雷达反空间电子侦察的干扰方法研究

林 钰，余 强，毕大平

（1.桂林长海发展有限责任公司，桂林541000；2.电子工程学院，合肥230037）

0 引 言

现代高技术条件战争中，电磁空间己经成为继陆、海、空、天之后的第5维空间。未来战争中如果没有制电磁权，那么制空权、制海权、制天权甚至地面作战的主动权将毫无保障。电磁空间主动权争夺的核心就是侦察与反侦察的斗争，因此必须依靠各种侦察与反侦察装备和手段获得信息优势，才能保证赢得战争的主动权。

电子侦察是指对敌方的电磁辐射源发出的电磁信号进行搜索、截获、分析、识别、定位和评估等，从而确定这些装备或系统的类型、用途、工作规律、所在位置等信息。其根据侦察手段可分为雷达对抗侦察、通信对抗侦察和光电侦察等［1］。雷达对抗侦察作为重要的情报侦察手段之一，其设备的工作频率覆盖0～40GHz，正向140GHz扩展，截获概率已接近100%，信号环境适应能力100万脉冲／s。它包括用于平台自卫的雷达威胁告警、电子战支援侦察（ESM）和电子情报侦察（ELINT），能为本方作战计划的制定提供重要的信息。因此，雷达信息受到前所未有的威胁，但目前雷达干扰系统主要的作战对象都是各种体制的有源雷达，并无专门以电子侦察系统为作战对象的干扰系统。从电子防御的反侦察角度，本文重点研究对空间电子侦察装备的攻击方法，通过对其进行电子干扰达到破坏其工作效能的目的，为保护己方雷达情报提供可行的途径。

1 空间电子侦察装备的发展现状及组成原理

1.1 空间电子侦察装备的发展现状

国外许多国家已部署了雷达对抗侦察装备，如电子情报侦察卫星、侦察飞机和地面侦察系统等，能够定期或者不定期对敏感地区进行侦察，为其制定作战计划提供重要的依据［2］。

电子侦察卫星已经成为获取电子情报的重要手段，一般部署在500～600km高度的较低轨道上，不易受地形、气象等条件的限制，侦察范围广，获得情报多，其频率覆盖范围可达0.5～20GHz，覆盖了大部分雷达的工作频率。美国、俄罗斯、法国和英国等都已经拥有电子侦察卫星，其中以美国的电子侦察卫星功能最强，阵容最齐全。美国自1962年5月发射了世界上第1颗电子侦察卫星以来，至今已经发展到第5代。20世纪90年代初研制的第4代典型装备——“军号”电子侦察卫星，运行在大椭圆轨道上，它使用了当今航天领域最先进的电子、天线和数字传输技术，可同时监听上千个地面电子信号源。美国还在研制具有一定隐身特性的“徘徊者”静止轨道电子侦察卫星和“奥林匹亚”（SB－WASS）低轨道电子侦察卫星。

美军的各种战术侦察飞机、无人机以及地面机动侦察站都装备有电子侦察装备，主要进行电子战支援侦察和告警。美国现役的主要电子侦察机有RC－135V／W 和 EP－3EⅡ等。RC－135V／W 飞机能收集世界上多种预警、制导雷达的技术参数，其测量脉宽精度可达±0.1μs、方位精度可达±1°。

另外，周边国家和地区一直重视发展信号情报侦察能力，积极建立自己的信号情报体系。日本自卫队已经建立了若干地面电子侦察站，并装备有YS－11、EP－2J、F－4EJ等信号情报飞机和具有信号情报能力的预警机。为进一步提高其信号情报能力，还向美国购买了3架EP－3C情报搜集飞机，用于对海上舰船和地面辐射源进行监视、侦测、记录、分析。另外，韩国、印度、东南亚诸国及台湾地区也都具有地面、海上和空中信号情报能力，其中韩国、印度和台湾地区分别装备有波音707、EP－3C和EC－130信号情报飞机，并各自建有多个信号情报侦察站［3－4］。

1.2 电子侦察系统的组成原理

侦察接收设备主要用于截获、分析和存储敌方的雷达信号参数和工作规律等信息，一般由侦察天线、侦察接收机、信号处理和显控终端组成，如图1所示。

图1 现代雷达对抗侦察设备的原理组成

雷达对抗侦察设备对辐射源信号进行侦察的工作过程：由侦察天线接收其所侦测空间的电磁信号，经侦察接收机和测量单元，实现对该批信号的参数测量，形成脉冲描述字（PDW），再由信号处理部分经算法处理进行分选和识别，最后进行显示控制和记录［5］。

2 干扰的可行性分析

2.1 侦察系统自身弱点分析

从侦察系统本身的设计和处理流程来分析可能存在的薄弱环节，为下文的干扰方法分析提供依据。下面重点对其采用的典型技术弱点进行分析。

2.1.1 测频体制弱点分析

现代电子战接收机种类繁多，但总的说来尚无一种接收机能满足电子侦察的所有要求。雷达对抗侦察接收机的发展主要分为模拟接收机和数字接收机2个阶段［6］。

在模拟阶段，主要有晶体视频接收机、超外差接收机、瞬时测频接收机（IFM）、信道化接收机［7］等。这些接收机现在装备中仍在广泛使用，但是不足之处是容易导致信号的频率和相位等精细信息丢失。

数字接收机阶段，其发展历程大致为3个阶段：

（1）基带信号的数字化处理阶段，也就是视频数字化阶段。视频数字化接收机需要与其它的模拟设备配合工作，虽然提高了雷达信号侦察接收机的侦察能力，但无法获得信号的脉内信息，很难适应日益复杂的电磁环境。

（2）中频信号的数字化处理阶段，直接将中频信号进行数字化处理，使用数字下变频的方法变为基带信号，这样就能够保存信号的频率和相位信息。

（3）射频信号的数字化处理阶段，由于高速模／数转换器（ADC）价格昂贵，功耗较高，一些关键性参数较低等的不利因素制约着射频信号数字化处理技术的发展，并未得到广泛的应用。

无论模拟还是数字方法测频都存在自身的弱点。瞬时测频接收机只能测量单载频信号且对于同时到达信号不能够准确测量任一载频值；信道化接收机频域截获带宽较宽，但是宽带信号在相邻信道输出或者受到噪声干扰容易引起测频错误；超外差接收机截获概率较低，对于宽带雷达信号的截获概率较低；数字接收机中的部分数字测频方法对于信噪比要求较高，受到噪声干扰时测频误差较大，这些都为对侦察系统实施干扰提供了可行的突破点。

2.1.2 测向接收机弱点分析

测向接收机主要对信号源的入射角度进行测量，典型的测向方法主要有振幅法、相位法和时差法。其中振幅法测向［7］技术主要有最大信号法（波束搜索法）、双波束脉冲比幅法测向［8］和全向振幅单脉冲测向技术等。相位法测向技术：单基线相位干涉仪测向［9］，此种技术存在相位模糊的缺陷，随后出现的测向技术很好地克服了这一点，如余数定理解模糊、虚拟基线法、无模糊长基线干涉仪测向、立体基线法［10］。时差法测向［11］技术中的短基线时差测向基本原理是根据电磁信号到达2个或多个站的时间差来对辐射源的方向进行测量。

数字测向技术是将测向天线阵与数字接收机相结合，信号的信息将保留在被量化后的数字中：一种是通过对数字信号处理来获取辐射源的幅度、相位和时间信息，从而得到信号的方向参数；另一种则是谱估计法，比如最初的空间谱估计是时域傅立叶分析在空域的直接扩展形式，这类方法存在分辨力不高和虚假分量等缺陷［12］。

幅度测向方法中的搜索法测向系统由于瞬时工作空域较小，不能满足侦察系统的宽开空域侦察的要求，故较少在空间侦察系统中使用，且测向精度较差。比幅测向系统能够对空域进行360°全向覆盖，在侦察截获系统中较为常用，但是由于测向原理是通过比较2个或者多个通道中的信号因相位差而引起的幅度差而实现测向，对于复杂电磁环境中存在的多信号或者干扰的情况下，测向误差将会增大。时差法测向同样是通过测量脉冲到达时差引起的相位差而实现测向，对于脉冲配对和时差测量精度要求较高，同样在多信号和噪声干扰情况下测向误差将会增大。干涉仪测向是通过频率到相位的转换实现鉴相，达到测频的目的，该方法同样受到多信号和噪声的影响。数字方法测向主要是通过对数字信号的复杂计算来实现高精度测向，不适用于实时性要求较高的侦察系统，故不予讨论。

2.1.3 信号分选弱点分析

雷达信号分选是指将雷达侦察接收前端送来的密集交叠的脉冲流分离成属于各个雷达的脉冲序列，进而得到雷达相关参数的过程。简单来说，信号分选就是一个去交叠、去交错的过程。典型的多参数雷达信号分选流程一般可分为两部分：首先是雷达信号的预处理，包括已知辐射源的匹配与扣除，到达方向（DOA）、脉冲宽度（PW）、雷达频率（RF）联合分选，预处理的目的是为了稀释脉冲流，为主分选做准备；第二步是主分选，包括脉冲重复周期（PRI）分选、跳频雷达和参差雷达识别、剩余脉冲处理，主分选的目的就是将相同参数的雷达识别出来。

早在20世纪70年代，Campbell等人就开始了复杂信号环境下的信号分选算法研究，传统的信号分选技术主要包括最近邻分类器、参量范围匹配法、统计评估技术和试探法等。20世纪80年代之后，Rogers等人开始研究高密度复杂信号环境下的实时信号去交错处理算法。在高密度复杂信号环境下，不同辐射源脉冲在时域上交错到达，利用脉冲到达时间（TOA）进行基于PRI脉冲去交错处理一直是信号分选处理算法研究的热点。累积差直方图（CDIF）算法是对PRI分选进行了深入研究，在传统直方图分析方法的基础上结合序列搜索算法提出的。时序差直方图（SDIF）算法，是对CDIF算法进行改进，这种算法在运算速度和防止虚假目标方面做了较大改进。赵仁建等在1997年提出了用于密集信号分选的平面变换技术的概念，这种技术将密集射频脉冲信号分段截取并逐行在平面上显示，通过平面显示宽度的变换，得到表征信号特征的调制曲线［12］。2000年，Nishiguchi等人将TOA的复值自相关积分方法进行了改进，称其为改进的PRI变换算法［13］。

从以上介绍的各种分选方法来看，其核心是时域参数TOA，通过时域的不同处理方法来实现同部雷达脉冲信号的分选。所以对于截获脉冲信号的TOA和雷达自身信号的相关性要求较高，一旦出现测量误差或者杂乱虚假脉冲则会使分选错误。平面变换等复杂算法由于耗时较长并不适合于实时性要求较高的ESM系统。

2.2 干扰配置及干扰功率分析

在雷达工作过程中，雷达信息不可避免地被空间侦察设备截获侦收，这样需要在雷达周围布置针对空间侦察设备的干扰系统来保护己方雷达信息不被正确侦测，以达到反侦察的目的。但是干扰配置需要考虑2个问题：进入侦察系统的干扰功率能否强于雷达信号；干扰信号覆盖雷达信号工作频率时，空间侦察设备的反射波能否对雷达造成干扰。

图2 干扰系统配置示意图

3 对空间雷达对抗侦察的干扰方法分析

对雷达的干扰，通常是在搜索、截获雷达信号并测得信号的方位、频率等关键参数后，再引导干扰系统对目标进行干扰。而作为作战对象的空载平台ELINT／ESM系统本身不辐射电磁信号，对于干扰系统来讲，空载平台ELINT／ESM系统的瞬时工作状态是未知的，无法直接引导干扰系统对目标进行干扰，因此需要深入考虑，从被保护对象——雷达的工作参数和状态方面来设置相关干扰参数。本节讨论的干扰方法主要是针对雷达对抗侦察系统自身的弱点进行有针对性的干扰。

干扰其对雷达单个脉冲PDW的有效获取。

3.1 对频域参数测量实施干扰

频域参数主要是信号的载频信息，对于频域开窗类的测频方法（如超外差接收机和信道化接收机）可以采取噪声干扰来降低信噪比，使其截获概率和测频误差（如窄带噪声干扰、梳状谱噪声干扰、噪声扫频干扰等）。在梳状谱干扰中，通过对干扰源进行设置，使得干扰信号的频点设置与己方雷达工作频率相关，雷达信号和干扰信号能够同时进入侦察系统，采取N个频点正弦信号合成梳状谱干扰信号：

式中：An为干扰信号幅度；fn为梳状谱中干扰信号的频点；tj为干扰时间。

其干扰效果较为良好［14］。对于频域转换的测频方法如IFM，则可以针对鉴相器实施干扰（如噪声干扰、重叠脉冲干扰或连续波干扰等）。采取步进数为N ，信号波形为Scw（t）＝Acwcos（2πfcwit＋φ0），（iT≤t≤（i＋1）T）的步进频率连续波（SFCW）对己方雷达信号进行全时域覆盖（其中，Acw为发射信号幅度，fcwi为第i（1≤i≤N）个频点对应的频率，T 为点频持续时长），IFM接收机处理同时到达的信号会遇到很大的困难，以此来达到干扰的目的［15］。

数字化接收机主要由接收和采样两部分组成，由于其采样体制的先进性，导致传统的干扰方法很难对其产生影响。而接收部分，则可以通过增大干扰信号功率与雷达信号功率的比值，使接收部分无法正确检测，达到干扰的效果。以单比特数字接收机为例，其检测概率与接收机量化位数以及核函数的取点数有关，采用强弱信号交替的方式［16］。根据实验验证得知，当干信比达到8dB时，强信号完全掩盖弱信号，只有采取较高的量化位数。但是这会导致运算量的增加以及算法难以实现，不利于测量。所以，对于数字化接收机，利用噪声干扰降低其信噪比也是一种可行的措施。

3.2 对时域参数测量实施干扰

实际的脉冲信号包络波形是一个近似梯形脉冲，不会和理想脉冲波形一样与坐标轴垂直，会有一定的倾斜角度，如图3所示。下面以单个实际脉冲包络为例，来分析脉冲信号的几个重要参数［17］。

脉冲幅度（PA），即脉冲包络最大值和最小值的差值，在脉冲描述字中，脉冲幅度是一个重要的参数，它的测量直接影响到其它参数的测量。脉冲宽度（PW）测量需要确定一个临界点，来确定计算开始时间和停止时间。一般根据所测量的脉冲幅度，取脉冲幅度为50%的点为临界点，脉冲后沿到达时间和前沿到达时间之差即为脉冲宽度。脉冲的到达时间（TOA），侦察系统所测量的到达时间是指雷达信号被侦察截获时所对应的系统时间，这个触发点是截获脉冲幅度的半幅度点。因为脉冲有上升沿和下降沿，所以也有2个到达时间，分别称为前沿到达时间和后沿到达时间。

图3 单个脉冲包络示意图

影响脉冲包络的因素主要有噪声、接收机滤波器带宽、检波算法和多径效应等。这样对侦察系统实施干扰时，可以采用噪声干扰和相干重叠脉冲破坏雷达的包络，进而对时域参数进行干扰。这样对TOA的干扰将直接破坏信号分选的条件，使分选结果出现严重错误。

3.3 对空域参数测量实施干扰

对于辐射源定位是进行干扰的前提条件，故空域参数是侦察系统的重要性能指标。通过上文对于测向方法弱点的分析，振幅法、相位法和时差法测向都不能同时处理多个信号，且对噪声较为敏感。根据实验［18］得知，当干扰源功率与雷达功率相同时，测量结果会变成两者夹角中间的值，故可以对测向系统实施噪声干扰或通过与己方雷达协同发射相干信号进行欺骗干扰，使接收机出现虚假测向。测向结果将直接影响辐射源定位的准确度，使侦察系统无法对辐射源准确定位。

4 结束语

雷达电子防御已经成近些年研究的重点内容，其中针对雷达截获系统的反侦察技术得到了重视。但是以空间电子侦察系统为作战对象的干扰技术在公开文献中较少研究。本文以此为出发点，在重点分析电子侦察系统的原理和技术的基础上，针对其技术弱点提出有针对性的干扰方法，为下一步研究提供了可行的思路。

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