雷達與電子戰的認知博弈 *

曹蘭英， 郭明明， 羅美方

(中國航空工業集團公司雷華電子技術研究所， 江蘇無錫 214063)

0 引言

現代戰爭面臨著復雜的電磁環境、多樣化的目標環境以及多變的背景環境，其中復雜電磁環境是戰場環境最為突出的特征，給雷達探測和電子戰都帶來了嚴峻挑戰。

雷達面臨的復雜電磁環境主要指敵方電子戰設備施放的有源干擾，這些干擾信號作用于空間、時域、頻域、能量域，形成的干擾場景越復雜、干擾樣式越多、干擾功率越大，對雷達威力、精度、分辨率及目標識別等能力的削弱越明顯[1]。

電子戰設備面臨的復雜電磁環境主要是指敵方雷達發射的電磁信號，雷達輻射源數量越多、頻帶范圍越廣、功率管理越敏捷、波形調制形式越復雜、抗干擾措施越靈活，電子戰設備進行有效干擾的難度越高[2-3]。

可見，雷達與電子戰的對抗是一個動態博弈的過程。

近年來，隨著新型干擾樣式的不斷開發，以及干擾參數的靈活化和智能化演進，雷達面臨的干擾信號變得更加密集、復雜，保持或提升抗干擾效果面臨著更加嚴峻的挑戰。與此同時，數字陣列雷達技術的發展、雷達空/時/頻/極化多維低截獲措施的綜合運用，以及干擾智能化識別能力的不斷提升，也在進一步削弱電子戰設備的干擾效果[4]。

未來，作戰樣式的體系化變革，分別對雷達和電子戰的反對抗和對抗能力提出了更高要求。體系化作戰具備“分布、智能、協同、時變”的特點，具有戰場態勢實時共享、作戰資源綜合管控、戰術決策自主高效等能力，極大地加快了OODA環的運行速度。相應地，雷達和電子戰系統必須具備在更高的信息自由度條件下，合理利用多樣化資源，做出更快抗干擾與干擾決策的能力[5]。

可見，隨著新技術的發展和作戰樣式的變化，雷達與電子戰的博弈將會愈演愈烈[6]。因此，設計一種能夠準確感知環境，并能夠根據環境變化動態調整工作方式的雷達與電子戰系統，是適應未來強博弈作戰環境的必然趨勢。

具備閉環反饋、全局優化、自適應處理等特點的認知技術為上述系統的實現提供了有效途徑。

1 認知雷達與電子戰

認知思想最早起源于軟件定義無線電技術領域， Mitola于1999年首次提出了基于智能化頻譜共享技術的“認知無線電”[7]，隨后Haykin教授于2006年提出了“認知雷達”的概念[8]，美軍從2008年開始將認知概念引入電子戰裝備中。自此，認知雷達與認知電子戰成為新體制射頻技術的研究熱點。

1.1 認知雷達

2006年，加拿大Haykin對認知雷達的結構設計、信號處理方式等進行了描述。2010年，Guerci和Wicks從不同的視角討論了認知雷達基本結構和關鍵技術[9-10]。2014年，Guerci提出了具有認知功能的全自適應雷達(CoFAR)[11]，融合了雷達自適應處理和動態環境場景特征，是具有代表性的具有智能化思想的雷達，其架構組成如圖1所示。

圖1 CoFAR框圖

總結來說，認知雷達具有認知能力和重構能力兩個基本特征，包含以下三種要素[12-13]：對環境信息進行感知學習與智能處理、根據處理結果對發射進行反饋與調整、對場景與目標信息進行保存與學習。

因此，認知雷達系統的核心應該包含匹配發射、自適應接收與處理、全局反饋優化、知識記憶與學習四個部分，如圖2所示。其中匹配發射是指認知雷達根據電磁環境、雜波場景、目標特征，在發射端自主調整工作模式，進行波束自適應形成、波形優化設計、極化自適應調整等處理；自適應接收與處理是指在接收端自主選擇信號處理和數據處理方法，學習場景特征，并做出決策；全局反饋優化是指系統內部形成閉環，將處理端的決策反饋到發射端；知識記憶與學習是指在上述工作過程中，不斷進行知識提取與存儲，更新先驗知識庫。

圖2 認知雷達基本結構

可見，認知雷達與傳統雷達最顯著的區別在于雷達本身形成了一個閉環，發射端能夠根據處理結果和反饋信息實時調整，以便與外界環境達到最佳匹配[14]，從而提高雷達的目標探測和抗干擾能力。

1.2 認知電子戰

從2008年開始，美軍先后開展了“行為學習型自適應電子戰”和“自適應電子戰”項目，正式為認知電子戰拉開序幕。目前提出的典型認知電子戰理論有美國喬治亞技術研究所(GTRI)開展的CORA項目、土耳其下一代無線通信實驗室于2015年提出的認知電子對抗系統架構(CECM)以及基于OODA作戰環的認知電子戰等，具體如圖3所示[15]。

(a) CORA

(b) CECM

(c) 基于OODA環的認知電子戰圖3 典型認知電子戰理論

同樣地，認知電子戰也具有認知能力和重構能力兩個基本特征，包含以下四種要素[16]：對復雜電磁環境中的輻射源信號進行學習和威脅等級分析、根據輻射源信號特征及威脅等級對干擾發射進行反饋與調整、對場景與目標信息進行保存與學習、對干擾效果進行動態評估。

因此，認知電子戰系統的核心主要包含偵察、智能決策和干擾三個部分，如圖4所示。其中，偵察單元能夠進行輻射源接收、檢測、測量和信號特征分析，通過信號分選識別、信號定位，對個體屬性及個體行為特征進行威脅等級評估；智能決策單元是認知電子戰的核心，根據威脅等級評估和干擾效果評估結果選擇最佳干擾波形和最佳干擾能量分配方法，預評估干擾效果。

圖4 認知電子戰基本結構

可見，認知電子戰與傳統電子戰的最大區別也在于電子戰本身形成了一個閉環，能夠根據對外部環境的感知結果，優化資源分配方式和控制策略，根據獲得的信息自適應決定干擾波形，提高電子戰的實時干擾能力。

1.3 雷達和電子戰的認知博弈

認知雷達通過對不同干擾類型的認知，實現干擾分類和識別，并根據干擾的變化采用不同的抑制手段進行對抗。但是，認知電子戰系統裝訂的干擾樣式種類繁多，并且能夠根據需求靈活變換和組合干擾樣式，使得雷達總存在被干擾的可能。

認知電子戰系統能夠學習環境和目標信息，動態評估干擾效果，在線優化干擾策略。但是，當遇到能夠自適應調整發射波形、自主設計抗干擾措施的認知雷達時，其干擾效果也會大打折扣。

因此，在認知雷達與認知電子戰系統的博弈中，雙方擁有的招數是對等的，任何一方都不可能長期占據壓倒性優勢，雙方將在對抗中不斷發展。

2 射頻一體化認知對抗

隨著新技術的發展，戰場環境越來越復雜，對射頻系統的綜合能力要求也愈來愈高，各自獨立的電子設備逐漸不再滿足現代戰場快速、多變、高效、實時的作戰要求。

考慮到在雷達和電子戰系統的工作過程中，己方電子戰設備對敵方干擾信號的認知結果能夠對雷達的抗干擾決策起到很好的輔助作用，同樣地，己方雷達對敵方目標的測量結果也能夠對電子戰設備的干擾決策起到很好的輔助作用。因此，探索通過共用射頻孔徑的方式對雷達與電子戰進行一體化設計，實現探測資源與電子戰資源的共享，以提升裝備的綜合作戰效能。

在雷達與電子戰一體化認知對抗系統中，系統架構設計與調用策略設計是兩大關鍵技術。

2.1 系統架構設計

雷達與電子戰一體化認知對抗系統架構主要包含綜合孔徑、綜合射頻、一體化信號處理、綜合數據處理、任務管理、發射激勵生成等模塊，各模塊間通過認知反饋實現互聯互通[17]。具體結構如圖5所示。

圖5 一體化認知對抗系統架構

其中，綜合孔徑模塊是實現射頻一體化認知對抗的核心，通過接收任務管理模塊的指令，進行孔徑資源配置與波束自適應形成，需要具備靈活的重構與資源配置能力，以滿足不同工作模式的需求。

綜合射頻模塊負責射頻信號的發射與接收，想要實現真正的射頻一體化，需要采用統一的通道設計，但是目前的器件發展水平還不夠，未來有望在微波光子學等技術發展成熟后得以實現。

一體化信號處理模塊、綜合數據處理模塊負責計算與數據處理，任務管理模塊根據數據處理結果做出系統決策，包括發射激勵、孔徑配置、信號與數據處理方式等。

2.2 調用策略設計

針對調用策略設計，需要完成一體化對抗系統的工作模式設計，以及不同工作模式下雷達與電子戰的資源分配策略設計。一體化對抗系統的工作模式主要涵蓋探測模式、干擾模式與協同工作模式[18]。

探測模式下，系統主要完成目標探測和無源偵收，雷達與電子戰功能可同時實現，即在每個掃描波位上，交替進行有源探測和無源偵收，實現雷達探測和威脅告警。該模式下，天線掃描波位的控制，以及不同波位上有源探測、無源偵收的時間分配，是需要解決的重點問題。在一體化認知架構中，通過場景特征提取與分析，完成系統對態勢的精確感知；通過知識輔助與決策技術，完成基于態勢感知結果的波位控制與時間分配；通過知識學習與記憶，完成知識的積累與更新；通過全局反饋技術，實現系統的在線優化與改進。

干擾模式下，系統主要完成無源探測以及對敵方雷達的有源干擾。該模式下，無源探測與有源干擾的優化調度、無源探測算法與有源干擾策略的優化設計是需要解決的重點問題。在一體化認知架構中，認知決策技術輔助系統實現無源探測與有源干擾的優化調度；認知截獲與認知處理技術輔助系統實現對電磁環境的全面、準確感知，認知決策與認知干擾技術輔助系統實現干擾策略的優化選擇以及對目標的精準干擾。

協同模式下，系統需要同時具備目標探測、無源偵收和有源干擾能力。由于上述任務均需占用雷達天線陣面，且適用頻率也可能會存在沖突，因此需要更加細化與智能的時間管理與頻率管理。在一體化認知架構中，基于認知處理結果，通過認知決策對探測、偵收和干擾功能進行時間和頻率管理。在干擾階段，系統根據偵收信號的認知處理結果，進行頻點、干擾波形、干擾功率等干擾策略選擇，對目標進行認知干擾；在探測階段，根據雷達回波的認知處理結果，進行掃描波位、頻點、發射波形、處理策略等選擇，甚至可根據需求，選擇探/干一體化波形，同時實現探測與干擾。

3 體系化認知對抗

分布式作戰、網絡中心戰等新型作戰概念的提出，極大地推動了雷達與電子戰的協同化、網絡化發展。因此，在開展射頻一體化認知系統研究的同時，應同步開展體系化認知對抗技術研究，充分利用認知技術，采用協同、分布式、開放的體系架構，發展多功能、網絡化、多源融合的認知對抗能力，實現多種射頻對抗系統的協同工作[19]。

3.1 體系架構設計

體系化認知對抗是指將作戰能力部署到多個平臺上，平臺間通過信息共享、任務綜合、資源優化和自主協同，形成具有強敏捷性和韌性的作戰系統[20]，實現對抗效能最大化，通用化體系架構如圖6所示。

圖6 體系架構

因此，體系化認知對抗系統應具備跨域分布、高效協同、自主智能等特點。

· 跨域分布

體系內的作戰單元，分布在空、陸、海、天、電磁、賽博等不同的作戰域，根據任務需求進行自適應跨域組合，形成具有自適應調整能力的作戰體系。

· 高效協同

作戰單元以完成同一作戰任務為目標，依托網絡技術在時間、空間上相互配合，實現多種功能的有機組合；通過多層次、多維度信息融合，實現各作戰單元間探測資源、干擾資源、打擊資源的共享與優化配置，形成“1+1>2”的效果。

· 自主智能

智能化技術的發展，不斷提升作戰平臺、信息系統以及決策系統的智能化水平，使作戰系統具備在對抗環境中自我進化的能力。該能力主要包括體系架構的自主調整，平臺任務的自主分配，以及作戰單元的自主感知、自主干擾、自主攻擊等。

3.2 關鍵技術

體系化認知對抗涉及飛控、制導、探測感知、電子對抗、效能評估等多個方面，本文主要針對探測感知與電子對抗，分析體系化認知對抗系統的關鍵技術。

· 戰場態勢感知與認知

態勢感知是體系作戰中任務規劃的前提，利用信息處理、信息融合、知識挖掘等技術處理各平臺獲取的探測信息，實現對戰場環境態勢的認知與理解，并通過態勢評估，發掘指揮決策所需要的信息[21-22]。其中，異構傳感器信息融合、多源信息知識挖掘與表示、態勢評估與輔助決策等技術是戰場態勢感知與認知的關鍵技術。

· 體系化認知電子對抗

電子對抗主要涉及作戰體系中的電磁情報偵察、信息對抗、系統協同。電磁情報偵察是指對威脅輻射源信號的偵察、分析與辨識；信息對抗是指通過情報偵察結果采取相應的對抗措施，包括電子攻擊、電子支援、電子防護等；系統協同是指電子戰系統之間、電子戰系統與雷達、通信、火力打擊等其他系統之間的協同。其中，電磁環境綜合認知、對抗效果實時評估與反饋、對抗資源動態優化配置等是體系化認知電子對抗的關鍵技術。

4 結束語

認知技術為新體制雷達和新體制電子戰裝備的研制提供了新的設計思路，其閉環反饋、全局優化、自適應處理等特點，能夠為雷達與電子戰系統的智能化發展、射頻系統的一體化發展提供技術支撐，也是未來射頻裝備進行體系化作戰的必備能力。本文在介紹認知雷達與認知電子戰發展現狀的基礎上，深入分析了射頻一體化認知對抗系統的發展需求，提出了通用化的認知架構，并對未來體系化認知對抗進行了展望，為未來射頻系統的發展方向提供思路借鑒。