相控陣技術(shù)對電子情報(bào)偵察影響研究

摘 要：針對相控陣雷達(dá)技術(shù)引起的射頻信號復(fù)雜多變的問題，提出一種基于對雷達(dá)射頻信號進(jìn)行動(dòng)態(tài)信號級仿真的雷達(dá)偵察數(shù)據(jù)分析方法。對典型相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)應(yīng)用的相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)進(jìn)行了分析，并運(yùn)用Matlab 7.0仿真工具軟件對相控陣?yán)走_(dá)射頻信號進(jìn)行了實(shí)時(shí)信號級仿真，獲得了射頻信號模型，分析了相控陣技術(shù)對電子情報(bào)偵察的影響。
關(guān)鍵詞：相控陣；電子情報(bào)；偵察；雷達(dá)射頻信號

0 引 言
    現(xiàn)代電子技術(shù)在軍事斗爭及武器裝備的廣泛應(yīng)用，使得爭奪電磁頻譜的主動(dòng)權(quán)，即制電磁權(quán)，成為現(xiàn)代化信息戰(zhàn)爭的最明顯特征。制電磁權(quán)的基礎(chǔ)為電子情報(bào)的偵察與分析。傳統(tǒng)的電子情報(bào)處理方法為計(jì)算機(jī)與專家系統(tǒng)相結(jié)合的半自動(dòng)處理方式，全自動(dòng)處理的情報(bào)虛警率較高。對于相控陣?yán)走_(dá)的高變化，偽隨機(jī)變化射頻信號，此種方法速度低、精度差，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭對電子情報(bào)的需要。利用仿真工具對相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行信號級仿真，能夠獲得電子情報(bào)偵察接收機(jī)的實(shí)際接收信號模型；能夠有效提高電子情報(bào)處理的分析速度和精度，尤其相控陣?yán)走_(dá)的多變發(fā)射的方式、偽隨機(jī)變化的射頻信號發(fā)射參數(shù)對于電子情報(bào)偵察的影響，此方法效果較好。

1 影響電子情報(bào)因素分析
1.1 電子情報(bào)的意義與內(nèi)容
    廣義的電子情報(bào)是指從感興趣的信號截獲的信息，其信號為任何非通信輻射信號。狹義的電子情報(bào)特指對雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射的信號進(jìn)行觀測的結(jié)果，目的是獲得有關(guān)雷達(dá)的各類信息。文中的電子情報(bào)即指后者。電子情報(bào)的價(jià)值在于能夠及時(shí)提供有關(guān)威脅系統(tǒng)(如引導(dǎo)飛機(jī)或?qū)楋w向目標(biāo)的雷達(dá))的信息，也能夠提供有關(guān)防御系統(tǒng)的信息和為電子進(jìn)攻提供重要的情報(bào)。電子情報(bào)依據(jù)用途可分為兩大類：雷達(dá)電子偵察情報(bào)和電子支援情報(bào)。雷達(dá)電子偵察情報(bào)是指根據(jù)偵收到的雷達(dá)裝備的射頻信號經(jīng)過信號處理和數(shù)據(jù)處理所獲得的雷達(dá)裝備信息。電子支援情報(bào)通常是指地方雷達(dá)所處戰(zhàn)斗態(tài)勢和電子攻擊樣式的情報(bào)。
    電子情報(bào)的生成流程如圖1所示。

    電子情報(bào)的生成可分為五個(gè)步驟：
    (1)電子情報(bào)接收機(jī)對偵收到的雷達(dá)射頻信號進(jìn)行測量，獲得雷達(dá)系統(tǒng)全脈沖數(shù)據(jù)；
    (2)對雷達(dá)系統(tǒng)全脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行分選和處理，獲得雷達(dá)系統(tǒng)輻射源數(shù)據(jù)；
    (3)對雷達(dá)系統(tǒng)輻射源數(shù)據(jù)進(jìn)行脈內(nèi)分析和識別獲得基于雷達(dá)工作樣式的雷達(dá)電子偵察情報(bào)；
    (4)基于已有的雷達(dá)原理信息，利用仿真模型作為工具，對雷達(dá)電子偵察情報(bào)進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部工作機(jī)理研究，以求達(dá)到對輻射源進(jìn)行個(gè)體識別的目的；
    (5)應(yīng)用雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部工作機(jī)理研究獲得的雷達(dá)戰(zhàn)術(shù)情報(bào)獲得電子支援情報(bào)；最后，將獲得的雷達(dá)支援情報(bào)直接應(yīng)用于反輻射打擊，電子壓制等電子進(jìn)攻作戰(zhàn)，此部分是電子支援情報(bào)應(yīng)用的一個(gè)重要部分。
1.2 電子情報(bào)偵察方程
    文獻(xiàn)中指出，在自由空間中，電子情報(bào)接收機(jī)接收到的雷達(dá)發(fā)射信號電平可由下式進(jìn)行描述：
   

    對相控陣?yán)走_(dá)仿真的目的是獲得相控陣?yán)走_(dá)自適應(yīng)變化的射頻信號。依據(jù)此目的可對相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)進(jìn)行等效。由雷達(dá)反對抗控制系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)和發(fā)射天線系統(tǒng)組成相控陣?yán)走_(dá)仿真系統(tǒng)的發(fā)射鏈路。由接收天線系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成相控陣?yán)走_(dá)仿真模型的接收鏈路。錄取控制系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)連接接收與發(fā)射系統(tǒng)。由于仿真的目的為獲得相控陣?yán)走_(dá)的射頻信號，因此對于接收鏈路可以將其等效為對錄取、控制系統(tǒng)內(nèi)雷達(dá)工作參數(shù)表變化的影響。設(shè)仿真開始時(shí)，雷達(dá)的接收信號為零，按照預(yù)設(shè)參數(shù)發(fā)射理想信號。當(dāng)接收系統(tǒng)接收到目標(biāo)回波后，則依據(jù)回波信號選擇最優(yōu)的發(fā)射參數(shù)進(jìn)行發(fā)射，依據(jù)此方法可以得出相控陣?yán)走_(dá)仿真系統(tǒng)的仿真技術(shù)重點(diǎn)為相控陣天線線陣和陣列綜合技術(shù)及發(fā)射數(shù)字波束形成技術(shù)。
2．2 線陣和陣列綜合技術(shù)的仿真
    泰勒線源綜合法是一種十分有效的描述理想狀態(tài)下天線線陣和陣列方向圖的方法。更為重要的是經(jīng)過改進(jìn)的n參數(shù)修正方法能夠有效抑制副瓣和約束零點(diǎn)位置。因此n參數(shù)泰勒線源綜合被廣泛應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)天線的發(fā)射波束。
    Taylor n參數(shù)分布線源綜合法能夠有效約束波瓣圖零點(diǎn)的位置，同時(shí)可對副瓣進(jìn)行有效的抑制。Taylor用sinc(πφ)作為基本函數(shù)，通過調(diào)整近區(qū)零點(diǎn)位置，形成方向圖：

式中：φn為方向圖的零點(diǎn)位置；當(dāng)為波束擴(kuò)展因子，此參數(shù)的作用在于使前n個(gè)旁瓣能平滑過渡到1／U包絡(luò)，個(gè)旁瓣受到控制。
2．3 發(fā)射數(shù)字波束形成技術(shù)的仿真
    多波束天線具有探測范圍大、數(shù)據(jù)錄取率高、覆蓋空域大等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在雷達(dá)發(fā)射波束中得到了廣泛應(yīng)用。發(fā)射數(shù)字波束形成是將傳統(tǒng)相控陣發(fā)射波束形成所需要的幅度加權(quán)和移相從射頻部分放到數(shù)字部分來實(shí)現(xiàn)，從而形成發(fā)射波束。
    空域內(nèi)一點(diǎn)射頻能量為：

式中：βd為所需信號的復(fù)振幅，
    加權(quán)輸出為：

   
    陣列輸出的信號功率為：

   
2．4 相控陣?yán)走_(dá)系能量管理技術(shù)的仿真
    相控陣?yán)走_(dá)由于其全系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)捷變，以此必須利用反饋和最優(yōu)化技術(shù)對雷達(dá)工作狀態(tài)進(jìn)行管理選擇最有效的工作方式。對相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射的能量進(jìn)行管理，能夠使發(fā)射能量達(dá)到最大利用率。
    傳統(tǒng)雷達(dá)的掃描方式為一定角度內(nèi)的均勻掃描和對某一批目標(biāo)的連續(xù)跟蹤，無法解決瞬時(shí)探測范圍與跟蹤精度之間的矛盾，而相控陣技術(shù)能夠有效解決此矛盾。相控陣技術(shù)采用數(shù)字形成多波束的方法獲得最大的能量利用。設(shè)雷達(dá)天線在掃描時(shí)，每個(gè)波束位置要駐留N個(gè)脈沖，則單位仰角波束內(nèi)的輻射能量密度為：

   
式中：φv為仰角波束寬度。
    立體空域里的總能量為：

   
    能量管理的原則如下：
    以指定空域?yàn)榧s束條件使得能量節(jié)約因子最大。經(jīng)分析可以得出制約能量節(jié)約因子的參數(shù)包括：天線增益、仰角功率、波束駐留時(shí)間。

3 相控陣技術(shù)對雷達(dá)截獲信號的影響分析
3．1 空間某點(diǎn)雷達(dá)截獲信號射頻模型
    由于線性調(diào)頻信號能夠有效解決距離分辨率和多普勒分辨率兩者兼顧的問題，因此相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)射信號多采用線性調(diào)頻信號，本文中也采用線性調(diào)頻信號作為仿真模型信號。線性調(diào)頻信號可用下式進(jìn)行表示：

   
    對相控陣?yán)走_(dá)的射頻信號進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3～圖11所示。

    圖3～圖9中橫坐標(biāo)為時(shí)間(μs)；縱坐標(biāo)為歸一化處理后的信號幅度(V)。圖10～圖11中橫坐標(biāo)為天線方向與正北方向夾角的正弦值；縱坐標(biāo)為歸一化后的天線功率譜。

    (2)相控陣技術(shù)在天線電子掃描方面的廣泛應(yīng)用，使得發(fā)射波束變化迅速且波束寬度極窄。因此，使得依靠對雷達(dá)發(fā)射天線主瓣的偵察的方法的作用距離大幅度下降。
    (3)相控陣技術(shù)和自適應(yīng)線陣綜合技術(shù)使得天線獲得比傳統(tǒng)天線低很多的天線副瓣，使得依靠偵察副瓣方法的偵察設(shè)備偵察效果大幅度下降。