雷达告警器面临的挑战与思考

王国涛，姜秋喜，刘 鑫，惠小东

(1.国防科技大学，安徽 合肥 230037；2.解放军77626部队，西藏 拉萨 850000)

0 引 言

在现代化战争中，电子对抗在战场中发挥的作用越来越突出。电子对抗是交战双方在电磁信息领域中争夺电磁优势、以谋求夺得制电磁权的作战行动，是交战双方在信息获取、传递、处理、应用及对抗等诸多环节的较量。作战中，雷达告警设备发挥着早期预警的作用，它可以截获、识别、定位敌方的辐射源，分析判定威胁等级，及时提供告警信息[1]。

然而在现代战争中，愈来愈复杂的电磁环境给告警器带来了许多挑战，主要表现在以下4个方面：一是雷达体制多样化；二是密集复杂电磁环境；三是雷达信号模拟干扰；四是噪声调制干扰。本文介绍了雷达告警器的构造和工作原理，分析了其在现代战争环境中存在的问题，并就如何应对提出了几点思考。

1 雷达告警器工作原理及存在问题

1.1 雷达告警器工作原理

雷达告警是指利用电子侦察接收机截获空间存在的各种电磁信号，通过告警设备内部的信号处理模块进行分析识别后，给出相应的威胁等级结果，实时发出声光或显示告警，并立即为我方战斗人员提供相应的对抗措施规避威胁[2]。其主要告警对象是对我方有威胁的敌火控雷达和来袭导弹。

瑞典BOW机载雷达告警器[3]为一款非常典型的雷达告警器，其基本系统由单脉冲天线、宽带接收机、窄带接收机、脉冲处理器以及雷达告警计算机组成。可选单元包括单脉冲天线、干涉仪天线、数字接收机以及辅助计算机，可以根据不同的模块进行组合。其结构框图如图1所示。

图1 BOW雷达告警器工作原理

雷达告警工作流程[4]如图2所示。接收机在截获信号后，分别在天线、宽窄接收机和脉冲处理器中完成辐射源特征提取，包括脉冲幅度(PA)、脉冲到达时间(TOA)、到达角(DOA)、信号载频(CF)和脉冲重复周期(PRI)等，这些统称为辐射源描述字(EDW)。信号处理器利用辐射源描述字完成辐射源威胁等级的判定。文献[5]给出了一种利用综合赋权法，对辐射源威胁指标进行加权后得出的威胁等级判定方法，文献[6]给出利用关联比较器(CP)与脉冲重复周期过滤器结合的方法实现对已知雷达信号的快速分选。

图2 雷达告警工作流程

1.2 雷达告警存在问题

从相关研究文献可以看出，目前雷达告警器对目标识别以及威胁等级的判断主要依据是辐射源描述字中的5个常规参数，而这些参数很容易被模拟出来或者被调制干扰。模拟器可以利用这些参数模拟产生类似的高威胁雷达信号，而且如果同时产生多波形多体制的雷达信号时，很容易造成告警器的高虚警，从而失去告警意义。噪声调制干扰可以与真实雷达信号混合，影响参数的测量，导致告警器测不准，识别不了。

2 雷达告警器面临的主要挑战

在战争的电子对抗阶段，雷达告警器发挥着早期预警的作用，是我军战斗部自卫的重要手段之一，而现代战争中复杂的电磁作战环境却给告警器带来了诸多挑战，本节就雷达体制多样化、密集复杂电磁环境、雷达模拟器干扰和噪声调制干扰4个方面进行分析。

2.1 雷达体制多样化

随着现代战争对雷达对抗的愈加重视，雷达的体制样式愈发多样化，应用也越来越广泛。低截获概率雷达、脉冲压缩雷达、脉间波形变换雷达和捷变频雷达等特殊体制的雷达越来越多地投入到战场中。这些特殊体制的雷达信号采用了脉内调频、调相、重频抖动和参差等信号形式，其信号常规参数随机可变，且无规律，使传统的基于辐射源描述字的信号分选识别方法性能变差，甚至失效。

2.2 密集复杂电磁环境

随着信息技术的发展，越来越多的信息化武器装备被投入到战场中。这类电子设备所占比例的增加使战场电磁环境变得愈加复杂。空中的电磁波不仅数量庞大,体制复杂,种类多样，而且在对抗条件下更会产生多类型、全频谱、高密度的电磁辐射信号[7]。这些电磁信号中，既有敌方释放的有意干扰信号，也有己方电子设备辐射的信号，还有民用电子设备发射的信号。在这种密集复杂的电磁环境中，雷达告警器接收机很容易饱和，影响对目标的检测判定从而产生漏警的情况。电磁环境的复杂性主要表现在以下几个方面：

一是构成上表现为类型众多，影响各异；二是时间上表现为变幻莫测，密集交迭；三是频谱上表现为无限宽广，拥挤重叠；四是能量上表现为密度不均，跌宕起伏；五是样式上表现为数量繁多，波形复杂。

2.3 雷达信号模拟器干扰

雷达信号通常可以表示为：

x(t)=A(t)cos[2πf0t+φx(t)+φ0]

(1)

式中：A(t)为信号的幅度；f0为载频；φx(t)为相位调制信息；φ0为初相。

对A(t)、f0和φx(t)进行调制从而产生不同类型的雷达信号，雷达信号模拟器是利用雷达原理并结合计算机技术产生所需雷达信号的电子设备，它是计算机仿真技术、数字信号处理(DSP)技术和武器装备技术相结合的产物[8]。在现代作战中，雷达信号模拟器常被用来模拟产生虚假的雷达信号，以干扰敌机载雷达告警器，极大提升其虚警率，致使其失去早期告警作用，其主要组成结构如图3所示。

图3 雷达模拟器结构原理图

雷达信号模拟器主要有以下特点：

(1) 使用直接数字合成(DDS)技术产生激励信号，能够模拟产生常见的数字雷达信号和模拟雷达信号，也能产生频率跳变、频率分集、重频抖动和脉冲压缩等复杂体制雷达信号。

(2) 使用数字信号处理+现场可编程门阵列(FPGA)技术，波形设计灵活，可以根据需要产生指定雷达参数的模拟信号。

(3) 能够同时模拟产生多部不同体制、不同类型的雷达信号。

2.4 噪声压制干扰

噪声干扰是指频率、相位、幅度随机变化的电磁信号干扰，其产生原理如图4所示。噪声干扰信号按频谱结构可划分为：瞄准式噪声、阻塞式噪声、梳齿式噪声。

图4 噪声干扰产生原理图

噪声调制干扰是利用高功率、宽频带信号与真实雷达辐射信号叠加在一起，造成信号参数的随机变化，尤其是当噪声干扰的分布形式未知时，极大地影响了对信号的检测，使告警器不能对威胁辐射源进行准确识别；或者噪声的功率强度大于雷达信号时，使信号完全淹没在干扰中，从而难以检测到真实雷达信号。噪声压制干扰的信号时域波形与信号频谱如图5所示。

图5 噪声干扰信号的时域波形及频谱图

3 应对的主要策略

针对上节提出的告警器面临的4个挑战，下面就基于盲源分离的雷达信号预分选、雷达信号有意调制识别和无意调制识别3个方面进行改进研究。

3.1 基于盲源分离的雷达信号预分选

在现代复杂密集的电磁环境中，空间的信号脉冲密度达到百万级，如何将混叠交错的雷达信号进行分离是需要面对的严峻问题。盲源分离技术是基于信号源的独立性来完成信号的分离，该技术无需学习样本的选取，在源信号和传统通道信息完全未知的情况下，仅根据观测到的混合信号提取恢复出源信号的一种技术，其代表是独立成分分析(ICA)算法[9]。快速ICA算法(FastICA)也称为快速不动点算法，是ICA算法中发展较为成熟并且得到广泛应用的算法之一。该算法较其他算法复杂度低，收敛速度快，可以很好地分离不同调制脉冲雷达信号以及连续波雷达信号，而且也能够在强高斯白噪声干扰背景下提取出微弱信号，较传统基于辐射源描述字的信号分选算法有较大的优势。而且近年来也有许多学者提出了改进型FastICA算法，提高了算法的运行效率，将该算法应用到告警器系统中必然大大改善信号的分选效果。

3.2 雷达信号有意调制识别

随着雷达对抗技术的发展，现代新体制雷达普遍对信号进行了脉内调制，使得雷达信号的波形更加多样化，参数设置也更加灵活多变。为了应对这种情况，必须对雷达信号的脉内有意调制类型进行识别。在确定了信号的调制类型后，才可以有针对性地选择参数估计与测量的方法，提高参数的准确度和可信性。同时，对信号的有意调制方式的识别也能进一步对雷达的功能进行定位，是辐射源识别的一种重要参数。目前，雷达信号脉内调制识别方法主要有时频曲线法、延时自相关法、分形测度法以及小波变换法。其中时延自相关法是基于调制信号的瞬时自相关函数特征进行脉内有意调制识别的，算法处理速度较快，国内已经应用于工程实践，在雷达告警系统中有较好的应用前景。

3.3 雷达信号无意调制识别

对于雷达信号模拟器干扰，应从辐射源个体识别角度入手。雷达信号的无意调制，即辐射源个体识别，是指在同型号不同个体的雷达之间，通过对所产生信号的细微特征进行测量，提取能反映目标特征的信息，与特征库进行对比从而确定辐射源个体的技术。由于辐射源个体使用物理器件的差异或者设计原理的不同，会在产生的信号中留下个体特征，这种特征也叫做“指纹”特征。例如，发射机中脉冲调制器间的差异会造成发射信号的包络特征不同，频率源所使用的晶体振荡器之间稳定度不同也会体现在载波的频率稳定度和脉冲重复频率的稳定度上，这些都是辐射源个体所具有的固定特性。有许多学者分别从信号的常规参数、包络特征、瞬时特征、调制参数以及频谱分布等不同角度研究了雷达个体识别的方法[10]，目前也取得了较大的进展。雷达模拟器因工程设计与功能定位的原因，信号特性与真实雷达有较大差别，因此可以通过信号的无意调制特征识别，降低模拟信号造成的干扰，提高威胁告警的准确率。

4 结束语

雷达告警器是空战防御系统中不可缺少的一部分，如何应对不断发展的电子对抗技术，在战争中尽快尽早识别出干扰信号，降低虚警概率的同时提高发现概率，对提升未来战争的生存能力有着重要的意义，需要科研工作者进一步思考研究。本文第一部分以瑞典BOW机载雷达告警器为例介绍了雷达告警器的工作原理和辐射源威胁等级判定方法，指出了其存在的问题；第二部分就雷达告警器面临的挑战，分别列举4种情况进行分析思考；第三部分提出了应对策略，但在告警器平台上的具体算法还需进一步深入探讨和挖掘。