朱銀川

(中國西南電子技術研究所,成都610036)

1 引 言

在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)場上,幾乎所有的武器平臺都裝備有電子裝備,特別是飛行器平臺,其信息化能力發(fā)揮都離不開電磁信號輻射。如飛機中典型的射頻傳感器就包括航管/IFF、雷達、電臺、無線電高度表等,無人機中還必須加裝無線電遙測遙控設備。

但在開放的戰(zhàn)場電磁空間中,敵方電子偵察系統(tǒng)可通過截獲我方發(fā)射的射頻輻射信號,運用各種信號與信息處理技術來獲取有用的情報信息,如射頻輻射源的有關參數(shù)、類型、空間位置等,對我飛行器平臺作戰(zhàn)力和生存力形成嚴重威脅。因此有必要在保障飛行器射頻傳感器任務前提下,通過射頻隱身使敵方電子偵察系統(tǒng)無法偵測或大幅度降低其截獲我方射頻信號能力。

但是關于射頻隱身的指標體系至今未見國內(nèi)外公開報道,常見的低截獲信號研究也是建立在電子對抗的思路上,指標體系與對方偵察接收機性能指標緊密關聯(lián),重點用于評判被截獲性能,而且對方的偵察接收機性能指標不僅與其技術體制相關還和其接收設備指標相關,無法指導開展射頻隱身技術研究。為此,需要清晰地整理出射頻隱身的概念和內(nèi)涵,并開發(fā)一種既能描述射頻隱身性能又可拋開偵察接收機性能指標的表征參量。

2 射頻隱身技術概念和內(nèi)涵

隱身是武器平臺相對于敵方探測系統(tǒng)而言,目的是有效降低武器平臺被敵方發(fā)現(xiàn)、跟蹤、識別和攻擊的概率,根據(jù)敵方探測器種類(如雷達、紅外探測器、射頻無源探測、聲納等)的不同,可分為雷達隱身、紅外隱身、射頻隱身、聲隱身等。

射頻隱身即是相對于敵方的射頻輻射源偵測定位系統(tǒng)而言的,能否隱身由飛行器平臺射頻隱身能力和敵方探測器的探測能力共同決定。其中敵方探測器的探測能力不由我方掌握的,因此射頻隱身技術就是我方能實施的在保持機載射頻傳感器任務性能(飛機達成其任務目的)前提條件下,減縮、控制我機載射頻有源傳感器工作時輻射的射頻目標特征信號,實現(xiàn)敵對我射頻輻射信號低可探測性或?qū)蓽y平臺的信號不確定。

飛行器射頻傳感器輻射的射頻信號從發(fā)射、傳輸?shù)奖粩撤綗o源探測系統(tǒng)截獲、分析處理過程如圖1所示。

如圖1所示,飛行器射頻隱身的最終效果是敵方射頻無源探測系統(tǒng)的信息處理結果上無輸出或無序混亂。因此,我們可以將射頻隱身理解為多個層面的隱身。

(1)使無源探測系統(tǒng)接收到的輻射信號太弱,無法滿足其信號檢測門限,也就談不上進一步的參數(shù)測量、信號分選、目標識別等。此層面可以理解為能量檢測方面的隱身。

(2)使?jié)M足無源探測系統(tǒng)信號檢測門限的射頻輻射信號淹沒在其周邊電磁環(huán)境信號之下,使偵收機無法完成混亂無序的重疊信號分離,同樣也就談不上進一步的參數(shù)測量、信號分選等,相當于大腦“弱智”。此層面可以理解為信號處理方面的隱身。

(3)在無源探測系統(tǒng)具備實現(xiàn)對飛行器平臺信號的分離能力時,通過飛行器平臺系統(tǒng)或飛行編隊的反制措施,促使無源探測系統(tǒng)無法完成對飛行器平臺的定位、跟蹤,相當于“瞎子”。此層面可以理解為隱身策略方面的隱身。

因此,飛行器射頻隱身首先是盡可能地使敵方無源探測系統(tǒng)無法從能量上截獲飛行器的射頻輻射信號。

但實際中,大多數(shù)情況下無法滿足這點,例如在自由空間中,雷達距離方程[1]和偵收機距離方程[2]分別如下:

式中,PT為發(fā)射功率(均方根值);GT為雷達發(fā)射天線增益;GTI為雷達發(fā)射天線相對于偵收機方向上的天線增益;GIP為偵收機天線相對于輻射源目標方向上的接收天線增益;GR為雷達接收機處理器增益;GI為偵收機處理增益;PR為雷達接收機正確檢測目標所要求的靈敏度;PI為偵收機正確檢測目標所要求的靈敏度;λ為工作波長;σ表示目標的雷達散射特征,即雷達截面(RCS)。

可以看出,雷達作用距離與其輻射特性(包括發(fā)射功率和天線增益)成4次方關系,偵收機作用距離與雷達輻射特性成2次方關系,所以很難保證敵方無源探測系統(tǒng)不能從能量上截獲飛行器射頻輻射信號,除非大幅度提升主旁瓣比值(改善GTI),故第一層面的射頻隱身適用面很小。

另一方面,若通過改善雷達的處理增益(GR)的同時,設法壓縮敵方偵收機的信號處理增益,即增大輻射信號特征的不確定性,破壞偵收機的信號相關積累效果,降低其信號參數(shù)預估、分選和定位能力,則可以保證我飛行器輻射的射頻信號在被敵方偵收機截獲時,無法從復雜電磁環(huán)境信號中分選出來飛行器射頻信號,更無法通過對飛行器射頻輻射信號的識別和定位達成對我飛行器定位、跟蹤。

3 國外研究情況

20世紀70年代初期美國在研制F-117的早期發(fā)現(xiàn),作戰(zhàn)過程中使用的常規(guī)射頻傳感器極易暴露自身位置,導致其精心設計的雷達隱身、紅外受到破壞,由此認識到射頻隱身的重要性并開展了技術研究,但尚不具備工程應用條件。故在F-117中沒有加裝雷達,取消了無線電導航,并在作戰(zhàn)過程中只被動接收作戰(zhàn)命令,從而實行全機電磁靜默攻擊。

為徹底解決此問題,20世紀70年代中期開始由美國防預先研究計劃局(DARPA)、美國空軍和海軍主持,以休斯飛機公司為主承包商進行了大量的射頻隱身技術研究工作,并進行了大量試驗驗證。如1979～1980年針對法國幻影飛機的Cyrano雷達和F-111A飛機的無源探測系統(tǒng)完成了第一個射頻隱身的飛行試驗,僅滯后于 F-117A驗證機首飛(1977年12月)一年多的時間。射頻隱身后雷達參數(shù)為5 W/波束、9 波束、320 MHz帶寬、天線旁瓣-55 dB、LPI波形。射頻隱身的作戰(zhàn)對象為F-111A飛機載的AN/ALR-62雷達尋的告警接收機(RHAW)(當時美國最先進的RHAW)、ELINT(電子情報)和反輻射導彈(ARM)。試驗結果如表1所示。

表1 Cyrano雷達射頻隱身前后被探測距離比較[3]Table 1 Detected distance comparison of Cyrano before and after RF stealth

從表1可以看出,機載雷達采用射頻隱身技術后,在保持雷達對目標作用距離不降低的條件下,無源探測系統(tǒng)RHAW對飛機的探測距離從346.3 km降低到8.5 km,無源探測系統(tǒng)ELINT的探測距離從2187.2 km降低到19.3 km,反輻射導彈的無源探測距離從55 km降低到0.48 km?？梢?采用射頻隱身技術后,3種無源探測系統(tǒng)的探測距離縮減均在97%以上,射頻隱身的效果十分顯著。

20世紀80年代中期,前蘇聯(lián)的無線電偵察與反偵察研究人員提出了無線電隱蔽的概念,指出無線電隱蔽是用于降低無線電偵察效果的綜合技術和組織措施。A.и.庫普里亞諾夫在其所著的《無線電偵察與反偵察》中也引用了無線電隱蔽的概念,并進一步分析能量隱蔽、無線電設備信號參數(shù)的隱蔽、偵察和偽裝方法[4]。但其分析是建立在對抗的場景下,即無線電隱蔽的性能始終與偵察方接收機的性能指標高度關聯(lián),因此其實質(zhì)是分析無線電隱蔽的戰(zhàn)術應用效果。盡管文中指出在對抗條件下,因為敵方的無線電偵察設備的性能可能隨時改進,造成無線電反偵察功能失效的問題,但文中并未對此作進一步的詳細闡述和分析,特別是無線電設備自身的、與偵察方參數(shù)無關的隱蔽信號特征參量問題。

4 射頻隱身性能的度量

對于雷達隱身性能表征指標如RCS至今已被國內(nèi)外廣泛應用,其僅僅反映了自身平臺對雷達照射波的隱身性能,與對方雷達技術體制和性能指標無關,能很好地指導研究平臺結構和隱身涂層材料的研究。同樣,紅外隱身也提出了紅外輻射強度的表征指標,反映了隱身平臺的對外紅外輻射特性,與對方紅外探測設備的技術體制和性能指標無關,能很好地指導平臺結構、燃料和紅外隱身措施的研究。相反,射頻隱身至今仍沿用電子對抗的思路和指標體系,常見的截獲概率、截獲球半徑等指標均與對方偵察接收機技術體制和性能指標緊密關聯(lián),不利于指導后續(xù)的射頻隱身技術研究。

事實上,射頻傳感器的輻射功率、輻射時間、信號格式、天線波束特性均與偵察方技術指標無關而和射頻隱身性能的特征參量緊密關聯(lián)。對于信號的輻射功率、輻射時間和天線低副瓣技術方面,國內(nèi)外已有成套的指標表達形式。但對于輻射信號的信號格式表征方面,卻未見公開文獻報道。因此本文提出反映射頻隱身性能的信號特征參量,用以描述輻射信號的信號格式。

根據(jù)圖1所示的偵收機截獲過程圖,一般的信號偵收過程中必須至少在同一偵收時段內(nèi)捕捉到多個特征相同或相似的特定信號段方能確認該信號的存在,并借此確認輻射源平臺的目標屬性。也就是說,即使捕捉到1個信號段,特別是脈沖信號很可能會在信號處理中被誤認為干擾脈沖或虛警信號而被過濾掉,從而不在偵收系統(tǒng)操作界面上實時顯示出來,盡管可能會在后期的數(shù)據(jù)挖掘中找出該信號,但也因不具時效性而失去戰(zhàn)術使用價值,特別是對于飛行器這類高速運動目標。按此思路,則對于信號特征不確定的短脈沖信號一定具有隱身性能,那么針對給定波形特征空間中的特征集合,建立新型的波形特征不確定性度量方法和度量函數(shù),優(yōu)化選擇特征子集,進而實現(xiàn)波形參數(shù)不確定性的最大化也就成為其中一個研究重點。

為了提高飛行器射頻信號對偵察接收機的射頻隱身能力,使其無法完成信號的分選、特征識別和跟蹤,則需要使偵察接收機從飛行器射頻隱身波形中能夠提取的有用信息越少越好,也就是讓射頻波形參數(shù)的不確定性越大越好。在此設定在特征子集X中賦予一定結構關系,構成表示射頻隱身波形的某特征子空間 X,進而構造出波形特征不確定性度量函數(shù)H(X),用以表示由 X所決定的射頻隱身波形特征不確定性。

根據(jù)基于信息度量中的結構度量、統(tǒng)計度量、語義度量、語用度量、模糊度量的原理與方法,我們擬以熵的形式來對波形特征的不確定性進行度量。即若X是一個隨機變量,按照熵的定義[5]:

其中,H(X)越大,則隨機變量X所包含的不確定性就越高。

在離散系統(tǒng)中,根據(jù)概率論可以把離散的隨機變量x和它的概率分布表示為[6]

所以離散變量的熵即可表示為

如式(5)所示,熵反映了隨機變量 X的概率分布函數(shù)F(x～ p),可應用于后續(xù)分析熵或根據(jù)熵設計隨機變量X的跳變圖案。

由于飛行器平臺的射頻信號所包含特征多,樣本數(shù)據(jù)量大,因此其特征不確定性一定具有空間高維復雜性特點。參見表2,某隱身飛行編隊由多個同類或異類隱身飛行平臺組成,其中單個隱身飛行平臺也是由多個射頻傳感器組成,對于單個射頻傳感器的射頻特征則由多個射頻波形參數(shù)組成等,如此可以不斷細分下去。

給定某單個飛行器平臺A的1號射頻傳感器射頻波形樣本數(shù)據(jù)集 I=(f,τ,T, ,V,P,…),其中f={f1,f2,f3,…,fα}、τ={τ1,τ2,τ3,…,τβ}、T={T1,T2,T3,…,Tδ}等分別表示平臺A的1號射頻傳感器射頻波形的各維度參數(shù)樣本集,其中工作頻點樣本集f中共存在α個點,脈寬樣本集τ中存在β種參數(shù),周期樣本集 T中存在δ種參數(shù),等等。而且樣本數(shù)據(jù)集I=(f,τ,T, ,V,P,…)的每個子特征及子特征中包含的孫特征項均可看作隨機變量,于是特征子集 I=[f,τ,T, ,V,P,…]就是一個由多個子特征[f,τ,T, ,V,P,…]及孫特征(如[f1,f2,f3,…,fα]、[τ1,τ2,τ3,…,τβ]等)組成的隨機變量組。

于是參考式(4)～(5)可以針對所研究的特征子集,分別計算出H(f)、H(τ)、H(T)等各項特征參數(shù)不確定性的熵,表示為

若設計隱身波形時各組變化特征項之間均不相關,則可以得到平臺A的1號射頻傳感器射頻波形的不確定性熵:

同理可以計算出2號、3號……傳感器的射頻波形的不確定性熵H(A2)、H(A3)……若本平臺內(nèi)的各射頻傳感器不相關,則可以得到平臺A的射頻特征不確定性熵

考慮電磁環(huán)境影響時,則可以將電磁環(huán)境參數(shù)作為一個虛擬的傳感器對待。以波形工作頻點為例。在該傳感器射頻輻射的時間和空間中,工作頻段上一定存在包括本傳感器頻點在內(nèi)的 m個信號頻點,通過背景監(jiān)測可以得到各個頻點出現(xiàn)概率,由此計算出此虛擬傳感器的頻點熵值H(A0f),同樣計算得到 H(A0τ)、H(A0T)等 ,再共同應用于式(8)～(9)中,得到平臺A在實際電磁環(huán)境下射頻特征不確定性的熵。

同樣道理可以引入到編隊之中。但實際應用中,飛行器編隊各平臺間不可能是不相關的,因此編隊的射頻特征不確定熵計算要顧及平臺之間相關性,是一種條件熵。還需要引入編隊平臺間相關函數(shù)、邊界條件等參與計算,復雜性較高,在此不再展開論述。

如表2所示,飛行器平臺包含有多個射頻傳感器,每個傳感器的射頻信號波形又具有多維的信號特征。

表2 單一傳感器、射頻參數(shù)、單平臺以及多平臺編隊的聯(lián)合熵構成表Table 2 Joint entropy table of single sensor,RF parameter,single platform andmulti-platform formation

5 不確定性熵值的考核方法和應用

如圖2所示,當已知特征參數(shù)的跳變圖案時或通過實際儀器進行測試后,可以得出該特征參變量分布概率或概率密度函數(shù),繼而計算出該特征參變量的不確定性熵值。

反之,在對射頻傳感器的設計過程中,若要求提升某特征參變量的不確定性熵值,或者直接要求不確定性熵值達到某個目標時,可以計算出該特征參變量的概率密度函數(shù)或分布概率,再按照分布概率設置該特征參變量對應的最佳跳變圖案。

同理,參見表2計算方法,可以利用聯(lián)合熵的計算方法進行多維、多傳感器以及多平臺編隊時的不確定性熵值分析和設計,合理分配各級、各特征參變量所對應的最佳跳變圖案。

圖2 不確定性熵的應用流程圖Fig.2 Application flowchart of entropy

6 結束語

通過分析無源探測機理,提出了射頻隱身技術概念和內(nèi)涵是多層次隱身的觀點和技術實現(xiàn)途徑,并切斷敵對方偵察接收機技術體制和性能指標與射頻隱身指標高度關聯(lián)性,提出了反映射頻隱身傳感器及平臺的不確定性技術指標定義、分析計算方法和設計應用方法,可為射頻隱身技術、低截獲信號設計等研究人員提供有價值參考。

本文中未提及條件熵的計算模型和分析,這需要在具體工程中結合實際來進一步深入研究。

[1]Blake L A.雷達距離性能分析[M].吳秉瑋,趙揚,劉元林,等,譯.南京:《SSS》叢書編輯部,1990.Blake L A.Radar Range-Performance Analysis[M].Translated by WU Bing-wei,ZHAO Yang,LIU Yuan-lin,et al.Nanjing:SSS Agency,1990.(in Chinese)

[2]Poisel R A.通信電子戰(zhàn)系統(tǒng)導論[M].吳漢平,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2003.Poisel R A.Introduction to Communication Electronic Warfare Systems[M].Translated by WU Han-ping.Beijing:Publishing House of Electronic Industry,2003.(in Chinese)

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[4]Kupriyanov A и.無線電偵察與反偵察[M].薛啟鳳,譯.成都:電訊技術編輯部,1998.Kupriyanov A и.Radio Reconnaissance and Anti-reconnaissance[M].Translated by XUE Qi-feng.Chengdu:Telecommunication Engineering Agency,1998.(in Chinese)

[5]陳希孺.概率論與數(shù)理統(tǒng)計[M].北京:中國科學技術大學出版社,2000.CHEN Xi-ru.Probability Theory and Mathematical Statistics[M].Beijing:University of Science and Technology of China Press,2000.(in Chinese)

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