高集成小型化電子偵察關鍵技術研究

鄒 順，王玉山

（華東電子工程研究所，安徽 合肥 230031）

0 引言

在未來“低-零功率”作戰體系下，雷達、通信、導航等軍用電子設備輻射的能量將不斷下降，且各種軍用、民用輻射源的數量也在不斷增加，這使得傳統單裝遠距離電子偵察系統很難準確截獲到敵方信號，也難以將各個輻射源分選開來。因此，迫切需要發展可以集群前出、執行自組網抵近偵察任務的電磁頻譜感知裝備。其中，具有低成本、低功耗和網絡化協同工作能力的高集成小型化電子偵察載荷是達成電磁頻譜泛在感知的核心裝備。

當前寬帶小型電子偵察裝備無法有效應對戰場上瞬息萬變的電磁頻譜，存在偵收帶寬不夠、體積質量功耗（SWaP）大等問題，相關設備的物理實現形態和技術指標已經嚴重滯后于戰場需求，亟需開展寬帶高集成小型化電子偵察關鍵技術研究，提高寬帶電子偵察載荷的集成度、截獲概率和實時處理能力。

1 作戰使用方式研究

1.1 典型作戰應用場景分析

高集成小型化寬帶電子偵察載荷可直接生成不同類型的電子情報產品，平臺適裝性強，可廣泛應用于集群無人機、小型空飄球以及微納衛星平臺，主要作戰應用場景包括集群無人機/空飄球侵入式電子偵察、微納衛星星座電子偵察、拋灑式分布式隱蔽電子偵察、單兵便攜式電子偵察。

集群無人機/空飄球電子偵察作戰應用場景如圖1 所示，根據電子偵察任務需求，將小型無人機或空飄球通過大飛機平臺運到投放地點，在規定的時間投放，集群無人機/空飄球自主運動到任務地點，自組織開展抵近式電子偵察任務。集群內多個偵察節點可以根據任務特點重組為多種偵察型態，包括全波段電磁頻譜管控、重點頻段控守、多站協同定位等。偵察數據可以存入電子偵察載荷內，若掛載平臺具有數傳通信能力，也可以將偵察情報實時回傳指控站。

圖1 集群空飄球侵入式電子偵察應用

高集成小型化寬帶電子偵察載荷也可以作為地面隱蔽式偵察設備使用，多個電子偵察載荷可以通過特殊方式提前部署到敵方軍事敏感區域或重點軍事裝備附近，也可以在戰時通過大飛機拋灑或炮彈投送的方式部署。部署到位的眾多電子偵察載荷平時處于待機狀態，必要時接受指令啟動工作，相互之間可以自組網協同工作。通常隱蔽式電子偵察系統中包含數傳通信節點，各電子偵察載荷工作時偵收到的情報信息可以通過數傳通信節點實時回傳指控站。如果將寬帶電子偵察載荷設計成穿戴式結構形式，同時配備超寬帶隱形天線，由單兵攜帶至不方便部署偵察監聽設備的場所，在無形中就可以實現情報收集任務。

高集成小型化、低功耗、多功能、可以網絡化協同工作是未來電子偵察裝備的主要發展方向，隨著寬帶隱形天線和微系統集成技術的發展，未來寬帶電子偵察載荷還可以進一步減小體積、降低功耗，具備更加廣泛的應用場景，達成真正的電磁頻譜泛在感知應用。

1.2 典型作戰使用方式分析

高集成小型化電子偵察載荷可用于執行電子情報偵察、電子支援偵察以及寬帶頻譜監測等多種任務。執行電子情報偵察任務時，電子偵察載荷可以采取數字干涉儀偵察或數字陣列偵察2 種模式。作為干涉儀偵察測向系統使用時，如圖2 所示，將根據偵察任務需求選擇的干涉儀天線陣直接連接電子偵察載荷，多路寬帶射頻信號經過數字干涉儀測向處理后實時形成電子偵察情報，輸出至搭載平臺的記錄存儲或數傳通信設備，偵察結果也可以實時存入電子偵察載荷內。作為數字陣列偵察系統使用時，將根據偵察任務需求選擇的陣列天線陣直接連接高集成小型化電子偵察載荷，多路寬帶射頻信號經過數字波束形成（DBF）偵察處理后實時形成電子偵察情報。

圖2 干涉儀電子偵察應用

執行電子支援偵察任務時，干擾機二維陣列天線經過子陣合成后形成四路寬帶射頻信號，送入小型化電子偵察載荷，依次經過寬帶數字化接收、數字和差波束形成、偵察信號處理和數據處理，形成干擾決策信息，指引有源干擾設備對威脅目標精確干擾。高集成小型化電子偵察載荷還可以工作在偵察告警模式，經典的四象限偵收天線接入小型化電子偵察載荷，通過四通道比幅接收，形成偵察告警信息，送入平臺指揮系統。

高集成小型化電子偵察載荷執行不同的電子偵察任務時，需要接入不同的偵察天線，采用不同的偵察處理流程，形成不同的偵察結果。這就要求在射頻接收端可以根據需要配置不同的接收鏈路，包括工作頻段的預選、通道增益的自適應分配、接收帶寬的靈活設置等；在數字處理端通過軟件配置，采取不同的偵察處理流程，以重構不同的電子偵察任務。

2 小型化電子偵察載荷總體架構設計

通過對典型作戰應用場景和作戰使用方式進行分析，高集成小型化電子偵察載荷需要在SWaP 受限條件下具有更高的電子偵察效能，主要包括以下幾方面能力：

1）多任務：滿足電子情報偵察、電子支援偵察以及雷達告警偵察的作戰使用要求，具備數字干涉儀偵察、數字陣列偵察、數字和差比幅接收以及全向告警偵察等多種工作模式；

2）多功能：工作頻段寬，瞬時帶寬大，可以同時偵收雷達、通信、數據鏈、IFF、塔康等多種電子信號；

3）邊緣實時處理：寬帶電子偵察載荷接入天線后，單偵察節點即可實時按需生成情報，并將偵察結果和重要的偵察過程數據全部存入載荷內，便于事后分析；

4）支持分布式協同工作：若搭載平臺具備數傳通信能力，則多偵察節點即刻進入協同偵察模式，實施對重點輻射源協同定位；

5）使用方式靈活：滿足小型無人機、空飄球以及微納衛星平臺掛載要求，具有通過大飛機投送、單兵攜帶等多種部署方式。

小型化電子偵察載荷功能組成如圖3 所示，主要由寬帶射頻接收通道、采集預處理模塊和綜合數據處理模塊3 部分組成。

圖3 高集成小型化電子偵察載荷組成

寬帶電子偵察載荷工作時，根據任務使命選擇不同的偵收天線接入設備。寬帶射頻接收通道可以接收多路30 MHz～40 GHz 頻段范圍內的寬帶射頻信號，對不同波段的射頻信號分別經過不同的接收鏈路后，送入采集預處理模塊。在采集預處理模塊中首先對多路信號進行高速數字采集，然后對采集的多路數字信號進行實時偵察預處理，這里偵察預處理程序可以根據偵察任務實時重構為干涉儀偵察、DBF 偵察或和差比幅偵察等。采集預處理模塊形成的脈沖描述字（PDW）流送入綜合數據處理模塊，依次進行測向、分選、識別、目標編批等處理，生成電子情報產品。當寬帶電子偵察載荷工作在多節點協同偵察模式時，綜合數據處理模塊還需要與搭載平臺進行信息交互，以實現協同定位處理。

3 主要關鍵技術

3.1 寬帶電子偵察載荷的微系統集成技術

微系統具有高集成度、微小型化、低功耗、高可靠性、高效率等優點。微系統技術上的新材料、新方法、新工藝等技術變革必將給電磁頻譜戰裝備的研發和制造帶來顛覆性影響，微系統技術是實現電子戰裝備小型化、研制超寬帶多通道電子偵察載荷的重要手段。微系統有三種典型的實現路徑，分別是片上系統（SoC）、系統級封裝（SiP）和基于封裝的系統（SoP），其中SoC 是芯片級的集成，SiP 是封裝級的集成，而SoP 是系統級的集成。多功能芯片是SoC，基于封裝基板和多功能芯片的高密度集成構成SiP，若干個具有特定功能的SiP 及其他輔助元器件與系統母板集成構成SoP，而SoP 再與系統軟件結合最終構成了面向用戶的微系統產品。寬帶電子偵察載荷可以通過將分立元器件芯片化、多功能模塊器件化、多組件系統模塊化等多重手段提高集成度，集成路徑如圖4 所示。

圖4 微系統集成示意圖

寬帶電子偵察載荷集成架構如圖5 所示，主體由寬帶射頻接收SiP、多通道采算一體數字SiP、高算力數據處理SiP 等3 種異構封裝器件組成，通過在同一塊PCB 板上集成來實現各種電子偵察功能。

圖5 寬帶電子偵察載荷集成架構

為了實現寬帶電子偵察載荷的高集成小型化，需要開展多種形式的微系統集成技術研究，包括多功能專用芯片研制、寬帶多通道射頻SiP、采存算一體數字SiP、數模混合SoP 集成等。

3.2 低功耗高效率偵察處理架構研究

高集成小型化電子偵察載荷采用數模混合高集成設計，所有的計算資源都集成在一個數字微系統中，與傳統的板卡集成方式不同，高集成設計中計算資源和功耗必然有限，需要開展低功耗高效率偵察處理架構研究，解決有限算力下實時信號處理需求。

圖6 為一種“頻譜稀疏感知+自適應信道化”的電子偵察處理架構，利用信號在頻域上的稀疏性，在頻譜感知基礎上自適應構造帶通濾波器進行濾波處理，從而減少信道數量并節省大量FPGA 處理資源。針對頻譜稀疏感知需求，研究基于單比特的寬帶頻譜實時感知技術，處理數據量減少一半，從而FPGA 的資源消耗也降低一半。針對自適應信道化需求，研究基于遞歸算法的時頻濾波器實現信道化濾波技術，利用遞歸算法實現時頻濾波中的傅里葉變換，通過遞歸算法的“記憶”效應減少信號濾波處理中的重復計算，與FIR 濾波器算法相比所需FPGA 資源更少。

圖6 基于頻譜感知的信道化處理方案

3.3 動態自組織電子偵察技術

集群自組織電子偵察系統將大量功耗較低、體積較小、質量較輕、價格低廉的小型寬帶電子偵察載荷散布于被偵察對象的地域附近，通過網絡化協同，實現多個基本電子偵察節點的連通性、互操作性，以分布式協同方式來監視敵方通信鏈路和雷達系統工作狀態。

寬帶小型化電子偵察載荷體積小、質量輕，其持續供電困難，在能量不足的情況下默認為失效狀態，失效的節點自動退出無線傳感網。此外，抵近的偵察載荷同樣存在因被摧毀而退網的可能。因此，自組網電子偵察系統的網絡形態是動態變化的，需要各偵察節點的空間配置能夠時刻保證對重點目標的有效監視。自組網電子偵察系統沒有確定的指控中心，網內任何節點都可以作為用于系統控制的網絡中心。在無確定的網絡中心條件下，自組網電子偵察系統網內各節點如何在統一的指控機構決策下協同工作需要重點研究。

美軍“狼群”系統是一種典型的動態自組織系統，它可動態、自主配置網絡，同時能根據實際作戰需求重新指派任務，其作戰應用示意如圖7 所示。在攻擊目標時，“狼群”系統也可自行建立子網，對關鍵節點進行干擾、監聽乃至賽博入侵。每個“狼”的使用都是非常靈巧，即使某一個“狼”因受損而無法正常工作，也不會大幅削弱整個網絡的工作能力。“狼群”系統在完成組網后會從中選出一個節點作為充當通信網關的簇頭節點（“頭狼”），其余的節點則開始對周圍電磁環境進行監測，并通過測量信號到達接收機的時間差或頻率差，快速將敵方信號從眾多電磁信號中檢測出來，然后制定出完成任務的最佳偵察與干擾策略。最后，“頭狼”將這些信息上報給更廣范圍的戰場網絡。

圖7 “狼群”系統作戰應用示意圖

4 結束語

數模混合微系統集成、低功耗高效率偵察處理架構設計以及動態自組織電子偵察等關鍵技術的突破，可大大降低寬帶多通道偵察接收機的體積、質量和功耗，有效提升裝備工作頻段、瞬時帶寬、動態范圍和平臺適應性，大幅提升實時處理和多節點協同偵察能力。可應用于小型無人機、空飄球等平臺，以及便攜式、拋灑式使用方式下的網絡化前出式電子偵察裝備，有效提升電磁頻譜泛在感知能力。