基于复杂电磁环境的射频隐身方法研究

田 晓,乔文昇,黄秀琼,李艳莉,顾鹏程,陈 港,黄小艳

(1.中国西南电子技术研究所, 成都 610036; 2.电子科技大学 成都学院, 成都 6117311)

0 引言

现代军事日益向“陆、海、空、天、电磁”五维一体方向发展,体系化战场中充满了各种不同频段、不同工作方式的射频传感器,各种射频传感器的辐射信号在空间叠加,造成了极为复杂的电磁环境。而且,由于作战环境的不同,电磁波的传播特性也不同。为了准确检验各种设备在实际战场电磁环境下的性能,模拟战场环境中各个辐射源的动态变化特性,使电磁环境逼近实际作战所面对的电磁环境,验证复杂电磁环境对射频传感器功能和射频隐身性能的影响分析,更加客观地分析射频系统的隐身性能,从而在研发阶段就解决实际设备在面临战场复杂电磁环境所遇到的问题。

射频隐身的核心是对射频传感器辐射的多维辐射特征和辐射等级进行综合管控,降低敌方电子侦察设备截获、分选和定位跟踪能力。现有的研究主要通过功率控制、定向辐射空域控制、多维特征随机化波形、多传感器和多平台协同等技术手段开展算法研究和工程应用[1-6]。文献[7]提出了基于遗传算法的射频隐身优化模型,实现了地杂波和海杂波条件下的空基雷达隐身性能验证。文献[8-9]提出了一种分布式雷达节点分配、驻留周期和辐射能量3个辐射特征优化的射频隐身算法。但上述方法均是在简单理想化的射频隐身对抗环境中进行研究,没有考虑实际战场中的复杂信号环境。本文中从实际应用的角度出发,研究叠加了复杂电磁环境的对抗场景对敌方威胁侦察系统的测量、分选聚类等环节的影响,进而为主动射频隐身方法设计提供了新的思路。

1 复杂电磁环境射频隐身总体方案

复杂电磁环境中的射频隐身性能分析评估系统的组成如图1所示,主要包含作战场景、战场辐射管控策略、射频传感器、复杂电磁环境构建、电磁频谱感知、敌方电子侦察、射频隐身分析评估等。在对电磁态势感知的基础上,获取作战空间的敌方电磁信号时域频域分布特征,将感知结果作为辐射特征管控的输入,不断优化战场辐射管控策略,主动构建有利于隐身的复杂电磁环境参数,从而扰乱敌电子侦察系统对信号的侦察测量、分选聚类处理,达到抗截获的目的。

图1 复杂电磁环境中的射频隐身测评总体方案Fig.1 Overall scheme for RF stealth testing and evaluation in complex electromagnetic environment

1.1 复杂电磁环境构建

复杂电磁信号构建系统的工作流程如图2所示,主要包含场景编辑和信道模拟、信号样本库加载/多通道信号调制模拟和信号合成发射等主要环节。通过电磁频谱感知得到敌方的频谱时频分布,然后主动调度战场辐射管控策略产生有利于我方射频隐身的复杂电磁环境信号,通过信号生成系统调用信号模型库的不同信号类型,产生不同频段、不同带宽、不同天线特性的真实战场环境信号合成后发射。

图2 复杂电磁环境构建系统工作流程Fig.2 Complex electromagnetic environment generation system workflow

1.2 复杂电磁环境信号级数字模型

采用SystemVue仿真软件对复杂电磁环境进行信号级仿真,典型的复杂电磁环境模型如图3所示,包含基带信号生成、信号采样、上变频、信号放大等模块[10]。可以对复杂电磁环境的辐射参数进行动态配置,最后将多路电磁信号和雷达辐射信号进行空域叠加后输入到电子侦察模型中进行低截获性能分析。Im(m=1,…,4)表示第m个复杂电磁环境信号,n=1,…,N表示信号的离散序列,合成后的信号为

I(n)=I1(n)+I2(n)+I3(n)+I4(n)

(1)

为了保证构建的复杂电磁环境信号对我方射频传感器影响小,对敌方影响大,复杂电磁环境构建有2个主要原则:一是增加脉冲密度流和子信道内的时域交叠概率;二是构建信号和射频传感器自身辐射信号频率正交。因此以我方辐射雷达信号频率为中心,在±10 MHz子信道带宽内生成4个辐射特征与辐射信号相近的电磁信号,信号在空间时域交叠合成后,脉冲包络起伏、脉冲分裂,影响检测门限,脉宽和重复周期发生随机变化,导致脉宽和重估周期分选错误,使得敌方侦察设备无法获得稳定的辐射源,复杂电磁环境仿真模型如图3所示。

图3 复杂电磁环境信号级建模Fig.3 Signal-level modeling of complex electromagnetic environments

2 复杂电磁环境对射频隐身性能影响

2.1 复杂电磁环境对信号检测环节的影响

对于电子侦察设备,通常采用信道化接收机,在频域上对信号进行稀释,将信号稀释到不同频段的窄带子信道中,实现信号的高灵敏度接收和参数测量。检测环节首先需要对信号存在进行判断,当判断信号存在之后,在信号处理模块中完成高精度的参数测量,最终生成脉冲描述字(PDW),电子侦察设备的信号检测流程如图4所示。

图4 信号检测的处理流程Fig.4 Processing flow of signal detection

在信号检测层面,复杂电磁环境对其产生的影响表现为期望信号之外的大量带内信号对噪声电平的提高[11]。噪声电平的提高造成电子侦察设备截获性能降低,进而对电子侦察测量的频率、脉宽、重复周期的精度产生影响。

2.2 复杂电磁环境对聚类分选环节的影响

针对已知雷达信号,通过参数匹配的方法,利用一定的容差门限进行信号聚类。针对未知信号,首先对频率进行波段分割,然后采用SDIF进行固定重频分选,再对PRI相似的脉冲序列做参差、重频抖动的分选(基于一阶直方图),最后将角度、频率分割子空间中剩余的脉冲统一作为重频复杂变化或无规律变化的信号[12],基于参数匹配的已知信号聚类和基于位置信号的信号主分选的处理流程如图5所示。

图5 信号聚类分选的处理流程Fig.5 Process flow of signal sorting

在信号分选识别层面,复杂电磁环境将导致截获的脉冲流增多,信号的增批问题严重,信号测量误差增大,导致信号的分选聚类困难,不能形成稳定的辐射源。

3 复杂电磁环境对射频隐身影响的仿真验证

本节通过仿真实验验证2.2节构建的信号级模型对射频隐身信号检测和分选聚类的影响分析。为了保证复杂电磁环境对射频隐身的影响效果,复杂电磁环境的信号必须落在侦察接收机的子信道内,仿真设置的复杂电磁环境信号共有4个,雷达辐射信号和复杂电磁环境信号设置的参数如表1所示。

3.1 复杂电磁环境条件下的接收信号辐射特征分析

根据设置的参数可以得到叠加了复杂电磁环境的时域波形,电子侦察设备侦收的时频交叠信号时域波形如图6所示,可以看出信号的时域会产生交叠,脉冲流的脉宽和重复周期不确定性极大增加。

表1 仿真测试参数设置

定义接收信号的模糊函数定义[13]为

(2)

分别对叠加复杂电磁环境前后的侦察设备接收信号进行模糊函数时频分析,雷达信号叠加复杂电磁环境信号前后的时频分布如图7所示,可以看出叠加前的雷达信号为单脊线时频图,而叠加了复杂电磁环境的时频分布特征随机,很难从时频特征进行特征提取。

3.2 复杂电磁环境对信号检测环节的影响验证

为了验证表1中信号对信号检测环节的影响,将其视为一种探测扰动信号,本文借鉴干信比的定义,定义复杂电磁信号平均功率PrI与雷达发射信号的平均功率PrS的比值为

(3)

分别按照不同的干信比将表1中的复杂电磁环境叠加在雷达信号上注入到电子侦察系统中,通过仿真得到不同干信比对信号检测结果的影响如图8所示。

从图8可以看出,当干信比大于6 dB时,电子侦察系统的频率测量结果将1 600～1 620 MHz之间随机分布,测频误差较大。同样,当干信比大于6 dB时,电子侦察系统的脉宽测量结果将1～13 μs之间随机分布,测量误差较大。

图7 侦察设备侦收信号的时频分布Fig.7 The time-frequency distribution of the reconnaissance equipment detection signal

图8 不同干信比条件下的信号检测结果Fig.8 Signal detection results under different dry signal ratio conditions

3.3 复杂电磁环境对分选聚类环节的影响验证

根据雷达基准信号的频率、脉宽搜索关联后脉冲描述字,若频率、脉宽测量误差在3δ门限内,则判定辐射源被正确截获。

(4)

式(4)中:RF、PW表示雷达辐射信号频率、脉宽;rf、pw表示截获信号频率、脉宽;σRF、σpw表示频率和脉宽精度门限。

将有效截获时间段进行累计并与总的辐射时间相比,则最终的截获时间比值可用来等效测试被截获概率。因此,基于截获时间比的被截获概率等效计算模型为

(5)

为了验证复杂电磁环境对信号分选环节的影响,按照表1中设置不同信号验证对分选环节的影响,以秒为步长进行截获概率统计,可以得出不同复杂电磁环境类型的被截获概率如表2所示。

表2 复杂电磁环境对分选聚类环节的影响

从表2 可以看出固定PRI的信号,因为和雷达脉冲信号的时频交叠概率较低,所以基本对电子侦察设备无影响。参差PRI信号对分选的影响处于中间水平,随机PRI信号和连续波信号情况下对侦察设备的截获概率影响较大。

4 结论

本文中针对复杂战场电磁环境下隐身武器平台的射频隐身问题,开展探索性的研究,并借助仿真验证给出了初步的结论。

1) 主动构造的时频交叠的复杂电磁环境可以增加电子侦察设备的信号测量误差,将复杂电磁环境看做扰动信号的情况下,干信比在6 dB以上时,射频隐身的抗截获效果明显。

2) 主动构造的时频交叠的复杂电磁环境会造成电子侦察设备的分选困难,可以通过连续波信号、参差PRI、随机PRI信号增加脉冲流时频交叠的概率,大幅度减低辐射源被截获概率。