電子偵察設備整機設計與發展趨勢探究

于周吉

(海軍裝備部，北京 100036)

0 引 言

電子戰是現代信息化戰爭的重要組成部分，對戰爭的勝負有著決定性的作用。隨著認知電子對抗技術的發展以及各國對電子戰認識水平的提高，傳統的電子對抗裝備已經難以滿足各國軍隊日益增長的智能化對抗的需求。而對復雜電磁環境的態勢感知是智能化對抗的前提，因此提高無源偵察設備的設計水平成為了下一代電子戰的重點與難點[1]。近些年科研人員對各類無源偵察設備均有很多探究：頻帶方面，從傳統的寬帶偵察機到數字信道化偵察機；測頻方面，從傳統的瞬時測頻接收機到單比特測頻接收機；測向方面，從傳統的多波束比幅測向、干涉儀測向到空間譜估計測向；天線方面，從傳統的多波束透鏡天線到平面螺旋天線再到基于數字波束合成的陣列天線、極化可重構天線等。前輩的探究給我們留下了巨大的財富，本文擬在前人研究的基礎上，總結這類偵察體制的優缺點，再從未來作戰的角度進行需求分析，給出未來電子偵察設備和技術的發展方向。

1 偵察設備指標內涵與其制約因素

本文認為偵察機傳統的核心指標有以下幾項：偵察截獲概率、靈敏度、參數估計精度、系統反應時間等。除此之外，雷達個體識別、雷達行為識別、威脅信號估計等在近些年也逐漸成為偵察設備備受關注的指標，下面對以上指標的內涵作簡要闡述。

1.1 靈敏度與偵察截獲概率

靈敏度指標反映了無源偵察設備的探測“威力”，與偵察距離指標成正比。一般來說，偵察設備靈敏度越高，其偵察的距離就越遠：視距范圍內，靈敏度指標每提升6 dB，同樣的，雷達信號探測距離則提高1倍，因此靈敏度指標是無源偵察設備最為關心的核心指標之一。接收機靈敏度公式如下：

Prmin=-114+10lgB+F+σSNRd-G

(1)

式中：Prmin為接收機靈敏度，單位為dBm；B為接收機處理帶寬，單位為MHz；F為微波前端噪聲系數，單位為dB；σSNRd為檢測或處理所需要的最低信噪比，單位為dB；G為偵察設備天線增益。

一般來說，微波前端的噪聲系數實現提升的空間不大，因此靈敏度提升主要依靠三大方面：(1)提高偵察設備天線增益；(2)降低接收機所需要的最低信噪比；(3)減少接收機的處理帶寬。表1集中體現了偵察截獲概率與靈敏度提升的關系。

表1 偵察截獲概率與靈敏度提升關系

綜上，在一定成本范圍內，偵察設備的靈敏度和截獲概率是相互制約的。保持相同的截獲概率的條件下，偵察設備靈敏度每提高3 dB，便需要提高1倍的成本。因此各國的偵察設備現在一般2類并存：寬帶偵察設備和高靈敏度偵察設備。寬帶偵察設備意味著高截獲概率，體現在頻率寬開、空域寬開(方位寬開和俯仰寬開)、瞬時參數估計上；高靈敏度偵察設備則意味著在一定程度上的頻率搜索、空域搜索、時間積累，可大大提高設備的探測范圍，但截獲概率相對較低。

1.2 參數估計精度、系統反應時間

參數估計精度反應的是偵察設備對敵方雷達參數測量的準確程度。傳統的參數估計主要包括六大參數：雷達載頻、雷達方位、雷達重復周期、雷達脈沖寬度、雷達幅度和雷達極化方式，可以看出這六大參數均為雷達脈間的參數特征，而不包含脈內信息，這些參數主要是提供給干擾設備，用作引導干擾使用。而現在偵察設備的用途大大擴展，是戰場態勢感知的重要組成部分，因此偵察設備除了對雷達脈間特征進行測量，也需要增加對脈內信息的提取能力，主要包括：雷達調制類型、雷達帶寬、脈沖上升沿和下降沿時間等參數的測量，進而利用這些參數進行雷達個體識別、行為識別和威脅估計。

在以上各類參數估計中，大多數參數估計的準確度取決于接收機本身的設計，于目前來講基本是可以滿足作戰需求的。而雷達頻率測量精度、方位測量精度和脈內信息的估計依舊存在需求與能力之間的矛盾。頻率測量精度、脈內信息獲取的準確性主要取決于信號的信噪比，也就是說靈敏度高的偵察設備在相同情況下，這些指標會相對較高。因此提高測頻精度等指標的方式基本和提高設備靈敏度的方式一致。一般來說精測頻和脈內信息并不是針對每個雷達都需要去測量，通常是先初步判定某個信號為高威脅，再開辟專門的偵察資源對該雷達信號進行長時間積累，獲得非常高的信噪比后再進行測量，從而達到較好的效果。

傳統偵察設備對雷達方位精度的估計方法主要有兩大類，即多波束比幅測向和干涉儀測向。多波束比幅測向的準確程度主要取決于天線的波束寬度，一般來說測向精度在波束寬度的五分之一到十分之一之間，隨著天線波束寬度的降低而趨向于平穩。因為其誤差主要由天線波束寬度的不確定性、天線波束指向的不確定性、微波通路一致性、接收機量化誤差等決定，其中部分誤差無法徹底避免。從經驗來講，96波束的多波束比幅測向最優的誤差在0.7°～0.8°左右，幾乎達到了多波束比幅測向的“極限”，再多的波束數量無法獲得更多的收益。干涉儀測向體制的偵察機在測向方面一般來講優于多波束體制的偵察機，其誤差主要取決于最長天線間隔和多通道的相位一致性。從經驗來講，干涉儀體制的偵察設備測向精度在0.2°～0.5°之間。

2 傳統偵察體制優缺點比較

在雷達偵察設備的研制過程中，綜合考慮關鍵指標、設備成本、體積大小和技術的發展等因素，形成了眾多不同體制的偵察設備，它們各有優勢和自身的局限性，主要的偵察體制描述如表2所示。

表2 主要偵察體制比較

綜上表所述，偵察體制沒有最優和最劣之分，是為滿足不同應用需求而進行的適應性設計。一般來說性價比較高的組合設計方案有：

(1) 基于透鏡天線的多波束比幅測向寬帶電子偵察(ESM)接收機+寬帶測頻接收機組合；

(2) 基于透鏡天線的多波束比幅測向窄帶數字信道化接收機；

(3) 基于平面螺旋天線的干涉儀測向窄帶數字信道化接收機；

(4) 基于相控陣天線的數字波束合成窄帶數字信道化接收機；

上述方案(1)和方案(2)在美軍偵察設備SLQ-32(V)中一并采用，其可靠性、性價比較高，針對無俯仰測向需求的情況適應性較好。

方案(3)在歐洲多功能艦艇上應用，其成本非常低，又具備方位、俯仰同時測向能力，針對無復雜環境和無高靈敏度偵察需求的電磁環境適應性較好。

方案(4)一般在各國綜合射頻建設中普遍使用，數字波束合成可使天線的可重構性增強，環境適應性大幅度提升。一般情況下，由于相控陣天線子陣單元眾多，最大合成增益也比傳統天線高出很多，因此靈敏度極高，適用于超視距無源偵察。但是其成本也是各類偵察設備中最高的且偵察帶寬相對較窄。

3 偵察設備整機設計與發展趨勢

3.1 偵察設備整機設計

3.1.1 基本思路

任何產品的設計最終都是需求與代價的綜合產物：滿足需求且代價最低的產品為性價比產品。電子偵察設備的研制也是一樣，不同的應用場景和應用環境因其需求不一致，設計的產品也不會相同。因此深入了解偵察設備的使用環境，進行詳細的需求分析，是偵察設備的設計前提。

3.1.2 偵察設備需求分析

雷達偵察設備的需求主要分成兩大類，第1類是為干擾機提供信息支持；第2類是為態勢生成提供保障。這2類需求既有區別又有聯系，表3根據偵察設備的基本需求給出了詳細闡述。

表3 偵察設備基本需求

由表3可見，在引導干擾機時最重要的需求體現在：反應要快，帶寬要寬，覆蓋范圍要大，瞬時動態范圍要大，截獲概率要高。其他的需求雖然也需要，但是在滿足以上需求的條件制約下盡可能地滿足。而態勢生成最重要的需求在于智能化的完成對某個雷達盡可能多的特征提取與分析，判斷對方的狀態、行為意圖與威脅等級，為我方情報提供有力的支撐。而對信息產生速度快慢、同時多目標的截獲等方面沒有太多的需求，盡可能優化即可。

3.1.3 偵察設備整機設計

從上節可知，兩大類雷達偵察設備需求并不一致，因此研制重點也不一樣，實現手段也不盡相同。如兩者都需要偵察靈敏度盡可能提高，對于引導干擾使用的偵察設備而言，因其需要做到反應快、帶寬寬、覆蓋范圍大、瞬時動態范圍大、截獲概率高，提高靈敏度只能依靠接收前端“拼湊”來實現，常用的手段有：(1)提高天線增益，通過增加天線單元個數來實現全空域的瞬時覆蓋；(2)降低每個接收通路的瞬時帶寬，通過增加接收機的通路數來實現全頻段的瞬時覆蓋。對于用作態勢生成的偵察設備而言，可通過時間上的積累、縮減接收帶寬等手段提高設備的靈敏度，這樣可以在滿足需求的條件下保證較低的成本，下面分別闡述2類干擾機的具體設計方法：

(1) 引導干擾機的偵察設備設計選擇

總的來說，引導干擾機的偵察設備設計要點在前端，主要包括天線的選擇、微波接收和接收機測頻測向處理算法的選擇等。這類偵察設備截獲概率較大，因此使用方面較為簡單，后端信息處理部分智能化需求不太高，相對來說后端較為容易實現。表4對引導干擾機的偵察設備設計選擇進行了具體的闡述。

表4 引導干擾機的偵察設備設計選擇

(2) 用作態勢生成的偵察設備設計選擇

在傳統的偵察設計中，一般并沒有專門用于態勢生成的偵察設備，通常是將其和引導干擾機的偵察設備共用，而這種設計模式已越來越難以滿足未來智能化戰場的需求。用作態勢生成的偵察設備通過犧牲反應時間、接收帶寬、空域覆蓋范圍等特性換取各類偵察效果的全面提升，從而獲得更多的情報信息，用作態勢生成。由于這類設備截獲概率較低，一般需要更合理的流程和高截獲概率的偵察設備配合使用，其流程較復雜，需要操作員有較多經驗。也因此用戶對這類偵察設備的智能化需求較高——需要設備自身能夠智能化地發現、跟蹤高威脅目標，分析并產生態勢。這些需求導致了該偵察設備的設計重點在后端的智能化信息處理、態勢生成和偵察資源調度方面，典型的設計框圖如圖1所示。

圖1 偵察態勢生成流程框圖

3.2 從未來戰場談偵察技術發展趨勢

2017年，美國國防高級研究計劃局(DARPA)戰略技術辦公室開始研究并形成一種新形式的戰略——馬賽克戰，關于該戰略的描述如下：“這是一種并行、大區域、機器速度的組合作戰方式，可以從認知層面碾壓線性對手”，“馬賽克戰通過大量低成本感知單元，動態、靈活、多樣化、自適應地組合，按需形成預期效能，在多個域內對敵人實現同時壓制，最終克敵制勝”[2-3]。簡而言之，該戰略有三大特點：低成本、分布式、智能化。很顯然這也是未來電子偵察設備的主要研究方向。

將文獻[10]中的邊坡數據代入所生成的云模型中，并利用公式(2)即可得到該邊坡在各個穩定性等級中的確定度，結果如表2所示。同時李秀珍等[12]已給出該34個邊坡的CSMR值，根據規范[17]即可確定出其所屬的穩定性等級，具體對比情況如表2所示。

低成本表現在硬件構成方面，在此屬于對傳統偵察體制成本約束的范疇，本文主要理解的低成本是偵察設備在戰術指標夠用下的高性價比。未來的偵察設備并不是一味追求所有偵察指標最優化設計，更加追求的是在滿足戰場需求下的最簡約偵察體制形態。因此未來低成本偵察設備主要會以以下幾種形態出現：

(1) 傳統的寬帶ESM偵察設備將成為無人平臺上態勢感知的主要存在形式。

在戰場上無人平臺本身還是充當排頭兵，潛入高威脅地區為后方有人平臺提供情報支持并發揮電磁干擾的作用。因此無人平臺態勢感知的主要目的依舊是將數據回傳給有人平臺進行統一的態勢生成，并受到有人平臺的統一配置。傳統的寬帶偵察設備不僅成本較低，可靠性及截獲概率較高，也是為干擾設備提供引導的最佳搭檔，因此傳統的寬帶ESM偵察設備將是無人平臺上的最優配置形式。

(2) 基于數字波束合成的高靈敏度偵察設備成為中小型艦艇偵察的主要存在形式。

此類偵察設備首先并不符合傳統的低成本特點，因為綜合射頻系統一般成本都很高。本文認為，未來的中小型艦載綜合射頻系統將是其用頻設備唯一的存在形態，即未來的中小型艦艇上將不再搭載其他用頻設備，偵察、干擾、探測、通信、導航等用頻設備會共用孔徑，形成綜合射頻系統。通過前段的充分共用，降低電子設備的整體成本，同時提高了設備的可重構能力。因此基于數字波束合成的高靈敏度偵察設備是綜合設備中必不可少的子模塊，也是未來中小型艦艇偵察的主要存在形式。

(3) 超寬帶干涉儀+空間譜估計體制成為大型艦載平臺上寬帶偵察設備的存在形式。

這個從美軍的SLQ-32最新形態上可以預見。未來艦載平臺上的偵察設備需要俯仰和方位的雙重信息，為導彈引導、干擾引導提供偵察信息。傳統的多波束體制很難滿足俯仰的測向，因此超寬帶數字干涉儀偵察設備替代了寬帶多波束偵察設備。然而，干涉儀偵察設備由于天線覆蓋范圍較寬，容易因多信道疊加出現方位測量異常，特別是海雜波和多徑效應帶來的干擾無法徹底避免，因此空間譜測向技術應運而生。空間譜測向技術的本質是將空域進行分割，然后進行測向，因而具備解相干的能力，能提高干涉儀體制的偵察設備環境適應性、改善偵察設備的測向精度和靈敏度。

分布式偵察和智能化偵察是傳統偵察設備深入研究的方向，這兩者既有區別又有一定的聯系。分布式偵察相比傳統的單平臺偵察具有以下優勢：可通過組網，實現更廣區域的態勢感知；通過聯合，實現對目標的無源定位；通過頻域協同、空域協同等實現窄帶偵察設備截獲概率的增加。而為了達到更好的協同協作效果，分布式偵察設備一般需要智能化的資源調度與管控去實現。智能化偵察從內涵上講是一個采取人工智能技術，通過態勢感知、數據挖掘、邏輯推理、知識積累、機器學習、資源管控與調度模擬人腦實現對復雜電磁環境的自主感知、分析推理、自主進化、靈活決策、自主協同的偵察裝備，因此智能化偵察不僅是分布式偵察資源優化的實現手段，也是未來整個態勢生成與偵察資源管控的主要形式。

從以上描述可知，分布式和智能化都是未來偵察設備提高其作戰效能的途徑，其研究重點在于構建充足的電子對抗知識庫、建立知識圖譜、研制具備學習能力的信息處理后端。這類偵察設備和傳統的偵察設備的研究重點截然不同，應屬于設備軟實力的研究和能力的拓展。主要有以下幾個方向：

(1) 戰場態勢感知與信息生成研究

20世紀80年代美軍國防部提出了JDL模型，將態勢感知引入了軍事領域。這個模型將態勢感知定義為“戰場中被觀測的實體分布與活動情況和戰場環境、知識庫的管理過程”，這個過程和智能化裝備的“自主感知、分析推理”有著極大的相似之處。或者說，戰場態勢感知就是智能化戰場的前提條件。而信息生成則是利用態勢感知的結果形成及時的、準確的、連續的、完整的戰場態勢圖，去支持相應的作戰活動。未來的無源偵察設備便是戰場態勢感知與信息生成的最主要輸入之一，利用好無源偵察信息特點，從中挖掘出更多的敵方情報，是偵察設備需要研究的主要內容。

(2) 影響估計與威脅估計知識研究

影響估計便是預測態勢對戰場的影響，而不利的影響又稱為威脅，因此影響估計也稱為威脅估計。威脅是敵方意圖、能力、時機的綜合體。敵方威脅意圖包括威脅要素、威脅對象和威脅類型，敵方威脅能力包括目標類別、協同能力、摧毀能力等，威脅時機主要包括威脅行動、遭遇時機、可接近性等。而偵察設備在此主要研究的便是建立雷達信號特征與威脅之間的關系，形成知識圖譜，然后通過學習不斷地擴展、積累知識，形成完整的威脅分級體制。

(3) 感知資源管控研究

感知資源管理是對戰場中可用于感知的偵察資源綜合運用籌劃的過程，主要是通過對偵察資源選擇、控制與配置，達到最優的戰場態勢感知狀態。因此偵察設備在此主要研究的是建立偵察設備個體與整個戰場信息融合關系的關聯知識，對信息獲取和信息融合各級別、各環節上的硬/軟資源，通過規劃和設置適宜的需求和控制方法，實現戰場感知優化。與此同時，收集高價值信息，摒棄低價值信息，避免信息爆炸。

4 結束語

本文首先分析了偵察設備主要指標的內涵，闡述了各指標之間相互制約的關系，比較了各傳統體制的偵察設備設計優缺點和應用范圍。然后從偵察設備需求出發，給出了偵察設備在不同應用場景和需求下的整機設計思路和偵察體制的選擇。最后結合未來戰場特點和美軍的“馬賽克”戰思路，給出了偵察技術的發展趨勢。