形設(shè)計(jì)

為了降低敵方無源探測系統(tǒng)的截獲概率,提高有源電子設(shè)備的射頻隱身性能,峰值功率低、頻帶寬的連續(xù)波信號是最佳選擇。然而,連續(xù)波雷達(dá)的發(fā)射信號及其噪聲會漏入接收機(jī),使得連續(xù)波難以應(yīng)用于飛行器平臺。因此,需要采用大時(shí)間帶寬積的發(fā)射信號,通過頻率跳變、相位調(diào)制、多相編碼能實(shí)現(xiàn)雷達(dá)發(fā)射波形的多樣性,盡可能減少單位帶寬的頻譜密度,從而降低信號被分選識別的概率,提高飛行器的射頻隱身性能。

1.4 射頻信號最大不確定性設(shè)計(jì)

信號的不確定性與截獲接收機(jī)的時(shí)頻處理方法有關(guān),通過對射頻信號進(jìn)行最大不確定性設(shè)計(jì),能夠有效抵御敵方無源探測系統(tǒng)的分選、識別。例如,采用工作時(shí)間、脈沖重復(fù)頻率、頻率、碼片速率等波形參數(shù)的不確定性設(shè)計(jì)以及雷達(dá)波束的空間隨機(jī)掃描等技術(shù),可使敵方難以預(yù)測下一次信號發(fā)射的時(shí)間和波形特征。

1.5 多傳感器協(xié)同與管理

多傳感器協(xié)同與管理也是實(shí)現(xiàn)飛行器射頻隱身的主要技術(shù)手段之一。對平臺上的各個(gè)傳感器進(jìn)行時(shí)域、空域和頻域的綜合管理,通過多平臺間數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場綜合態(tài)勢感知與信息融合,在滿足飛行器任務(wù)性能要求的條件下,對各機(jī)載傳感器的輻射功率、輻射時(shí)間、工作頻率、波形參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化控制,以降低被敵方無源探測系統(tǒng)截獲的概率。

2 飛行器射頻隱身技術(shù)研究現(xiàn)狀

隨著機(jī)載電子信息技術(shù)快速發(fā)展,飛行器射頻隱身性能得到了顯著提升。下面主要針對射頻隱身性能指標(biāo)體系、最低輻射能量控制、低副瓣數(shù)字波束形成、射頻隱身信號波形設(shè)計(jì)、多傳感器協(xié)同與管理等5個(gè)方面的主要研究進(jìn)展情況進(jìn)行評述。

2.1 射頻隱身性能指標(biāo)體系

科學(xué)的表征飛行器射頻隱身指標(biāo)體系是開展飛行器射頻隱身技術(shù)研究的基礎(chǔ)。飛行器射頻隱身表征參量分為飛行器射頻目標(biāo)特征參量和飛行器射頻隱身性能參量[13]。飛行器射頻目標(biāo)特征參量只與飛行器自身的射頻性能有關(guān),飛行器射頻隱身性能參量不僅與飛行器自身的射頻性能有關(guān),還與敵方無源探測系統(tǒng)的性能參數(shù)有關(guān)。目前,已公開發(fā)表的飛行器射頻隱身性能參量主要包括截獲因子、截獲圓等效半徑、截獲球等效半徑、截獲概率。飛行器射頻目標(biāo)特征參量主要包括射頻輻射強(qiáng)度和信號波形特征不確定性。

最早進(jìn)行飛行器的射頻隱身指標(biāo)體系相關(guān)研究的是美國的施里海爾,1985年其在國際雷達(dá)會議發(fā)表了《Low Probability of Intercept Radar》[14],該論文首次提出了施里海爾截獲因子的概念。施里海爾截獲因子定義為無源探測系統(tǒng)的截獲距離與雷達(dá)目標(biāo)探測距離之比,公式如下:

(1)

式中,RI表示無源探測系統(tǒng)的最大截獲距離;RD表示雷達(dá)的最大目標(biāo)探測距離。當(dāng)截獲因子小于1時(shí),說明無源探測系統(tǒng)的截獲距離小于雷達(dá)目標(biāo)探測距離,則雷達(dá)信號不易被截獲,稱其具有射頻隱身性能;當(dāng)截獲因子大于1時(shí),表明雷達(dá)信號容易被截獲;當(dāng)截獲因子等于1時(shí),系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)。因此,截獲因子越小,對雷達(dá)的生存就越有利。

2005年,美國的Wu[15]提出了使用截獲圓等效半徑(circular equivalent vulnerable radius,CEVR)對射頻隱身性能進(jìn)行評估的方法,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

CEVR=

(2)

式中,(Pr/N0)revd為截獲機(jī)接收到的信噪比;(Pr/N0)reqd為截獲接收機(jī)滿足一定發(fā)現(xiàn)概率要求時(shí)所需要的輸入信噪比;Area為滿足條件(Pr/N0)reqd<(Pr/N0)revd的圓形面積。在該圓形面積內(nèi),雷達(dá)發(fā)射機(jī)所發(fā)射的信號很容易被敵方截獲接收機(jī)所截獲,稱該圓形區(qū)域?yàn)橐资芄裘娣e,從而可計(jì)算出截獲圓的等效半徑CEVR。2007年,來自澳大利亞的Dishman[16]將經(jīng)典CEVR推廣到三維空間,提出了截獲球體積的等效半徑來評估雷達(dá)的射頻隱身性能。這兩種表征方式和施里海爾截獲因子相比計(jì)算量較大,實(shí)際應(yīng)用十分困難。

美國的Lynch[1]于2004年提出使用截獲概率評價(jià)飛行器的射頻隱身性能,并給出了相應(yīng)的計(jì)算公式,如下所示:

Pi=

(3)

式中,PF為截獲接收機(jī)調(diào)諧到發(fā)射機(jī)頻率的概率;PD為在照射和調(diào)諧適當(dāng)?shù)那闆r下,發(fā)射機(jī)被探測到的概率;AF為天線波束覆蓋面積;DI為截獲接收機(jī)密度;TOT為發(fā)射機(jī)對截獲接收機(jī)的照射時(shí)間;TI為截獲接收機(jī)的搜索時(shí)間。

由Lynch所提出的截獲概率的計(jì)算公式可以看出,截獲接收機(jī)密度越大,截獲概率越高;截獲接收機(jī)搜索時(shí)間越短,截獲概率越高。通過降低發(fā)射機(jī)主瓣波束寬度、減少駐留時(shí)間,可以有效降低截獲概率。

2010年,楊紅兵等學(xué)者[17]對施里海爾截獲因子進(jìn)行了研究和改進(jìn),提出采用信號截獲率來表征射頻隱身性能的方法。該方法通過將施里海爾截獲因子和截獲概率相結(jié)合,可以表示為

(4)

式中,α為施里海爾截獲因子;P{X=i}為雷達(dá)在n次掃描中被截獲到i次的概率。當(dāng)施里海爾因子大于1時(shí),截獲接收機(jī)的截獲距離大于飛行器的探測距離,此時(shí)飛行器的射頻隱身性能主要取決于無源探測系統(tǒng)截獲機(jī)載雷達(dá)所需的照射時(shí)間;當(dāng)截獲因子小于1時(shí),飛行器的探測距離大于截獲接收機(jī)的截獲距離,此時(shí)飛行器的射頻性能主要由雷達(dá)天線掃描捷變方式以及截獲因子共同決定。

2012年,李寰宇等學(xué)者[18]提供了一種新的射頻隱身評價(jià)指標(biāo)研究思路,提出根據(jù)天線波束覆蓋范圍內(nèi)所有截獲接收機(jī)的聯(lián)合截獲概率對飛行器射頻隱身性能進(jìn)行評估,聯(lián)合截獲概率的表達(dá)式如下:

(5)

式中,N為在波束覆蓋范圍內(nèi)的截獲接收機(jī)總數(shù);Pi為第i個(gè)截獲接收機(jī)的截獲概率。

2014年,汪飛[19]、時(shí)晨光等學(xué)者[20-21]針對雷達(dá)信號的抗分選性能,提出了安全信息量的概念。安全信息量的定義是從無線通信中的安全容量引入的,表征了典型場景和條件下雷達(dá)信號的抗分選性能。安全信息量的物理模型如圖1所示,圖中X、Y、Z分別表示雷達(dá)發(fā)射機(jī)、雷達(dá)接收機(jī)和截獲接收機(jī)。

圖1 安全信息量物理模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of security information physical model

同年,時(shí)晨光等學(xué)者[22]將施里海爾截獲因子推廣到雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng),所得到的表達(dá)式為

(6)

式中,Pt為組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射功率;SNRnet為組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)接收機(jī)靈敏度;N為雷達(dá)個(gè)數(shù);Cnet和Cint分別為與雷達(dá)組網(wǎng)和截獲接收機(jī)有關(guān)的系統(tǒng)常數(shù)。

2014年,陳興凱等學(xué)者[23]針對火控雷達(dá)組網(wǎng)抗分選問題,提出了通過實(shí)時(shí)判斷跟蹤精度是否滿足要求來控制各雷達(dá)間隔開機(jī)狀態(tài)的方法,該方法能夠提高自身輻射信號的不確定性,從而達(dá)到提升其抗分選能力的目的。

2016年,宋文彬等學(xué)者[24]構(gòu)建了傳感器協(xié)同射頻隱身性能評估系統(tǒng),給出了傳感器協(xié)同級的射頻隱身性能評估指標(biāo),并對射頻隱身性能評估指標(biāo)的主要影響因素進(jìn)行了分析。2017年,何召陽等學(xué)者[25-26]從信號的極化域、波形域和能量域?qū)ι漕l隱身性能評估方法進(jìn)行研究,提出了不依賴敵方探測設(shè)備的、基于自身輻射源特征的評估方法,仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。同年,王經(jīng)商等學(xué)者[27]提出了一種低截獲波形射頻隱身性能評估方法,該方法考慮到實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境的影響,通過相對熵和波形截獲因子加權(quán)構(gòu)建波形射頻隱身表征因子。仿真結(jié)果表明,該評估方法能夠有效度量低截獲信號波形的射頻隱身性能。

2018年,曾小東[28]提出基于層次分析法的射頻隱身性能量化評估方法,該方法可以用于單系統(tǒng)的射頻隱身性能評估,也適用于對多個(gè)系統(tǒng)之間的射頻隱身性能進(jìn)行比較。同年,王亞濤等學(xué)者[29]提出了基于數(shù)字仿真的截獲概率計(jì)算方法,并給出了動態(tài)場景下單傳感器和全機(jī)截獲概率的計(jì)算方法。王謙喆等學(xué)者[30]對機(jī)載航電系統(tǒng)設(shè)備在波形域、能量域、極化域的射頻隱身指標(biāo)進(jìn)行了構(gòu)建,并建立了基于機(jī)載航電系統(tǒng)自身工作狀態(tài)和輻射參數(shù)的射頻隱身性能評估方法,仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性。

2020年,楊誠修等學(xué)者[31]對航空集群在突防場景下的射頻隱身性能評估方式進(jìn)行研究,選取了4個(gè)隸屬度參考點(diǎn),將正態(tài)波動猶豫模糊集(normal wiggly hesitant fuzzy set,NWHFS)加權(quán)相關(guān)系數(shù)作為定量評估指標(biāo),并由此確定射頻隱身性能排序。在此基礎(chǔ)上,其對空戰(zhàn)模式下航空集群的射頻隱身性能評估方式進(jìn)行了研究[32],選取5個(gè)評估因子,將NWHFS分?jǐn)?shù)函數(shù)作為評估指標(biāo),由此進(jìn)行射頻隱身性能排序。該算法充分發(fā)掘決策者的潛在偏好,將主客觀信息有效結(jié)合,使得評估結(jié)果更加科學(xué)。

2.2 最低輻射能量控制

最低輻射能量控制是實(shí)現(xiàn)飛行器射頻隱身的主要技術(shù)途徑之一。機(jī)載雷達(dá)、數(shù)據(jù)鏈、高度表、電子對抗等有源電子設(shè)備針對不同的作戰(zhàn)環(huán)境和任務(wù)要求,通過機(jī)載射頻管理系統(tǒng)自適應(yīng)控制發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率,使得機(jī)載雷達(dá)、數(shù)據(jù)鏈、電子對抗等采用低峰值功率發(fā)射,最大限度地減少發(fā)射時(shí)間,從而降低敵方無源探測系統(tǒng)的截獲距離和截獲概率。

機(jī)載雷達(dá)工作時(shí),通過最小化機(jī)載雷達(dá)輻射的能量,有助于改善雷達(dá)的射頻隱身性能,提高雷達(dá)在戰(zhàn)場上的生存能力。2011年,張貞凱等學(xué)者[33]首次提出了基于射頻隱身的相控陣?yán)走_(dá)搜索方法,利用帶精英策略的非支配排序遺傳算法對雷達(dá)搜索模型進(jìn)行了優(yōu)化。該模型能夠在保證較好檢測性能的同時(shí)減少雷達(dá)輻射能量消耗。2012年,基于交互式多模型(interacting multiple model,IMM)跟蹤算法和協(xié)方差控制思想,該團(tuán)隊(duì)提出了能自適應(yīng)控制采樣間隔和發(fā)射功率的機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)方法[34]。同年11月,該團(tuán)隊(duì)又基于功率控制思想提出了相控陣?yán)走_(dá)功率分級準(zhǔn)則,根據(jù)目標(biāo)距離和雷達(dá)反射截面(radar cross section,RCS)對雷達(dá)輻射功率進(jìn)行自適應(yīng)控制,可以有效降低雷達(dá)的截獲概率[35]。

2013年,劉宏強(qiáng)等學(xué)者[36]提出了單目標(biāo)跟蹤條件下的機(jī)載雷達(dá)輻射功率與輻射間隔自適應(yīng)控制策略,所建立的優(yōu)化模型在滿足給定目標(biāo)跟蹤精度約束的條件下最小化截獲概率。仿真結(jié)果表明,所提出的優(yōu)化策略在跟蹤時(shí)間超過30 s后的雷達(dá)截獲概率低于傳統(tǒng)方法。

2014年,張杰等學(xué)者[37]提出了射頻隱身?xiàng)l件下相控陣?yán)走_(dá)的搜索控制參量優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,分別從最小化截獲概率和最大化探測距離兩個(gè)角度建立數(shù)學(xué)優(yōu)化模型,對駐留時(shí)間和波位間隔等參數(shù)控制進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2015年,劉宏強(qiáng)等學(xué)者[38]針對單次輻射條件下相控陣?yán)走_(dá)的射頻隱身性能優(yōu)化問題,以最小化截獲概率為優(yōu)化目標(biāo),給出了輻射時(shí)間和輻射功率實(shí)時(shí)控制方法。仿真表明,戰(zhàn)斗機(jī)可使用最短駐留方法或者最小功率方法實(shí)現(xiàn)單次輻射下的截獲概率最小化。

多輸入多輸出(multiple input multiple output,MIMO)雷達(dá)作為一種新體制的探測模式,也越來越受到研究者的關(guān)注。2013年,蔡茂鑫等學(xué)者[39]對MIMO雷達(dá)的射頻隱身性能評估問題進(jìn)行研究,提出了一種MIMO雷達(dá)截獲概率模型,分析了時(shí)域、空域、頻域、功率域等因素對截獲概率的影響。同年,廖雯雯等學(xué)者[40]提出了面向射頻隱身性能優(yōu)化的MIMO雷達(dá)目標(biāo)跟蹤算法,該算法能夠在滿足跟蹤要求的前提下自適應(yīng)控制MIMO雷達(dá)波束駐留時(shí)間、采樣間隔、子陣數(shù)目、發(fā)射功率等參數(shù),優(yōu)化系統(tǒng)的射頻隱身性能。仿真結(jié)果表明,在目標(biāo)跟蹤效果相當(dāng)?shù)臈l件下,MIMO雷達(dá)的射頻隱身性能優(yōu)于傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)。

2014年,楊少委等學(xué)者[41]在考慮截獲因子和搜索幀周期的條件下,提出了面向射頻隱身性能優(yōu)化的MIMO雷達(dá)目標(biāo)搜索算法,建立的優(yōu)化模型如下:

(7)

式中,P表示截獲概率;Kn,ηn,tB,n,Tf,n分別表示第n個(gè)子區(qū)域的雷達(dá)子陣劃分個(gè)數(shù)、信號占空比、波束駐留時(shí)間和搜索幀周期;Rt,n為給定的第n個(gè)子區(qū)域的跟蹤起始距離;NB,n表示搜索第n個(gè)子區(qū)域所需要的波位數(shù)。該算法在滿足一定目標(biāo)檢測性能以及時(shí)間資源的約束下,對MIMO雷達(dá)子陣劃分個(gè)數(shù)、占空比、波束駐留時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)射頻隱身性能的提升。同年,Panoui等學(xué)者[42]基于博弈論框架研究了多基地MIMO雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)的分布式功率分配技術(shù),在滿足一定的信干比的條件下,實(shí)現(xiàn)總發(fā)射功率最小化。

2015年,李寰宇等學(xué)者[43]提出了在滿足時(shí)域、空域、頻域等多域需求下的射頻隱身性能表征方法,該方法基于聯(lián)合截獲威脅,提高了雷達(dá)在搜索過程中的搜索速度。同年,張貞凱等學(xué)者[44]提出了基于交互式多模型粒子濾波(interacting multiple model particle filter,IMMPF)跟蹤方法的雷達(dá)輻射能量控制策略,根據(jù)預(yù)測的克拉美-羅下界對雷達(dá)輻射功率進(jìn)行控制,仿真表明該算法具有良好的跟蹤精度和射頻隱身性能。之后,該團(tuán)隊(duì)在2016年又提出了一種基于IMM和信息濾波的雷達(dá)功率控制方法[45],對單目標(biāo)進(jìn)行跟蹤時(shí),能夠節(jié)省更多的功率資源,并具有良好的跟蹤精度。

2016年,劉東穎等學(xué)者[46]以最小化無源探測系統(tǒng)截獲概率為優(yōu)化目標(biāo),采用非線性規(guī)劃遺傳算法對組網(wǎng)雷達(dá)輻射功率和駐留時(shí)間進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。研究結(jié)果指出,與僅優(yōu)化輻射功率方法相比,所提算法的組網(wǎng)雷達(dá)射頻隱身性能得到了大幅提升。

2018年,高智敏等學(xué)者[47]以降低截獲概率為優(yōu)化目標(biāo),分別針對單目標(biāo)跟蹤和多目標(biāo)跟蹤兩種情況,提出了雷達(dá)輻射實(shí)時(shí)控制方法,該方法相對于傳統(tǒng)的功率最小化方法,可獲得更低的截獲概率,但不足之處是當(dāng)多目標(biāo)跟蹤時(shí)間超過一定界限時(shí),無源探測系統(tǒng)對雷達(dá)的截獲概率會變大。同年, Shaghaghi等學(xué)者[48]將機(jī)器學(xué)習(xí)引入多信道多功能雷達(dá)資源管理問題中,通過使用分支定界算法求解任務(wù)調(diào)度問題的最優(yōu)解,并利用機(jī)器學(xué)習(xí)降低計(jì)算復(fù)雜度,達(dá)到時(shí)間等資源利用最大化,所建立的優(yōu)化模型如下:

(8)

同年,Christiansen等學(xué)者[49]提出了一種面向目標(biāo)航跡更新的自適應(yīng)雷達(dá)輻射間隔控制框架,該方法能夠使得雷達(dá)在目標(biāo)狀態(tài)可預(yù)測的情況下,以最少的輻射資源工作。當(dāng)目標(biāo)機(jī)動或跟蹤誤差變大時(shí),雷達(dá)資源利用率也隨之增加。

2018年,時(shí)晨光等學(xué)者[50]研究了頻譜共存環(huán)境下基于分層博弈的多基地雷達(dá)分布式功率分配算法,該算法以無線通信基站為博弈領(lǐng)導(dǎo)者,以多基地雷達(dá)中各雷達(dá)節(jié)點(diǎn)為博弈跟隨者,各雷達(dá)節(jié)點(diǎn)和通信基站工作于同一頻段并以輻射功率為單位支付給通信基站相應(yīng)的費(fèi)用。而通信基站則通過調(diào)節(jié)單位輻射功率價(jià)格,控制多基地雷達(dá)的總輻射功率,從而滿足預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)探測性能和多基地雷達(dá)對通信基站干擾功率約束等條件。

2020年,文獻(xiàn)[51]構(gòu)建了基于Stackelberg博弈的有人機(jī)/無人機(jī)混合集群輻射功率控制模型,在滿足給定目標(biāo)探測性能要求和輻射功率資源約束的條件下,將有人機(jī)和各無人機(jī)分別作為博弈領(lǐng)導(dǎo)者和博弈跟隨者,以達(dá)到最小化無人機(jī)集群總輻射功率的目的。文獻(xiàn)[52]則提出了基于多目標(biāo)跟蹤的組網(wǎng)雷達(dá)目標(biāo)分配與資源管理聯(lián)合優(yōu)化算法,對雷達(dá)-目標(biāo)分配、各雷達(dá)駐留時(shí)間和信號帶寬等參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化,同時(shí)提升多目標(biāo)跟蹤精度和組網(wǎng)雷達(dá)射頻隱身性能,所建立的優(yōu)化模型如下:

(9)

2020年,王奕杰等學(xué)者[53]對目標(biāo)時(shí)延估計(jì)中基于射頻隱身的雷達(dá)通信聯(lián)合系統(tǒng)功率分配問題進(jìn)行了研究,在滿足給定目標(biāo)時(shí)延估計(jì)精度和通信基站服務(wù)質(zhì)量約束的條件下,通過優(yōu)化正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)信號各子載波上的功率分配,最大限度地降低雷達(dá)系統(tǒng)的總功率消耗。同年,余思偉等學(xué)者[54]以后驗(yàn)克拉美-羅下界作為表征目標(biāo)跟蹤精度的衡量指標(biāo),提出了雷達(dá)駐留時(shí)間和輻射功率控制算法,該算法在保持一定目標(biāo)跟蹤精度的前提下,最大化雷達(dá)采樣間隔、最小化駐留時(shí)間,從而減少目標(biāo)跟蹤過程中雷達(dá)的總輻射能量。

2020年, Ghoreishian等學(xué)者[55]給出了針對擴(kuò)展目標(biāo)的分布式MIMO雷達(dá)最優(yōu)檢測器,由此推導(dǎo)了分布式MIMO雷達(dá)目標(biāo)檢測概率和虛警概率。在此基礎(chǔ)上,分別建立了正交頻率分集和相位編碼兩種發(fā)射波形情況下分布式MIMO雷達(dá)的射頻隱身功率分配模型,并采用凸優(yōu)化算法對上述模型進(jìn)行了求解,仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提算法的優(yōu)越性。

2021年,赫彬等學(xué)者[56]提出了一種基于博弈論的多基地雷達(dá)功率分配和波束形成聯(lián)合優(yōu)化模型。該模型以給定信干噪比為約束條件,以最小化多基地雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射功率消耗為優(yōu)化目標(biāo),對各雷達(dá)功率和發(fā)射波束進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明,相比現(xiàn)有算法,該算法能夠獲得更少的功率消耗和更優(yōu)的雷達(dá)間干擾抑制能力。

數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菍?shí)時(shí)傳輸與處理傳感器、指控和武器系統(tǒng)之間格式化信息的綜合信息系統(tǒng)[57-58],提高數(shù)據(jù)鏈的通信速率和數(shù)據(jù)鏈射頻信號的射頻隱身性能是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題。同時(shí),研究具有良好射頻隱身能力的數(shù)據(jù)鏈也具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

2013年,楊宇曉等學(xué)者[59]提出了3種基于位置關(guān)系和信號強(qiáng)度的射頻隱身數(shù)據(jù)鏈功率控制方法,并對非合作功率控制下的射頻隱身性能參數(shù)進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果表明,所提出的3種控制方法均可提升數(shù)據(jù)鏈的射頻隱身性能,其中合作功率控制方法能得到最優(yōu)射頻隱身性能。2014年,該團(tuán)隊(duì)又提出一種基于最大條件熵的射頻隱身數(shù)據(jù)鏈猝發(fā)通信模型[60],利用該模型自適應(yīng)生成的發(fā)射規(guī)劃,能夠有效提高數(shù)據(jù)鏈的抗分選能力,且對戰(zhàn)場威脅環(huán)境具有良好的適應(yīng)能力。

2015年,劉淑慧[61]對機(jī)載數(shù)據(jù)鏈在能量域、時(shí)域、空域等域的隱身綜合控制技術(shù)進(jìn)行了研究,并對該技術(shù)在經(jīng)典電子戰(zhàn)環(huán)境下的射頻隱身性能進(jìn)行了評估。同年,謝桂輝等學(xué)者[62]以降低數(shù)據(jù)鏈的截獲概率和提升數(shù)據(jù)傳輸速率為優(yōu)化目標(biāo),提出了一種基于射頻隱身的通信波形參數(shù)優(yōu)化模型。仿真結(jié)果表明,在相同的通信速率下,優(yōu)化后的數(shù)據(jù)鏈能夠獲得更低的被截獲概率。

2016年,白迪等學(xué)者[63]構(gòu)建了一種數(shù)據(jù)鏈自適應(yīng)多目標(biāo)優(yōu)化模型,該模型綜合考慮了各個(gè)波形參數(shù)對射頻隱身性能的影響,使用現(xiàn)場可編程門陣列平臺實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)制。仿真結(jié)果表明,所生成的通信波形與美國的Link16數(shù)據(jù)鏈相比具有更好的射頻隱身性能。

2018年,李國梁[64]對美軍機(jī)載數(shù)據(jù)鏈的種類、性能和發(fā)展趨勢進(jìn)行了總結(jié),對美軍早期機(jī)載數(shù)據(jù)鏈和新型機(jī)載數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行了介紹,并結(jié)合5G和物聯(lián)網(wǎng)對機(jī)載數(shù)據(jù)鏈的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

電子對抗是敵對雙方為降低對方電子設(shè)備的使用效能、保護(hù)已方電子設(shè)備的使用效能所采取的行動和措施。在當(dāng)今及未來的高技術(shù)戰(zhàn)爭中,電子對抗正在扮演越來越重要的角色,并在戰(zhàn)略攻防中起到重要作用。

2015年,王睿甲等學(xué)者[65]對壓制性干擾和欺騙性干擾的射頻隱身特性進(jìn)行了分析,提出了一種基于射頻隱身的自衛(wèi)電子對抗功率管控方法。該方法通過控制干擾發(fā)射功率,保持恒定的信干比和壓制系數(shù),從而對雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)施干擾。仿真結(jié)果表明,該方法能夠有效改善電子對抗系統(tǒng)的射頻隱身性能。

2016年,汪濤等學(xué)者[66]對美軍戰(zhàn)斗機(jī)電子戰(zhàn)能力進(jìn)行梳理,從美軍主力戰(zhàn)斗機(jī)電子戰(zhàn)系統(tǒng)及其電子戰(zhàn)能力、以及美軍戰(zhàn)斗機(jī)電子戰(zhàn)發(fā)展的主要特點(diǎn)等方面進(jìn)行了分析,具有較好的參考價(jià)值。

2017年,王玉冰等學(xué)者[67]為了實(shí)現(xiàn)機(jī)載火控雷達(dá)的工作模式識別,提出了一種基于網(wǎng)格搜索和K折交叉驗(yàn)證的最小二乘支持向量機(jī)優(yōu)化算法。該算法使用網(wǎng)格搜索方法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,利用K折交叉驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)性能評估,仿真結(jié)果表明,該算法對速度搜索、單目標(biāo)跟蹤、搜索范圍和掃描跟蹤模式的識別精度達(dá)到97%。

2018年,蔣平虎等學(xué)者[68]基于國外新一代機(jī)載電子戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展情況,從機(jī)載對抗系統(tǒng)性能、射頻隱身干擾技術(shù)、快速定位能力等角度出發(fā),對機(jī)載電子戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了探討和預(yù)測。同年,時(shí)晨光等學(xué)者[69]針對雷達(dá)通信聯(lián)合系統(tǒng),提出了3種基于射頻隱身的多載波雷達(dá)壓制干擾功率分配準(zhǔn)則,在達(dá)到一定壓制干擾性能的情況下,通過優(yōu)化噪聲干擾功率分配,最小化干擾機(jī)的總發(fā)射功率,并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了3種準(zhǔn)則的有效性。

2020年,徐宇恒等學(xué)者[70]引入了信息熵理論,對基于動態(tài)序列貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的空中作戰(zhàn)意圖識別算法進(jìn)行優(yōu)化。在假設(shè)的空戰(zhàn)場景下,優(yōu)化后的算法能有效地實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)意圖識別。同年,胡朝暉等學(xué)者[71]建立了基于隱身?xiàng)l件的雙機(jī)協(xié)同電子戰(zhàn)功率分配多目標(biāo)優(yōu)化模型,該模型以截獲概率和干擾效果作為決策指標(biāo),有效解決了電子戰(zhàn)環(huán)境下雙機(jī)協(xié)同功率分配問題,同時(shí)在空戰(zhàn)過程中,實(shí)現(xiàn)了對敵發(fā)現(xiàn)概率的壓制。裴云等學(xué)者[72]對雷達(dá)與電子干擾之間的博弈情況進(jìn)行研究,從隱身與干擾、隱身與電子戰(zhàn)等方面進(jìn)行討論,并對戰(zhàn)斗機(jī)隱身與電子偵察干擾間對抗、協(xié)同、促進(jìn)的博弈關(guān)系進(jìn)行了總結(jié)。

2.3 低副瓣數(shù)字波束形成

相控陣?yán)走_(dá)天線設(shè)計(jì)的好壞將對飛行器射頻隱身性能造成直接影響。通過特定的數(shù)字波束形成算法,在保證雷達(dá)任務(wù)要求的條件下,控制發(fā)射波束主副瓣功率,自適應(yīng)地降低無源探測系統(tǒng)方向的發(fā)射天線增益或形成波束零陷,可進(jìn)一步提高雷達(dá)系統(tǒng)的射頻隱身性能。

2007年,胡夢中等學(xué)者[73]解決了一維、二維、三維天線陣的超低副瓣多波束形成問題,通過該方法可以得到低旁瓣波束且易控制波束大小和方向。2010年,劉姜玲等學(xué)者[12]提出了一種以正交信號作為激勵的陣列天線形式,分析了該模型的射頻隱身性能,給出了等效陣列天線方向圖,并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的可行性。

2010年,Lawrence[74]提出了一種基于LPI的相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射波形形成方法,通過加權(quán)合成一系列低增益波束來形成原始的高增益波束,隨著峰值發(fā)射增益的降低,電子支援措施(electronic support measure,ESM)截獲距離顯著減小。該方法可在不影響目標(biāo)探測性能的情況下,提升系統(tǒng)的戰(zhàn)場生存能力和LPI性能。

2013年,王文欽等學(xué)者[75]提出了一種基于距離-角度依賴的線性頻率分集陣列(frequency diversity array,FDA)天線自適應(yīng)波束形成方法。該方法對扇區(qū)外干擾,特別是距離相關(guān)干擾具有良好的壓制性能。

2013年,張貞凱等學(xué)者[76]根據(jù)目標(biāo)RCS大小和目標(biāo)距離設(shè)計(jì)了雷達(dá)主瓣發(fā)射功率。同時(shí),基于面陣寬帶信號發(fā)射模型,利用約束最小方差準(zhǔn)則產(chǎn)生權(quán)矢量,在截獲接收機(jī)方向形成發(fā)射波束零陷。研究結(jié)果表明,所得到的發(fā)射波束能在滿足目標(biāo)探測性能要求的條件下獲得較低的截獲概率。

2014年,李文興等學(xué)者[77]基于最小方差響應(yīng)無畸變波束形成思想提出了一種新的數(shù)字波束形成零陷展寬方法,該算法將對角加載技術(shù)與投影變換相結(jié)合,能夠?qū)?qiáng)干擾信號進(jìn)行有效抑制,且算法運(yùn)算復(fù)雜度低,在低快拍情況下依然具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性。同年,Abdul等學(xué)者[78]提出了一種混合認(rèn)知相控陣?yán)走_(dá)的低截獲發(fā)射陣列波束形成設(shè)計(jì)方法。

2015年,楊少委在文獻(xiàn)[79]的基礎(chǔ)上,提出基于射頻隱身的正交波形MIMO雷達(dá)發(fā)射波束形成算法[80],并利用最速下降法進(jìn)行求解,優(yōu)化后天線副瓣水平得到了降低,同時(shí)有利于提高M(jìn)IMO雷達(dá)的射頻隱身性能。同年,王文欽[81]提出了一種用于FDA雷達(dá)的自適應(yīng)射頻隱身波束形成方法,該方法不需要額外的掃描時(shí)間,兼具FDA雷達(dá)和認(rèn)知雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn),且發(fā)射波束擁有良好的低截獲特性。

2016年,胡柏林[82]對頻率分集雷達(dá)天線方向圖的角度-距離依賴特性進(jìn)行分析,探討了一種FDA雷達(dá)抗空間分布干擾方法。該方法利用自適應(yīng)波束形成技術(shù)和穩(wěn)健波束形成技術(shù),在特定空間位置設(shè)置零陷,仿真結(jié)果驗(yàn)證了FDA雷達(dá)可以有效地抑制空間分布的干擾源。同年,Huang等學(xué)者[83]以提升FDA-MIMO雷達(dá)發(fā)射信號的低截獲性能為目標(biāo),提出了一種FDA-MIMO雷達(dá)陣列加權(quán)設(shè)計(jì)方案,即最小化目標(biāo)位置處信號能量,最大化接收機(jī)處信號能量。仿真結(jié)果表明,FDA-MIMO雷達(dá)發(fā)射信號的接收概率得到提高,且與傳統(tǒng)雷達(dá)發(fā)射信號相比擁有更好的低截獲性能。

2018年,熊杰[84]研究了多種基于頻控陣的低截獲雷達(dá)發(fā)射波束設(shè)計(jì)方法,利用頻控陣的距離依賴特性,控制波束方向圖在空間的能量分布,使得目標(biāo)處所接收到的能量最小,而雷達(dá)接收機(jī)處所接收到的能量最大,從而提升目標(biāo)處雷達(dá)的射頻隱身性能。

2020年,Chen等學(xué)者[85]將四維天線陣列理論與數(shù)字波束形成技術(shù)相結(jié)合,利用四維變量來擴(kuò)展檢測維度,增加信號的不確定性,該方法將MIMO天線和四維天線的優(yōu)勢相結(jié)合起來,具有良好的目標(biāo)檢測性能和射頻隱身性能。

2.4 射頻隱身信號波形設(shè)計(jì)

射頻隱身信號波形設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是在滿足雷達(dá)性能要求和作戰(zhàn)任務(wù)條件的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)具有射頻輻射峰值功率低、信號時(shí)頻域不確定性大的機(jī)載雷達(dá)信號波形。增強(qiáng)發(fā)射信號波形的射頻隱身性能,即提高信號波形的抗檢測、抗分選識別性能。采用復(fù)雜編碼將信號波形在時(shí)頻域上進(jìn)行擴(kuò)展,是降低被無源探測系統(tǒng)截獲的有效途徑,復(fù)雜編碼也能夠讓發(fā)射信號難以被無源探測系統(tǒng)識別,從而增強(qiáng)了信號的抗分選識別性能。從現(xiàn)有的研究成果來看,主要的設(shè)計(jì)研究方向有偽隨機(jī)編碼連續(xù)波信號波形設(shè)計(jì)、頻率跳變波形設(shè)計(jì)、相位編碼波形設(shè)計(jì)、混合波形設(shè)計(jì)等。

2001年,孫東延等學(xué)者[86]將三相編碼與線性步進(jìn)調(diào)頻相結(jié)合,設(shè)計(jì)出了一種比傳統(tǒng)方法截獲概率更低的混合雷達(dá)波形,有效地解決了多普勒頻移敏感性與目標(biāo)距離/速度分辨率等問題,同時(shí)使用線性步進(jìn)調(diào)頻技術(shù),使信號的抗截獲能力得到了較大提升。

2002年,程翥等學(xué)者[87]得出大時(shí)間帶寬積是低截獲概率信號的必備特征之一,并據(jù)此提出了一種具有LPI性能的雷達(dá)信號。2003年, Sun等學(xué)者[88]將超寬帶信號和隨機(jī)信號相結(jié)合,設(shè)計(jì)了一種寬帶隨機(jī)混合信號,提高了目標(biāo)檢測性能和參數(shù)估計(jì)能力;另外,由于該信號具有隨機(jī)特性,有利于提升其射頻隱身性能。

2006年,張艷芹等學(xué)者[89]將Taylor四相編碼和線性調(diào)頻結(jié)合起來,提出了一種組合調(diào)制雷達(dá)信號。該信號具有“圖釘型”模糊函數(shù),且其調(diào)制形式復(fù)雜,即使敵方截獲了接收機(jī)也很難對其進(jìn)行解壓,從而擁有較好的射頻隱身性能。

2008年,林云等學(xué)者[90]對步進(jìn)頻率信號的多普勒性能進(jìn)行了分析,利用其高距離分辨率特點(diǎn),提出了一種參差脈沖重復(fù)間隔步進(jìn)頻率信號,該信號消除了目標(biāo)與雷達(dá)相對運(yùn)動時(shí)二次附加相位項(xiàng)的影響,并擁有良好的距離分辨率和射頻隱身性能。

2009年, Kassab采用基于交替投影和連續(xù)快速傅里葉變換的快速編碼技術(shù),在文獻(xiàn)[91]和文獻(xiàn)[92]所提方法上進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計(jì)了一種恒模類噪聲的稀疏頻率雷達(dá)信號[93]。產(chǎn)生的類噪聲雷達(dá)信號具有一定LPI特性,同時(shí)該技術(shù)可用于快速改變發(fā)射波形,具有抗雜波、抗干擾和適應(yīng)快速變化電磁頻譜環(huán)境的能力。

2011年開始,楊紅兵等學(xué)者[94-96]對射頻隱身信號波形設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。首先,提出了具有較高目標(biāo)分辨能力的對稱三角線性調(diào)頻連續(xù)波信號[94],并采用施里海爾截獲因子對其射頻隱身性能進(jìn)行評估。結(jié)果顯示,該信號具有較大的時(shí)間帶寬積,且施里海爾截獲因子小于1,并小于常規(guī)脈沖多普勒雷達(dá)信號,因此具有良好的射頻隱身性能。在此基礎(chǔ)上,提出了一種基于噪聲調(diào)制的對稱三角線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號[95],并給出了該信號的產(chǎn)生原理和實(shí)現(xiàn)流程,仿真結(jié)果表明,噪聲調(diào)制連續(xù)波雷達(dá)信號具有優(yōu)良的射頻隱身性能,并可通過調(diào)整高斯噪聲信號功率和帶寬提升其射頻隱身性能。之后,該團(tuán)隊(duì)又設(shè)計(jì)了Costas/相移鍵控(phase shift keying, PSK)射頻隱身信號波形和5種不同的頻移鍵控(frequency shift keying, FSK)PSK雷達(dá)信號波形[96],并對其功率譜密度進(jìn)行了分析和仿真。研究結(jié)果表明,Costas/PSK組合信號的射頻隱身性能優(yōu)于Costas信號。

2012年,向建軍等學(xué)者[97]等對二相編碼信號和步進(jìn)頻率信號等典型LPI雷達(dá)信號進(jìn)行了分析,提出了基于脈內(nèi)二相編碼與脈間步進(jìn)頻率的復(fù)合調(diào)制雷達(dá)信號,通過在步進(jìn)頻率信號的每一個(gè)碼元內(nèi)進(jìn)行二相碼擴(kuò)譜,保證每個(gè)發(fā)射脈沖都具有大帶寬。該信號調(diào)制形式復(fù)雜,且發(fā)射信號與雷達(dá)接收機(jī)之間能進(jìn)行良好的帶寬匹配,提高了輸出信號的信噪比,從而獲得了較好的射頻隱身性能。

2014年,Galati等學(xué)者[98]對偽隨機(jī)波形及其信息率進(jìn)行了分析,并針對信息速率隨波形隨機(jī)性變化而變化的情況,對偽隨機(jī)波形的低截獲特性進(jìn)行評價(jià)。仿真結(jié)果表明,在實(shí)際工程中,需要結(jié)合具體應(yīng)用場景對低截獲性能和峰旁瓣比進(jìn)行權(quán)衡設(shè)計(jì)。

2015年,Luo等學(xué)者[99]提出了一種脈沖壓縮低截獲波形旁瓣抑制算法,該算法主要通過對協(xié)方差矩陣進(jìn)行修正來改善最優(yōu)濾波器性能,并對頻率跳碼進(jìn)行處理。結(jié)果表明,該算法能夠?qū)Ω哳l旁瓣進(jìn)行有效抑制。

2016年,楊宇曉等學(xué)者[100]以跳頻周期為設(shè)計(jì)對象,提出一種基于混沌序列的射頻隱身跳頻周期設(shè)計(jì)方法,該方法可實(shí)現(xiàn)跳頻序列周期的隨機(jī)變化,從而提高跳頻系統(tǒng)的低截獲性能。

2017年,Kamble等學(xué)者[101]提出利用多相調(diào)制技術(shù)來優(yōu)化LPI雷達(dá)目標(biāo)檢測性能的混合波形設(shè)計(jì)方法,并對設(shè)計(jì)出的4相、8相和16相等多相編碼信號進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明,隨著碼相位數(shù)的增加,信號的自相關(guān)特性得到了改善。同年,為同時(shí)實(shí)現(xiàn)低距離旁瓣和高多普勒容限,Feng等學(xué)者[102]提出了單模線性調(diào)頻合成波形設(shè)計(jì)算法,并采用交替投影相位控制方法對所建立模型的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),所得到的波形具有和隨機(jī)噪聲類似的射頻隱身性能,且具有較低的旁瓣電平。

2019年,付銀娟等學(xué)者[103]提出非線性調(diào)頻Costas復(fù)合調(diào)制雷達(dá)信號,該信號采用脈間Costas頻率編碼和脈內(nèi)非線性調(diào)頻,兼有非線性調(diào)頻信號和Costas信號的優(yōu)勢,具有理想的“圖釘型”模糊函數(shù)和較低的旁瓣電平。仿真結(jié)果表明,該信號的射頻隱身性能優(yōu)于傳統(tǒng)線性調(diào)頻信號、Costas信號和線性調(diào)頻Costas信號等。之后,該團(tuán)隊(duì)又提出了脈間復(fù)合調(diào)頻與脈內(nèi)多相編碼的復(fù)合調(diào)制雷達(dá)信號[104],所設(shè)計(jì)的信號增加了時(shí)頻復(fù)雜度和相位隨機(jī)性,且具有大的時(shí)寬帶寬積,與非線性調(diào)頻Costas信號相比,具有更強(qiáng)的保密性和更好的自相關(guān)性能,是一種性能良好的射頻隱身波形。同年,顧兵[105]基于多相編碼信號的復(fù)雜性及正交信號的互相關(guān)低峰值特性,提出了對抗轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾的雷達(dá)波形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法將經(jīng)過遺傳算法優(yōu)化得到的子脈沖信號按一定的方式拼接成完整的雷達(dá)發(fā)射波形,增加了被截獲所需時(shí)間,且具有抗轉(zhuǎn)發(fā)干擾能力。

2018年,時(shí)晨光等學(xué)者[106]提出了面向射頻隱身的雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)最優(yōu)OFDM波形設(shè)計(jì)方法,在保證一定目標(biāo)參數(shù)估計(jì)互信息閾值和數(shù)據(jù)傳輸速率閾值的條件下,通過優(yōu)化OFDM發(fā)射波形,最小化一體化系統(tǒng)的總輻射功率。仿真結(jié)果表明,所提方法能夠以較低的復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)的波形設(shè)計(jì)問題,并有效地提高了其射頻隱身性能。2019年,文獻(xiàn)[107]針對雜波與有色噪聲環(huán)境,提出了對抗壓制干擾的分布式MIMO雷達(dá)射頻隱身波形設(shè)計(jì)算法。文獻(xiàn)[108]則研究了頻譜共存環(huán)境下面向射頻隱身的最優(yōu)OFDM雷達(dá)波形設(shè)計(jì)問題,假設(shè)經(jīng)目標(biāo)散射到達(dá)通信基站的雷達(dá)信號可被通信基站接收并處理,采用克拉美羅下界作為目標(biāo)時(shí)延估計(jì)精度的衡量指標(biāo),在滿足一定目標(biāo)時(shí)延估計(jì)性能要求的情況下,對雷達(dá)OFDM波形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)雷達(dá)輻射功率的最小化。仿真結(jié)果表明,通信基站作為雙基地雷達(dá)接收機(jī),能夠進(jìn)一步提升雷達(dá)系統(tǒng)的射頻隱身性能。

2020年,楊宇曉等學(xué)者[109]提出了一種基于四維超混沌系統(tǒng)的射頻隱身跳頻通信設(shè)計(jì)方法。該方法將低維混沌擴(kuò)展至四維,增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。仿真結(jié)果表明,在有限精度條件下,該方法有效地消除了系統(tǒng)的短周期現(xiàn)象,且截獲概率與常規(guī)跳頻信號相比降低了30%以上。

2.5 多傳感器協(xié)同與管理

多傳感器協(xié)同與管理是提升飛行器射頻隱身性能的重要技術(shù)手段之一。通過機(jī)載射頻控制管理系統(tǒng)對飛行器上的有源/無源傳感器進(jìn)行協(xié)同與綜合管理,并通過多平臺間信息融合進(jìn)一步降低有源傳感器的射頻輻射,從而提升飛行器的射頻隱身性能。在當(dāng)今信息化戰(zhàn)爭中,可將多平臺傳感器通過特定的協(xié)議與通信網(wǎng)絡(luò)鏈接成一個(gè)整體,根據(jù)各傳感器提供的先驗(yàn)知識以及戰(zhàn)場局勢的變化,實(shí)現(xiàn)多傳感器協(xié)同與綜合管理,獲得更多、更新的戰(zhàn)場態(tài)勢感知信息。

2007年,王建明等學(xué)者[110]對ESM引導(dǎo)下的雷達(dá)目標(biāo)搜索時(shí)間進(jìn)行了分析,提出了艦載雷達(dá)與ESM協(xié)同目標(biāo)搜索方法。仿真結(jié)果指出,基于ESM引導(dǎo)的協(xié)同探測方法能夠大大減少雷達(dá)搜索目標(biāo)所需的次數(shù),并且有效提高了目標(biāo)角度測量精度。

2011年,Kemkemian等學(xué)者[111]分別針對單平臺和多平臺組網(wǎng)等情況,研究了ESM和機(jī)載雷達(dá)協(xié)同探測機(jī)制。研究表明,在更大作戰(zhàn)范圍內(nèi),多平臺傳感器協(xié)同可實(shí)現(xiàn)單平臺傳感器無法達(dá)到的性能,能夠獲得更高的定位精度、更遠(yuǎn)的探測距離和更優(yōu)的隱蔽性。同年,熊久良等學(xué)者[112]提出了基于組網(wǎng)的紅外/雷達(dá)協(xié)同間歇跟蹤算法,將火控雷達(dá)和紅外傳感器所獲得的目標(biāo)信息進(jìn)行互補(bǔ),降低了火控雷達(dá)的開機(jī)時(shí)間,提高了其射頻隱身性能和戰(zhàn)場生存能力,但是紅外傳感器和火控雷達(dá)的不同配置方式會對整體作戰(zhàn)效果產(chǎn)生一定影響。

2011年,吳巍、王國宏等學(xué)者針對面向輻射控制的多傳感器協(xié)同目標(biāo)跟蹤問題進(jìn)行了研究[113-115]。文獻(xiàn)[113]通過比較目標(biāo)跟蹤過程中距離估計(jì)信息熵和距離測量熵來對雷達(dá)輻射進(jìn)行實(shí)時(shí)控制;之后基于目標(biāo)跟蹤過程中的預(yù)測協(xié)方差,分別提出了ESM間歇量測下機(jī)載雷達(dá)/ESM協(xié)同跟蹤與輻射控制算法[114]和機(jī)載雷達(dá)、紅外傳感器、ESM協(xié)同跟蹤與輻射管理算法[115],并對目標(biāo)運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行融合濾波。研究表明,上述方法有助于提高飛行器的射頻隱身性能。

2012年,薛朝暉等學(xué)者[116]以雙機(jī)編隊(duì)為例,研究了機(jī)載雷達(dá)與紅外協(xié)同資源管理問題,提出了以無源傳感器為主、有源傳感器為輔的協(xié)同資源管理策略,并通過獨(dú)立的控制因子實(shí)現(xiàn)對有源雷達(dá)的輻射控制,易于工程實(shí)現(xiàn)。仿真實(shí)驗(yàn)表明,控制因子越大,目標(biāo)跟蹤誤差越大,雷達(dá)開機(jī)次數(shù)越少,其射頻隱身性能就越好。

2013年,Narykov等學(xué)者[117]針對單目標(biāo)跟蹤場景,提出了多雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)間資源管理與傳感器選擇聯(lián)合優(yōu)化算法,以最小化多雷達(dá)系統(tǒng)的時(shí)間資源消耗為目標(biāo)函數(shù),以給定目標(biāo)跟蹤誤差為約束條件,對下一時(shí)刻的雷達(dá)傳感器選擇與所需時(shí)間資源進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究結(jié)果顯示,與單雷達(dá)系統(tǒng)相比,所提算法能在保證相同目標(biāo)跟蹤精度的條件下,獲得更低的時(shí)間資源消耗。

2014年,周峰等學(xué)者[118]提出了主動雷達(dá)輔助的被動雷達(dá)協(xié)同目標(biāo)探測跟蹤模式,充分發(fā)揮了二者的互補(bǔ)優(yōu)勢,同時(shí)引入模糊理論,對主動雷達(dá)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,提高了主動雷達(dá)的射頻隱身性能。同年,張貞凱等學(xué)者對文獻(xiàn)[119]中的IMMPF算法進(jìn)行了改進(jìn),提出了一種面向射頻隱身的傳感器選擇方法[120],該方法根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動狀態(tài)的不確定性和目標(biāo)的機(jī)動性,分別采用累積殘差協(xié)方差和信息增益來實(shí)時(shí)確定雷達(dá)開機(jī)時(shí)刻,從而保證目標(biāo)跟蹤性能。

2015年,吳衛(wèi)華等學(xué)者[121]基于地心地固坐標(biāo)系的IMM和概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法,提出了雜波環(huán)境下機(jī)載雷達(dá)輔助無源傳感器對機(jī)動目標(biāo)的跟蹤算法,該算法考慮載機(jī)實(shí)時(shí)飛行姿態(tài)和地球曲率等因素,選取綜合預(yù)測協(xié)方差的跡作為控制變量來對雷達(dá)的開關(guān)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行控制。仿真實(shí)驗(yàn)表明,該算法能夠有效降低有源傳感器的輻射能量,提升其生存能力,而目標(biāo)跟蹤精度并未受到明顯影響。

2017年,武龍等學(xué)者[122]構(gòu)建了干擾環(huán)境下基于機(jī)載多傳感器協(xié)同探測的雷達(dá)跟蹤系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠在目標(biāo)跟蹤精度低于期望值時(shí)運(yùn)用支持向量機(jī)和卡爾曼濾波算法實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的持續(xù)跟蹤,解決了有源壓制干擾條件下目標(biāo)航跡丟失的問題。同年,饒世鈞等學(xué)者[123]對艦載多傳感器協(xié)同探測資源調(diào)度模型進(jìn)行了研究,給出了資源調(diào)度準(zhǔn)則和算法的實(shí)現(xiàn)步驟,并結(jié)合經(jīng)典預(yù)警探測任務(wù)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),結(jié)果驗(yàn)證了該模型的有效性與合理性。

2018年,喬成林等學(xué)者[124]以降低目標(biāo)跟蹤過程中有源傳感器被敵方截獲的風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo),提出了多傳感器協(xié)同目標(biāo)跟蹤與輻射控制算法。該算法使用隱馬爾可夫模型濾波器推導(dǎo)各傳感器的長時(shí)輻射風(fēng)險(xiǎn),采用改進(jìn)分支定界方法獲得了優(yōu)化的傳感器調(diào)度序列,降低了多傳感器系統(tǒng)的輻射風(fēng)險(xiǎn),提高了己方的射頻隱身性能。同年,劉欽等學(xué)者[125]從編隊(duì)作戰(zhàn)的實(shí)際需求出發(fā),提出了編隊(duì)多傳感器搜索空域協(xié)同分配算法,綜合考慮空域覆蓋、掃描時(shí)間、檢測概率等參數(shù)影響,對不同空域所需的雷達(dá)搜索資源進(jìn)行協(xié)同分配,從而在滿足早期預(yù)警和編隊(duì)防空等任務(wù)要求的條件下,提高了傳感器資源的利用率,減少了有源傳感器的射頻輻射。

2019年,針對多目標(biāo)協(xié)同識別跟蹤問題,龐策等學(xué)者[126]提出了基于多智能體分布計(jì)算的多傳感器管理算法,能夠有效識別目標(biāo),及時(shí)發(fā)現(xiàn)并停止對虛假目標(biāo)的跟蹤。賴作鎂等學(xué)者[127]研究了基于馬爾可夫決策過程的多傳感器協(xié)同輻射控制策略,同時(shí)采用概率方法,建立了多拍連續(xù)引導(dǎo)信息與累積被截獲概率、累積發(fā)現(xiàn)概率之間的函數(shù)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了不同作戰(zhàn)任務(wù)性能約束下的機(jī)載雷達(dá)射頻隱身性能優(yōu)化。通過仿真實(shí)驗(yàn),表明相對于經(jīng)驗(yàn)控制策略,所提策略得到的雷達(dá)輻射時(shí)間大大減少。同年,針對多任務(wù)場景,徐公國等學(xué)者[128]建立了基于部分可觀馬爾可夫決策過程的多傳感器協(xié)同調(diào)度模型,并提出了一種自適應(yīng)多種群協(xié)同差分進(jìn)化算法對上述模型進(jìn)行求解。仿真表明,所提算法能夠在多任務(wù)需求下實(shí)現(xiàn)多傳感器資源的合理調(diào)度,且具有良好的目標(biāo)檢測和跟蹤性能。

2020年,王俊迪等學(xué)者[129]提出了多機(jī)協(xié)同探測相控陣?yán)走_(dá)短時(shí)任務(wù)分配算法,建立了短時(shí)任務(wù)條件下工作時(shí)間最短的相控陣?yán)走_(dá)資源配置模型,并將優(yōu)化模型簡化為線性規(guī)劃問題進(jìn)行求解。同年,閆實(shí)等學(xué)者[130]基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法,對量化后的目標(biāo)威脅度進(jìn)行評估,并采用深度Q網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)對不同目標(biāo)的資源分配。仿真實(shí)驗(yàn)顯示,相較于已有算法,所提算法能夠縮短任務(wù)用時(shí),并實(shí)現(xiàn)已方飛行器生存能力的最大化。嚴(yán)俊坤等學(xué)者[131]則針對異構(gòu)雷達(dá)網(wǎng)中的異步多目標(biāo)跟蹤問題,提出了兩種最優(yōu)異構(gòu)資源分配方案,分別為給定多目標(biāo)跟蹤貝葉斯克拉美-羅下界要求下最小化雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)的總輻射資源消耗及給定輻射資源下最小化多目標(biāo)跟蹤誤差。針對多目標(biāo)跟蹤場景,時(shí)晨光等學(xué)者[132]提出了一種面向射頻隱身的組網(wǎng)雷達(dá)輻射功率與信號帶寬聯(lián)合分配算法,通過對雷達(dá)節(jié)點(diǎn)選擇、輻射功率和信號帶寬進(jìn)行優(yōu)化分配,在保證一定目標(biāo)跟蹤精度的條件下,降低了組網(wǎng)雷達(dá)射頻輻射資源消耗,提高了其射頻隱身性能。

3 飛行器射頻隱身技術(shù)的發(fā)展趨勢

飛行器射頻隱身技術(shù)是當(dāng)前國內(nèi)外都極其重視的軍事技術(shù)之一,已成為電磁戰(zhàn)中重要的一環(huán)。射頻隱身技術(shù)涉及到多種技術(shù)的綜合應(yīng)用,需要系統(tǒng)性的技術(shù)積累和支撐。同時(shí),射頻隱身技術(shù)研究是一項(xiàng)復(fù)雜且艱巨的任務(wù),需要耗費(fèi)巨大的人力、物力、財(cái)力。雖然各國科研工作者不斷研究出一系列新成果,但該領(lǐng)域仍然存在著一些尚待解決和完善的地方。當(dāng)前飛行器射頻隱身技術(shù)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

3.1 飛行器集群協(xié)同射頻能量控制

隨著軍事裝備技術(shù)的飛速發(fā)展,單一飛行器作戰(zhàn)將很難滿足未來作戰(zhàn)要求,飛行器集群協(xié)同作戰(zhàn)[133-135]已成為當(dāng)今及未來戰(zhàn)爭的主流。單個(gè)飛行器平臺不僅搭載有雷達(dá),還會有各種高度表、數(shù)據(jù)鏈、電子對抗、衛(wèi)通等有源傳感器。一旦涉及飛行器集群協(xié)同作戰(zhàn),集群的射頻輻射源數(shù)量便會急劇增多,被敵方無源傳感器截獲的風(fēng)險(xiǎn)也會大大增加,其射頻隱身性能也會大打折扣。因此,迫切需要對各平臺的射頻輻射資源、工作模式、傳感器協(xié)同管理等進(jìn)行聯(lián)合控制,使得在滿足不同作戰(zhàn)任務(wù)要求的條件下,實(shí)現(xiàn)各平臺輻射能量最小化,從而達(dá)到提高射頻隱身性能的目的。

3.2 飛行器集群射頻隱身性能評估

在已公開的文獻(xiàn)中,對于射頻隱身性能的評估指標(biāo)多是針對單平臺飛行器的情況,而對于飛行器集群射頻隱身評估指標(biāo)則研究較少。各飛行器平臺發(fā)射信號是否相參及是否滿足時(shí)間、空間、相位同步,將直接影響到系統(tǒng)射頻隱身性能的優(yōu)劣。因此,下一步需結(jié)合各平臺發(fā)射信號相參形式、同步情況以及不同傳感器工作模式,對飛行器集群射頻隱身評估指標(biāo)進(jìn)行研究,并根據(jù)建立的射頻隱身性能評估指標(biāo)體系,對飛行器集群的射頻輻射資源、集群協(xié)同工作模式等進(jìn)行進(jìn)一步管控。

3.3 基于戰(zhàn)場邊界條件的飛行器射頻隱身技術(shù)研究

飛行器射頻隱身技術(shù)想要實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用,需要擁有良好的運(yùn)行環(huán)境、實(shí)時(shí)的軟件算法以及優(yōu)良的硬件條件。一方面,射頻隱身技術(shù)要能夠適用于低信噪比、強(qiáng)雜波、惡劣氣象條件等復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境;另一方面,在不同的作戰(zhàn)環(huán)境下對集群各平臺工作模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換,還要保證優(yōu)化控制方法的準(zhǔn)確性、穩(wěn)健性和實(shí)時(shí)性。因此,下一步的飛行器射頻隱身技術(shù)研究必須結(jié)合戰(zhàn)場邊界條件,以實(shí)戰(zhàn)需求牽引飛行器射頻隱身技術(shù)的發(fā)展。

3.4 飛行器雷達(dá)通信一體化射頻隱身技術(shù)研究

隨著射頻設(shè)備數(shù)量的不斷增加和高速數(shù)據(jù)傳輸要求更高的帶寬需求,機(jī)載雷達(dá)、戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈等射頻傳感器模塊化程度低、體積大、成本高、電磁干擾嚴(yán)重,越來越難以適應(yīng)現(xiàn)代化智能作戰(zhàn)平臺的設(shè)計(jì)要求。可以說,當(dāng)今飛行器已經(jīng)成為了會飛的傳感器。在有限的平臺體積和孔徑資源下,實(shí)現(xiàn)多傳感器、多功能融合的綜合射頻技術(shù),將雷達(dá)與通信進(jìn)行有機(jī)結(jié)合并共享資源,是解決上述問題的有效途徑。因此,如何通過信號共享、資源共享與動態(tài)組合等技術(shù),降低雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)的電磁干擾和輻射能量,并形成對敵作戰(zhàn)優(yōu)勢,開展飛行器雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)射頻隱身技術(shù)研究勢在必行。

4 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代無源探測系統(tǒng)發(fā)展的日益完善,飛行器在現(xiàn)代作戰(zhàn)環(huán)境下的生存能力受到了嚴(yán)峻威脅。飛行器射頻隱身技術(shù)是有效提高飛行器生存能力和突防能力的重要手段。隨著科技的發(fā)展以及無源探測系統(tǒng)的更新?lián)Q代,射頻隱身技術(shù)研究將會面臨更加復(fù)雜的挑戰(zhàn)。本文對射頻隱身技術(shù)的基本概念和研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述,介紹了射頻隱身技術(shù)的實(shí)現(xiàn)途徑,對當(dāng)前射頻隱身技術(shù)的國內(nèi)外研究成果進(jìn)行評述,最后基于已有的研究成果,針對現(xiàn)有射頻隱身技術(shù)發(fā)展問題,對飛行器射頻隱身技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。