廖輝榮1，李國林

(1.海軍航空工程學(xué)院 研究生管理大隊(duì),山東 煙臺 264001;2.海軍航空工程學(xué)院 戰(zhàn)略導(dǎo)彈工程系，山東 煙臺 264001)

1 引 言

縱觀世界最近幾次高技術(shù)局部戰(zhàn)爭，從科索沃戰(zhàn)爭到第二次伊拉克戰(zhàn)爭，都顯示機(jī)載作戰(zhàn)平臺已嚴(yán)重受到地空導(dǎo)彈的威脅，升級作戰(zhàn)飛機(jī)上的現(xiàn)有電子戰(zhàn)系統(tǒng)，提高飛機(jī)生存能力已經(jīng)成為共識。機(jī)載自衛(wèi)電子對抗系統(tǒng)主要由威脅告警、偵察監(jiān)視和電子干擾等設(shè)備組成，從戰(zhàn)術(shù)使用上大體可以分為4個層次：第一層即針對搜索截獲系統(tǒng)的對抗；第二層為針對跟蹤雷達(dá)的告警和對抗；第三層為針對制導(dǎo)系統(tǒng)的偵察和干擾；第四層為針對引信的偵察和對抗。其中針對引信的對抗由于難度極大，其發(fā)展尚處于薄弱狀態(tài)，實(shí)用裝備中基本上都是采用簡單的噪聲壓制干擾。

隨著引信信號形式及處理能力的發(fā)展，引信抗噪聲干擾的能力越來越強(qiáng)，在復(fù)雜電磁環(huán)境中采用簡單的阻塞式噪聲壓制或進(jìn)行簡單的測頻引導(dǎo)干擾，其效果已經(jīng)很有限。戰(zhàn)場電磁環(huán)境的復(fù)雜性特征主要表現(xiàn)在信號密集、樣式復(fù)雜、沖突激烈和動態(tài)交迭疊4個方面[1]，而其復(fù)雜程度可以根據(jù)信息裝備和武器裝備信息系統(tǒng)受其影響而喪失作戰(zhàn)效能的情況來劃分等級。

機(jī)載自衛(wèi)電子戰(zhàn)系統(tǒng)面臨的戰(zhàn)場環(huán)境中主要有自身機(jī)載平臺的雷達(dá)、通信數(shù)據(jù)鏈信號，來襲導(dǎo)彈的跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)信號及無線電引信信號，防空系統(tǒng)的搜索及跟蹤雷達(dá)信號，敵我識別器信號，敵方無線電通信信號，地面雜波及環(huán)境噪聲等各種信號，信號樣式繁雜,體制多樣。無線電引信抗干擾能力較強(qiáng)的信號就有噪聲引信、偽碼脈沖引信、調(diào)頻脈沖引信等多種信號波形。各種信號在空域、時域及頻域沖突交錯和動態(tài)交疊，嚴(yán)重制約著簡單干擾模式的干擾效果，因此，十分有必要研究在對引信進(jìn)行偵察的條件下進(jìn)行新體制干擾。

本文通過分析導(dǎo)彈無線電引信對抗的現(xiàn)狀，從效率評定準(zhǔn)則和功率評定準(zhǔn)則著手，建立了有偵察引導(dǎo)的對引信欺騙干擾的評估模型，來論證機(jī)載自衛(wèi)電子戰(zhàn)系統(tǒng)對導(dǎo)彈無線電引信信號偵察的必要性。

2 機(jī)載自衛(wèi)電子戰(zhàn)系統(tǒng)中的引信對抗

所謂的機(jī)載平臺自衛(wèi)電子戰(zhàn)系統(tǒng)本質(zhì)就是獲取威脅信息，啟動或調(diào)整相應(yīng)的對抗措施。例如，俄產(chǎn)新型L370光電干擾機(jī)用于保護(hù)戰(zhàn)斗和空降突擊直升機(jī)免遭來襲導(dǎo)彈系統(tǒng)以及戰(zhàn)斗機(jī)的攻擊。當(dāng)探測到威脅時，自動操作系統(tǒng)會通過多功能顯示器及音頻信號向機(jī)組人員發(fā)出告警，啟動對抗措施并給出機(jī)動提示。

目前，機(jī)載自衛(wèi)電子戰(zhàn)系統(tǒng)總體思想上是對預(yù)警雷達(dá)和引信系統(tǒng)實(shí)施了壓制性干擾，對導(dǎo)彈攻擊雷達(dá)實(shí)施欺騙性干擾的電子戰(zhàn)措施。例如，以色列的“飛行衛(wèi)士(Flight Guard)系統(tǒng)”、韓國的“ALQ-X電子干擾系統(tǒng)”等針對射頻引信的干擾方式都是采用噪聲壓制干擾。

噪聲干擾波形具有自身固有的缺陷性。比如噪聲質(zhì)量因子，它是指理想情況下干擾機(jī)噪聲應(yīng)當(dāng)盡可能接近高斯白噪聲(例如接收機(jī)噪聲)。對目前可知的在役或在研的干擾機(jī)的測量表明，與理想噪聲波形相比其噪聲質(zhì)量因子可引起大到17 dB的損失[2]。即便是對引信進(jìn)行噪聲干擾也需要對引信信號進(jìn)行偵察測頻，得到敵方射頻引信的頻率范圍，以便對噪聲干擾機(jī)進(jìn)行快速頻率引導(dǎo)，進(jìn)行瞄準(zhǔn)式噪聲壓制干擾，會比掃描式或阻塞式噪聲干擾更經(jīng)濟(jì)高效。

同時，引信抗干擾技術(shù)不斷發(fā)展，引信信號波形設(shè)計(jì)更加復(fù)雜先進(jìn)，簡單的噪聲干擾越來越失去對引信的作用效果。例如，采用擴(kuò)頻體制的偽碼脈沖引信能從較寬的接收帶寬相干解調(diào)到較窄的信號帶寬，從而得到很大的處理增益，取得對輸入噪聲很大的抗干擾能力。這就迫使對射頻引信采用轉(zhuǎn)發(fā)式或應(yīng)答式的欺騙干擾方式。欺騙式干擾需要得知更多的目標(biāo)信號的特征參數(shù)，對引信信號進(jìn)行偵察和識別就必不可少。

3 效率評定準(zhǔn)則下干擾性能對比分析

設(shè)對引信施加的干擾為ξ(t)，引信接收機(jī)輸入信號可表示為

xt=st;α+ξ(t)

(1)

式中，st;α為目標(biāo)反射信號。設(shè)β=(β1,β2,…,βk)∈B是表征目標(biāo)距離、速度、DOA等信息的參數(shù)矢量，B為引信作用區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的k維目標(biāo)參量空間，當(dāng)β∈B1?B時，無線電引信發(fā)出執(zhí)行指令，β=β0時是無線電引信發(fā)出執(zhí)行指令的最佳時刻；回波信號s(t,α)(0≤t≤T)可看作函數(shù)空間S中一個點(diǎn)，T為觀測時寬，α=(α1,α2,…,αl)∈A為表征回波信號幅度、頻率、相位、時延等參數(shù)的矢量，A為l維回波信號參數(shù)空間。無線電引信信號處理系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)輸入信號x(t)判定s(t;α)是否屬于啟動區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的回波信號。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)知識，可將判決歸結(jié)為二元假設(shè)檢驗(yàn)問題，即檢驗(yàn)如下兩個假設(shè)H0和H1哪個為真：

(2)

對應(yīng)的判決也有兩個：d0表示作出H0為真的判決，d1表示作出H1為真的判決。以Cij表示假設(shè)Hj為真時而判決為di時引入的損失或風(fēng)險，得到風(fēng)險矩陣為

(3)

如果先驗(yàn)概率P(H0)和P(H1)以及風(fēng)險矩陣已知，那么可以根據(jù)Bayes準(zhǔn)則得出判決規(guī)則為[3]

(4)

式(4)中的似然比Λ(x)定義為假設(shè)H0和H1分別成立時，觀測值x的條件概率之比。圖1給出了根據(jù)一次觀測值x(t)在假設(shè)H0和H1的條件下的條件概率密度函數(shù)的示意圖。根據(jù)式(4)和圖1解釋無線電引信發(fā)生“早炸”和“瞎火”為：“早炸”就是當(dāng)H0為真而判決為d1，即β?B1時就給出了啟動信號；當(dāng)H1為真而判決為d0時，即β∈B1卻沒有給出啟動信號，這時引信“瞎火”。

圖1 無線電引信早炸與瞎火的示意圖Fig.1 Illustration of wireless jamming effects

如果限于單次觀測，那么無線電引信可能發(fā)生兩種錯誤，即“早炸”與“瞎火”。實(shí)際上，無線電引信一旦進(jìn)入作用區(qū)域，就會對目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)觀測，并把處理后觀測結(jié)果持續(xù)與能量門限進(jìn)行比較，一旦超過門限就會引爆戰(zhàn)斗部。這個過程可以理解為：在彈目交會過程中，引信接收機(jī)先對[0,T]內(nèi)的觀測信號進(jìn)行處理判決，如果結(jié)果選擇H0，那么繼續(xù)對[dt,T+dt]內(nèi)的觀測信號進(jìn)行判決，dt在模擬接收機(jī)中代表電路的延遲時間，而在數(shù)字接收機(jī)中代表一個采樣間隔，如此不斷進(jìn)行處理和判決，一旦結(jié)果選擇H1，則引爆戰(zhàn)斗部。假設(shè)單次觀測的“早炸”與“瞎火”概率都為1%，那么可以算出460次獨(dú)立觀測的“早炸”概率為99%，而連續(xù)460次獨(dú)立觀測的“瞎火”概率幾乎為零。盡管在彈目交會的時間內(nèi)的獨(dú)立觀測次數(shù)不能達(dá)到這個數(shù)值，但它能說明：如果不存在閉鎖電路或者干擾造成引信電路硬殺傷的情況下，有源干擾很難造成無線電引信的瞎火，因此干擾無線電引信的主要目的是造成無線電引信的早炸。

目前裝備的電子戰(zhàn)武器對導(dǎo)彈引信系統(tǒng)的干擾主要采用壓制性干擾，引信系統(tǒng)因接收到大量的干擾信號而過早引爆戰(zhàn)斗部，使戰(zhàn)斗部殺傷效率下降。導(dǎo)彈殺傷效率的發(fā)揮，依賴于引信實(shí)際引爆區(qū)與戰(zhàn)斗有效啟爆區(qū)的一致程度，這就是引戰(zhàn)配合特性。

為了清楚地表示配合概率，我們假設(shè)機(jī)載平臺的中心或質(zhì)心為相對速度坐標(biāo)系原點(diǎn)，坐標(biāo)系如圖2所示。

圖2 彈目交會幾何關(guān)系圖Fig.2 Geometric map of missile-target encountering

圖2中ρ為脫靶量，ρmax為最大脫靶距離，φ為脫靶方位角。設(shè)啟動點(diǎn)為(z/ρ,φ)時，戰(zhàn)斗部的條件殺傷概率為pd(z/ρ,φ)；彈著點(diǎn)為(ρ,z)時，引信啟動點(diǎn)(炸點(diǎn))沿坐標(biāo)z軸分布的啟動概率密度函數(shù)為f(z/ρ,φ)；mz為沿Z軸的平均啟動位置，σz為啟動位置散布的均方根值，g(ρ,φ)為由導(dǎo)引誤差確定的，落點(diǎn)為(ρ,φ)時的概率密度函數(shù)，k為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的可靠性系數(shù)，則引戰(zhàn)配合概率函數(shù)為

(5)

而單發(fā)導(dǎo)彈毀傷概率表示為

(6)

從式(5)可看出，只有當(dāng)引信實(shí)際引爆區(qū)(啟動點(diǎn)概率密度函數(shù))落入戰(zhàn)斗部有效啟爆區(qū)(戰(zhàn)斗部條件殺傷概率)內(nèi)時，戰(zhàn)斗部動態(tài)殺傷區(qū)才會穿過目標(biāo)要害部位，殺傷概率增大，也就是引戰(zhàn)配合效率提高。

圖3表示的是在理想的引戰(zhàn)配合效率情況下，引信實(shí)際引爆區(qū)與戰(zhàn)斗部有效啟爆區(qū)的關(guān)系。圖4表示的是“早炸”情況下，引信實(shí)際引爆區(qū)與戰(zhàn)斗部有效啟爆區(qū)錯位的情況下，引戰(zhàn)配合效率形成情況。

圖3 理想的引戰(zhàn)配合效率示意圖Fig.3 Illustraion of idea fuze warhead coordination effectiveness

圖4 “早炸”情況下的引戰(zhàn)配合效率圖Fig.4 Illustration of fuze warhead coordination effectiveness under early burst condition

4 功率評定準(zhǔn)則下干擾性能對比分析

對引信的壓制干擾，無論是阻塞式干擾還是掃描干擾，要想達(dá)到干擾引信的目的(使其“早炸”)，必須有足夠的功率壓制引信的功率。

在引信具有抗干擾設(shè)計(jì)的情況下，干擾機(jī)為達(dá)到預(yù)期的干擾效果所需的最小干擾功率為[4]

(7)

式中，δr為引信接收機(jī)中采用干擾識別和抗干擾電路時其功率改善因子，Prs為引信正常啟動信號功率電平，Δfa為引信接收機(jī)帶寬，ΔFe為干擾機(jī)噪聲調(diào)頻等效頻偏，Gg(θ)為干擾機(jī)天線在引信方向上的增益，Gr(θj)為引信天線在干擾機(jī)方向上的增益，γg為極化失配系數(shù)。

如果干擾功率增大，就意味著干擾設(shè)備的體積、質(zhì)量增大，成本也增高，特別是機(jī)載自衛(wèi)電子對抗系統(tǒng)的體積和質(zhì)量都受到嚴(yán)重限制。

5 同等干擾功率下對引戰(zhàn)配合效率影響的對比仿真分析

由式(7)可知，在一定的干擾功率下，使引信啟爆的彈目距離可表示如下：

(8)

在此種干擾情況下，引信沿Z軸平均啟爆位置mz可從幾何關(guān)系上推導(dǎo)如下：

(9)

把式(8)代入式(9)，再把式(9)代入到式(5)中，并根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論中的中心極限定理，可以認(rèn)為啟動點(diǎn)分布密度函數(shù)為正態(tài)分布函數(shù)，因此可設(shè)：

(10)

同理可設(shè)：

(11)

這樣就得到下式：

(12)

其中：

(13)

噪聲壓制干擾與欺騙式干擾的影響區(qū)別主要在于對式(13)中參數(shù)ηδr的影響。在其它參數(shù)取典型值的情況下，ηδr取0～10 dB，進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖5所示。

圖5 引戰(zhàn)配合效率變化仿真圖Fig.5 Simulation result of the change of fuze warhead coordination effectiveness

從圖中可以看出，在其它參數(shù)取經(jīng)典值的情況下，當(dāng)ηδr降到4 dB以下時，引信的引戰(zhàn)配合效率會隨著急劇降低，而ηδr的下降與對引信信號偵察識別引導(dǎo)干擾機(jī)進(jìn)行對抗有直接關(guān)系。

6 欺騙式干擾中的信號偵察

欺騙式干擾波形能更有效地利用干擾能量來干擾引信系統(tǒng)，其主要優(yōu)點(diǎn)就是所有干擾功率均能被引信接收機(jī)所吸收，引信系統(tǒng)的抗干擾信號處理增益也可部分被抵消或全部被抵消[5]。例如轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾對脈沖多普勒引信極有效(與噪聲干擾相比)，因?yàn)檫@種引信采用相干積累技術(shù)，對噪聲干擾有很大的處理增益，可將噪聲干擾信號衰減20～60 dB，而類似回波信號的轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾信號則不會被衰減。

但轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾必須截獲并存儲引信信號波形的基本頻譜和時域特性[6]，這就需要自衛(wèi)電子戰(zhàn)系統(tǒng)在復(fù)雜電磁對抗環(huán)境中偵察截獲并識別引信信號，對信號進(jìn)行瞬時測頻。要實(shí)現(xiàn)對引信信號的識別就必須對信號的時域參數(shù)如脈沖寬度、脈沖重復(fù)頻率等進(jìn)行偵測。

應(yīng)答式欺騙干擾則是典型的先偵察后引導(dǎo)干擾的干擾方式，首先偵察接收機(jī)捕獲信號環(huán)境，然后分析環(huán)境以便分選出特定類型引信信號，再進(jìn)行參數(shù)識別并作出實(shí)施干擾的決定。把壓控振蕩器(VCO)或直接數(shù)字頻率合成器(DDS)調(diào)諧到引信信號頻率并進(jìn)行時域調(diào)制，在合適的時間將此干擾波形信號發(fā)射回去，使引信早炸或瞎火，降低引戰(zhàn)配合效率。

采用DDS技術(shù)可以精確產(chǎn)生偵察到的復(fù)雜引信脈內(nèi)波形，從而合成目標(biāo)引信信號波形，例如脈沖壓縮或編碼波形。這樣，干擾波形可以進(jìn)入引信接收機(jī)的匹配濾波網(wǎng)絡(luò)，從而抵消引信的處理增益。

7 結(jié) 論

從干擾對引信抗干擾功率改善因子及干擾頻譜系數(shù)的作用來計(jì)算分析干擾對引信引戰(zhàn)配合效率的影響，證明了具有偵察引導(dǎo)的欺騙式干擾比噪聲壓制干擾能更好地降低來襲導(dǎo)彈引戰(zhàn)配合效率，提高機(jī)載平臺的生存能力，降低對干擾機(jī)功率的要求。在電磁環(huán)境日趨復(fù)雜以及引信對抗面臨新的挑戰(zhàn)情況下，有偵察引導(dǎo)的欺騙式干擾將得到更充分的重視并發(fā)揮更大的價值。

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