王經(jīng)商 吳 華 史忠亞 王文哲

(空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，西安710038)

射頻仿真 電磁兼容技術(shù)

基于半實物仿真的機載雷達(dá)輻射策略射頻隱身性能評估

王經(jīng)商 吳 華 史忠亞 王文哲

(空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，西安710038)

針對機載雷達(dá)輻射策略的射頻隱身性能評估問題進(jìn)行了研究。由于機載雷達(dá)面臨著敵方有源和無源探測系統(tǒng)的威脅，開展對其輻射策略的射頻隱身優(yōu)劣評估顯得非常迫切。鑒于實物仿真存在訓(xùn)練經(jīng)費高、作戰(zhàn)環(huán)境不可控以及無法進(jìn)行多次重復(fù)等問題，本文提出了一種射頻隱身半實物仿真系統(tǒng)的構(gòu)建方法，并著重對最大信號不確定性策略的射頻隱身性能進(jìn)行了評估分析。仿真主要以簡單的單載頻和線性調(diào)頻信號為主，從載頻捷變和駐留周期捷變對輻射策略的射頻隱身性能進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明:多類參數(shù)的捷變比單一類參數(shù)的捷變射頻隱身性能更好，并且增大信號帶寬是一種很好的提升戰(zhàn)機射頻隱身性能的方法。

射頻隱身;輻射策略;半實物仿真;性能評估

0 引 言

隨著無源探測設(shè)備探測能力的發(fā)展，原來的以大功率雷達(dá)探測為主的空戰(zhàn)模式將逐步退出空戰(zhàn)舞臺，隨之而來的是一種射頻隱身空戰(zhàn)模式和采用“低－零功率”的電磁頻譜戰(zhàn)模式。目前，實現(xiàn)機載雷達(dá)射頻隱身的技術(shù)手段有:LPI波形設(shè)計，射頻隱身功率管控，傳感器協(xié)同等等。由于LPI波形在機載雷達(dá)設(shè)計好以后就很難改動，而輻射策略的射頻隱身優(yōu)劣則主要依靠飛行員的主觀意識，其可操作性強，對于機載雷達(dá)射頻隱身性能發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。所以，開展射頻隱身輻射策略優(yōu)劣的研究對提升機載雷達(dá)的射頻隱身能力具有很大的現(xiàn)實意義。

傳統(tǒng)的機載雷達(dá)輻射策略基本沒有考慮射頻隱身的因素，通常采用最大恒定功率發(fā)射和固定的參數(shù)輻射，考慮的首要因素是完成探測任務(wù)。這樣很容易受到敵方的干擾甚至是攻擊的危險。因此，國內(nèi)外學(xué)者開始從時、頻、空、能等多域以及輻射參數(shù)優(yōu)化等方面對機載雷達(dá)的射頻隱身策略進(jìn)行了廣泛的研究。文獻(xiàn)［1］對兩種輻射能量控制策略進(jìn)行了理論推導(dǎo)并給出了最優(yōu)的輻射控制方案;文獻(xiàn)［2］從載波頻率角度對射頻隱身性能進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)［3－4］從空域的角度對機載雷達(dá)的射頻隱身性能進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)［5－8］從搜索階段的參數(shù)入手，給出了射頻隱身條件下的參數(shù)優(yōu)化方法;文獻(xiàn)［9－10］從駐留時間、子陣劃分和發(fā)射功率等參數(shù)對機載雷達(dá)跟蹤下的射頻隱身性能進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)［11］提出從輻射信號和輻射策略兩個方面來評價機載雷達(dá)的射頻隱身性能;文獻(xiàn)［12］從敵方截獲接收機的角度給出了機載雷達(dá)實現(xiàn)射頻隱身的方法策略。

鑒于上述文獻(xiàn)只是從理論上對輻射策略進(jìn)行了研究以及實物仿真訓(xùn)練經(jīng)費高、作戰(zhàn)環(huán)境不可控、無法多次重復(fù)等問題［13］，為了使輻射策略評估更加貼合實際情況，本文提出了構(gòu)建一種射頻隱身半實物仿真系統(tǒng)來開展機載雷達(dá)輻射策略的射頻隱身性能研究。隨著無源探測系統(tǒng)的飛速發(fā)展，輻射信號被截獲接收機截獲是難以避免的，所以，開展最大信號不確定性策略的射頻隱身性能研究比最小能量策略的射頻隱身輻射優(yōu)劣研究更具有現(xiàn)實意義。最后，文章著重從載頻捷變和駐留周期捷變對載機射頻隱身性能的影響進(jìn)行了研究，仿真結(jié)果表明，該策略在簡單雷達(dá)信號上對提升戰(zhàn)機的射頻隱身性能效果明顯。

1 基本理論

1.1 機載雷達(dá)射頻輻射風(fēng)險

(1)敵方無源探測威脅

隨機無源探測系統(tǒng)的發(fā)展，機載無源探測系統(tǒng)的探測距離為460 Km，地面無源探測系統(tǒng)的作用距離已經(jīng)達(dá)到800 Km且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于機載雷達(dá)200 Km的作用距離，所以，從探測距離上來看，機載雷達(dá)面臨著被干擾甚至被攻擊的危險;其次，機載雷達(dá)為了探測目標(biāo)，需要主動發(fā)射電磁波信號，而無源探測系統(tǒng)不主動發(fā)射電磁波，具有作用距離遠(yuǎn)、隱蔽性好等優(yōu)勢，所以，從信號輻射角度上來說，機載雷達(dá)面臨著巨大的威脅。機載ESM設(shè)備的頻率范圍為0.5－18GHZ，能夠?qū)Υ蟛糠脂F(xiàn)役雷達(dá)的工作頻段進(jìn)行截獲接收，靈敏度在 －60－－80dBm，截獲時間1.5－3s，測向精度為2度均方根值［1］。因此，從時域、頻域等域同樣面臨著巨大的輻射風(fēng)險。

(2)敵方的有源探測威脅

美軍新一代戰(zhàn)機F22和F35均裝備了射頻隱身性能良好的機載雷達(dá)、通信導(dǎo)航識別等電子設(shè)備，并且已經(jīng)全面掌握了各類機載傳感器的自適應(yīng)控制、射頻隱身波形設(shè)計等技術(shù)。而我國在射頻隱身的概念認(rèn)知方面比較晚，對射頻隱身輻射策略管控的使用方面更少，很多飛行員還未意識到其重要性，所以在與性能優(yōu)于我方的敵機作戰(zhàn)中，對于射頻隱身輻射策略的了解和掌握不熟將使我方載機平臺面臨巨大的威脅。

(3)機載雷達(dá)射頻隱身需求分析

機載雷達(dá)實現(xiàn)射頻隱身與否是相對于同一時期敵方的截獲接收機來說的，所以從截獲接收機的最新發(fā)展趨勢以及最新的時頻分析工具反推來看，實現(xiàn)LPI信號射頻隱身的關(guān)鍵是實現(xiàn)輻射信號的最大不確定性，參數(shù)的捷變性以及接收輻射功率小于截獲接收機的門限等。然而，現(xiàn)在的無源探測系統(tǒng)在探測距離、靈敏度等方面均有較大的優(yōu)勢，所以，開展最大信號不確定性策略的射頻隱身性能研究將更有意義和價值。

1.2 射頻隱身輻射管控策略

現(xiàn)在使用最多的射頻隱身輻射策略主要有最小輻射能量策略和最大輻射信號不確定性策略，而最小輻射能量策略又包含最小功率策略和最小駐留時間策略，下面將對其進(jìn)行具體的介紹。

(1)最小功率策略

最小功率策略 (minimum power strategy，MPS)，這種策略是對截獲接收機靈敏度較低的情況，要求機載雷達(dá)在探測目標(biāo)的時候發(fā)射的功率始終保持在能完成探測目標(biāo)任務(wù)的同時功率的最小值，并且隨著目標(biāo)的大小以及作用距離的遠(yuǎn)近，自適應(yīng)的輻射功率，使得到達(dá)截獲接收機處的雷達(dá)信號功率小于截獲接收機的門限，從而實現(xiàn)射頻隱身。

(2)最小駐留時間策略

最小駐留時間策略(minimum dwell strategy，MDS)，主要是針對截獲接收機靈敏度較高的情況，這時候天線的增益高、質(zhì)量大、掃描時間長，所以，機載雷達(dá)可以采用較高的輻射功率，主要是控制機載雷達(dá)的駐留時間，使得駐留時間小于截獲接收機的幀時間，從而使得截獲接收機無法截獲機載雷達(dá)信號，最終實現(xiàn)載機平臺的射頻隱身。

(3)最大信號不確定性策略

該策略要求系統(tǒng)的輻射信號參數(shù)不確定性最大，通過信號時域、頻域和空域的特殊設(shè)計，使信號的發(fā)射時刻、工作頻率、信號波形及輻射方向具有最大的不確定性，以提高其抗分選識別能力［6］?？梢允褂玫牟呗杂?策略一波形參數(shù)的隨機性，例如脈沖重復(fù)頻率、碼元率、頻率和開機時間等都是隨機的，使得敵方的截獲接收機不確定或無法預(yù)測下一個輻射信號何時出現(xiàn)，怎么出現(xiàn)，截獲以后也很難分類識別出來;策略二是發(fā)射欺騙和誘騙信號［14］，使得敵方截獲接收機誤認(rèn)為雷達(dá)信號是“噪聲”或者“類噪聲”而丟掉，從而達(dá)到射頻隱身的目的。

2 射頻隱身半實物仿真系統(tǒng)

射頻隱身半實物仿真系統(tǒng)(下文簡稱“仿真系統(tǒng)”)主要以硬件和半實物設(shè)備為主，主要包括機載AESA、ECM、IFF以及通信等輻射源和機載被動接收雷達(dá)、ESM、告警器、地面被動接收雷達(dá)等接收機平臺。圖1所示的各類機載電子設(shè)備的外部輻射信號特征以及復(fù)雜的電磁環(huán)境信號特征主要是通過多功能綜合信號模擬器來進(jìn)行模擬;而無源截獲接收機主要采用可編程寬帶截獲接收機來進(jìn)行模擬，它能夠根據(jù)仿真控制平臺給出的工作狀態(tài)及參數(shù)設(shè)定，模擬截獲接收機的工作過程，輸出實時截獲信號，送到射頻隱身反隱身性能分析、評估平臺，通過對截獲信號序列的識別、關(guān)聯(lián)、定位處理，輸出射頻對抗特性數(shù)據(jù)，進(jìn)行射頻隱身反隱身能力評估。仿真系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如下圖所示:

圖1 射頻隱身半實物仿真系統(tǒng)組成圖

實驗驗證平臺主要是在實驗室環(huán)境下，以射頻注入的方式模擬真實場景下射頻信號源和截獲接收機信號層面的對抗情況，進(jìn)行效能評估后形成某特定測試事件或測試任務(wù)序列的實驗結(jié)論。其功能組成可分為多功能綜合信號模擬器、可編程寬帶截獲接收機、信號測試與采集、測試事件編輯與加載、測試結(jié)果分析與評估和對抗實驗演示六個核心單元，這里就不再贅述。

3 機載雷達(dá)輻射策略射頻隱身性能評估

3.1 實驗仿真想定

為了驗證輻射策略的射頻隱身性能，本文以某次紅藍(lán)對抗進(jìn)行半實物的仿真實驗驗證，具體的仿真實驗想定如下:

在某次紅藍(lán)對抗演習(xí)中，紅藍(lán)雙方各自配備有兩架先進(jìn)戰(zhàn)機，都具備有發(fā)射機載雷達(dá)LPI信號波形和射頻輻射管控的能力。紅方在想定中執(zhí)行正常的防空巡邏任務(wù)，藍(lán)方作為對抗一方主要執(zhí)行遠(yuǎn)距離突襲任務(wù)，以此作為研究背景，分析機載雷達(dá)輻射策略的射頻隱身性能。

3.2 仿真環(huán)境的構(gòu)建

在仿真實驗想定制定好以后，驗證該想定需要搭建出仿真的實驗驗證環(huán)境。仿真驗證實驗所需的具體軟硬件有:模型及策略數(shù)據(jù)庫單元、射頻管控總體單元、可編程寬帶截獲接收機單元、天線近場測試系統(tǒng)單元、多功能信號模擬器單元、電磁頻譜記錄測試單元和演示驗證系統(tǒng)單元組成，連接關(guān)系如下圖所示。

圖2 設(shè)備軟硬件之間的連接關(guān)系

3.3 仿真設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系

利用仿真系統(tǒng)還原戰(zhàn)場作戰(zhàn)態(tài)勢，需要將仿真系統(tǒng)中用到的半實物仿真設(shè)備與實際的作戰(zhàn)裝備形成對應(yīng)關(guān)系，才能進(jìn)行理論研究，發(fā)現(xiàn)機載射頻輻射設(shè)備的缺陷、作戰(zhàn)使用中的不足，從而尋找解決和彌補問題的方法，并為作戰(zhàn)使用中的輻射策略提供使用方法。想定中紅藍(lán)雙方之間半實物設(shè)備與作戰(zhàn)裝備之間具體的對應(yīng)關(guān)系如下表所示:

表1 紅方半實物設(shè)備與作戰(zhàn)裝備對應(yīng)關(guān)系

實驗仿真中藍(lán)方的半實物設(shè)備與作戰(zhàn)裝備之間的對應(yīng)關(guān)系如下表所示:

表2 藍(lán)方半實物設(shè)備與作戰(zhàn)裝備對應(yīng)關(guān)系

4 仿真實驗

仿真1:信號駐留周期捷變

在該仿真實驗中，采用的信號樣式為單載頻信號，共有9組信號，并且每隔3s輻射出去一次。除了信號的駐留周期發(fā)生變化外，其他的參數(shù)都保持不變，其中信號的參數(shù)設(shè)置如下:信號的載頻為9595MHz，帶寬為10us，脈沖寬度為1us，駐留周期的捷變順序為:57us、84us、93us、48us、68us、57us、84us、93us和48us。將這些信號“編輯”和“加載”到射頻管控數(shù)據(jù)庫中，然后輻射出去，可編程寬帶截獲接收機的實時截獲情況如下圖所示:

圖3 截獲接收機的截獲情況

由上圖可知，可編程寬帶截獲接收機能夠?qū)⑿盘柦o截獲出來，但是對于參數(shù)的識別則出現(xiàn)了問題，脈寬和載頻基本識別出來，對于大的駐留周期例如68us、84us和93us能夠識別出來，但是對于小的駐留駐留周期如57us和48us則識別不出來。

仿真2:信號頻率捷變

在該仿真驗證實驗中，信號的樣式主要是單載頻信號。實驗中共輻射9組信號，信號每隔2～ 3s輻射出去一次。除了載頻不斷變化外，信號的其他參數(shù)都保持不變，具體參數(shù)設(shè)置為:帶寬為10MHz，駐留周期為50us，脈沖寬度為1us，載頻捷變的順序為:9688MHz、9606MHz、9615MHz、9640MHz、9740MHz、9744MHz、9746MHz、9754MHz和9804MHz。將這些信號通過射頻管控數(shù)據(jù)庫及仿真控制軟件的“編輯”、“加載”以后，最終輻射出去，通過可編程寬帶截獲接收機實時的截獲情況來驗證輻射策略的射頻隱身性能。截獲接收機的具體截獲情況如下圖所示:

圖4 可編程寬帶截獲接收機的截獲結(jié)果

將上圖中截獲接收機對信號參數(shù)的截獲情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，具體的數(shù)據(jù)如下表所示:

由表3可知，對于簡單的單載頻信號，信號頻率捷變策略對于其射頻隱身性能影響不是很大，截獲接收機能夠正常的對其截獲，并以很高的識別率對信號的參數(shù)進(jìn)行正確識別。仿真3:信號駐留周期、頻率均捷變

表3 單載頻信號的截獲結(jié)果

在該仿真驗證實驗中，信號的樣式主要是單載頻信號和線性調(diào)頻這兩種信號。實驗中共輻射23組信號，其中，前9個信號為單載頻信號，后14個為線性調(diào)頻信號。單載頻信號每隔2～3s輻射出去一次，線性調(diào)頻信號的輻射間隔為18s。9個單載頻信號除了載頻不斷變化外，其他參數(shù)都保持不變，具體參數(shù)設(shè)置同仿真2的參數(shù)設(shè)置一致。14個線性調(diào)頻信號除了載頻變化外，其他參數(shù)的值保持不變，具體的參數(shù)設(shè)置為:信號的帶寬為10MHz，脈沖寬度為13us，載頻的捷變順序為: 9595MHz、 9607MHz、 9630MHz、 9653MHz、9659MHz、 9676MHz、 9734MHz、 9735MHz、9746MHz、9758MHz、9769MHz、9780MHz、9781MHz和9793MHz。駐留周期的捷變順序為84us、93us、48us、68us、75us、106us、123us、123us、123us、140us、142us、145us和148us。將這些信號通過射頻管控數(shù)據(jù)庫及仿真控制軟件的“編輯”、“加載”，最終輻射出去，通過可編程寬帶截獲接收機實時的截獲情況來驗證輻射策略的射頻隱身性能。將上圖中的一連串信號輻射出去以后，截獲接收機對該組信號的截獲情況如下圖所示。

圖5 可編程寬帶截獲接收機的截獲結(jié)果

圖5中的截獲結(jié)果是對線性調(diào)頻信號的截獲，對前邊9個單載頻信號的截獲結(jié)果與仿真2中的結(jié)果一致。但是當(dāng)信號由單載頻變化為線性調(diào)頻時，線性調(diào)頻信號的前5個信號就沒有被截獲，截獲是從第6個開始的，并且，只能識別出信號的載頻，對于信號的脈沖寬度參數(shù)識別正確率不高，駐留周期只能識別出，具體的數(shù)據(jù)分析如下表所示:

圖6 截獲接收機對LFM信號的截獲結(jié)果

表4 線性調(diào)頻信號的截獲結(jié)果

表5 線性調(diào)頻信號的截獲結(jié)果

由表4～表5的數(shù)據(jù)可知，對于單載頻信號若保持信號的其他參數(shù)不變，將信號的載頻信號進(jìn)行捷變，那么截獲接收機能夠?qū)⑿盘枌崟r的截獲，并且所有參數(shù)都能以很高的識別率進(jìn)行識別出來。對于線性調(diào)頻信號，當(dāng)信號的駐留周期和載頻都進(jìn)行捷變時，脈寬信息能夠識別出來，駐留周期參數(shù)完全識別不出來，載頻參數(shù)除前5個讀取不出來，其他9個能夠以很高的識別正確率讀取出來。

為了進(jìn)一步的對信號捷變的射頻隱身性能進(jìn)行驗證，其他的參數(shù)保持不變，將信號的帶寬統(tǒng)一由10M變化為100M時，對應(yīng)的截獲接收機的實時截獲情況如下圖所示:

由上圖可知，截獲接收機對線性調(diào)頻信號能夠截獲，但參數(shù)是一團(tuán)亂碼，不能對信號的參數(shù)進(jìn)行正確的識別;當(dāng)將信號的帶寬設(shè)置為300MHz時，對于線性調(diào)頻信號已經(jīng)不能截獲。所以，在實際作戰(zhàn)中，只有采用LPI信號波形再加上恰當(dāng)?shù)妮椛涔芸夭呗?，才能將?zhàn)機的射頻隱身性能發(fā)揮到最佳水平。

5 結(jié)束語

針對機載雷達(dá)射頻隱身性能評估難的問題，本文構(gòu)建出一種射頻隱身半實物仿真系統(tǒng)，對機載雷達(dá)輻射策略的射頻隱身性能進(jìn)行了驗證評估。由于最小輻射能量策略在實際作戰(zhàn)中不是很奏效，所以，本文主要對最大信號不確定性策略的射頻隱身性能進(jìn)行了研究。仿真中主要對信號頻率捷變和駐留周期捷變進(jìn)行了研究，并給出在實際的作戰(zhàn)使用過程中的兩點使用建議:1.增大信號的帶寬可以有效提升機載雷達(dá)的射頻隱身性能。2.多類參數(shù)的捷變比單一類參數(shù)的捷變射頻隱身效果更佳。

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Evaluation on RF Stealth Performance of Airborne Radar Radiation Strategy Based on Hardware－in－the－Loop Simulation

Wang Jingshang，Wu Hua，Shi Zhongya，Wang Wenzhe
(Air Force Engineering University，Xi’an 710038)

The issue on RF stealth performance evaluation of airborne radar radiation strategy is studied.Since the airborne radar confronted with threatening of hostile active and passive detecting system，it is very urgent to evaluate RF stealth of radiation strategy good or bad.In view of issues like high training cost in real object simulation，its operational environment cannot be controlled and the training cannot be repeated multiple times，a method of constructing RF stealth hardware－in－the－loop is presented，and RF stealth performance of maximum signal uncertainty strategy is evaluated and analyzed emphatically.The simulation is mainly taking simple single carrier frequency and linear FM signal as dominant to verify RF stealth performance of radiation strategy from carrier frequency agility and wave standing cycle agility.The result shows that RF stealth performance of agility of multi－parameter is much better than that of single parameter，and increasing bandwidth of signal is a good method to improve RF stealth performance of fighters.

RF stealth;radiation strategy;hardware－in－the－loop simulation;performance evaluation

TN97

A

1008-8652(2016)04-086-07

2016-10-02

機載雷達(dá)低截獲性能評估的關(guān)鍵技術(shù)和實驗方法研究(20152096019);機載傳感器協(xié)同探測信息有效性與管理技術(shù)(20145596025)

王經(jīng)商(1990－)，男，碩士研究生。主要研究方向為電子對抗理論與技術(shù)。