王洪迅，王紅衛(wèi)，王星，王士巖

（1.西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，西安710072；2.空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，西安710038）

機載RWR／ESM信號感知通道中脈沖交疊分析?

王洪迅1，2，??，王紅衛(wèi)2，王星2，王士巖2

（1.西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，西安710072；2.空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，西安710038）

脈沖交疊是影響RWR／ESM系統(tǒng)效能的重要因素之一。針對典型四通道比幅測向體制的RWR／ESM系統(tǒng)中因分頻段、分象限形成的多通道信號感知結(jié)構(gòu)，采用仿真方式，對多輻射源信號進入RWR／ESM系統(tǒng)后的脈沖交疊情況進行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)RWR／ESM信道中脈沖交疊的規(guī)律：N（N≥2）脈沖交疊比N－1脈沖交疊基本上低一個數(shù)量級；且脈沖交疊對不同輻射源信號序列有不同影響，脈沖交疊同時使得后續(xù)的脈沖正確配對比率比較低。

雷達告警；電子支援；信號交疊；脈沖正確配對；信號感知

1 引言

當前的電子戰(zhàn)戰(zhàn)場環(huán)境下，各種雷達輻射源越來越多，信號密度越來越大。綜合文獻［1－5］可知，20世紀50年代的脈沖密度約0.1 Mpps（Million pulses per second），80年代在北約和華約對峙地區(qū)信號密度是0.3～0.5 Mpps，90年代雷達信號密度典型值約為0.5～2 Mpps，21世紀10年代則為1～

10 Mpps。文獻［3－6］總結(jié)指出脈沖密度約每10年提高一個數(shù)量級。隨著雷達信號密度的增大，電子偵察系統(tǒng)中信號交疊越來越嚴重。文獻［3－5］研究了高脈沖密度下脈沖交疊的一般性規(guī)律，但未區(qū)分脈沖交疊類型；文獻［7］給出RWR／ESM系統(tǒng)測量部件——瞬時測頻（IFM）在大于5 Mpps條件下面臨同時到達信號的概率：大于10%（2個）和2%（3個），但對于其他部件，更多脈沖交疊類型情況未做研究。

實際上脈沖交疊可分為二脈沖、三脈沖、四脈沖交疊，甚至更多類型，那么在特定環(huán)境下它們各有何種規(guī)律，未見有文獻涉及。通常RWR／ESM系統(tǒng)的信號處理流程可以分為3個典型環(huán)節(jié)：感知調(diào)理、采集分析、計算處理。信號交疊多發(fā)生在第一個環(huán)節(jié)，它對后續(xù)環(huán)節(jié)進行影響重大。且雖然不同的RWR／ESM系統(tǒng)后續(xù)兩個環(huán)節(jié)有所不同，但它們在第一個環(huán)節(jié)的架構(gòu)基本相似，故研究該環(huán)節(jié)中的信號交疊具有普遍意義。所以本文結(jié)合典型RWR／ESM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建典型信號環(huán)境，研究高脈沖密度對RWR／ESM系統(tǒng)信號感知通道的影響。

2 機載RWR／ESM系統(tǒng)概述

當前各種作戰(zhàn)飛機平臺基本都裝備各種RWR／ESM系統(tǒng)，雖然它們各具特點，但是由于設(shè)計目的基本相同，因此其系統(tǒng)架構(gòu)大同小異，信號處理環(huán)節(jié)基本相似。

2.1 RWR／ESM典型信號處理環(huán)節(jié)

從RWR／ESM相關(guān)設(shè)備對雷達信號的處理流程來看，可分為3個主要環(huán)節(jié)。

第一個環(huán)節(jié)是信號的感知調(diào)理，指的是信號被采集之前的處理過程，所涉及的主要部件是各種接收天線和前端接收機。天線用于感知三維空間的雷達信號，但其所接收的信號動態(tài)范圍很大，頻段很寬，不便于測量，故對信號進行調(diào)理（如分頻、濾波、檢波等）。需要說明的是，在本領(lǐng)域中通常不采用“感知、調(diào)理”的說法，而是籠統(tǒng)稱為“對信號的采集”；但從當前飛機航電系統(tǒng)整體來看，RWR／ESM只是其傳感器之一；而對于傳感器，這兩個詞可更為明確地概括該環(huán)節(jié)。

第二個環(huán)節(jié)是信號的參數(shù)測量。這個階段主要是對信號進行測頻（信號頻段、頻點，甚至頻譜）、測向（DOA），測量到達時間（TOA）、脈沖寬度（PW）、脈沖幅度（PA）。參數(shù)測量結(jié)果形成“全脈沖”——脈沖描述字（Pulse Description Word，PDW），更先進的系統(tǒng)還可測量脈沖的其他細微特征。應(yīng)用不同，參測參數(shù)和精度需求不同，對應(yīng)不同的技術(shù)實現(xiàn)方式。

第三個環(huán)節(jié)是對信號的計算處理。前述PDW信號流送到系統(tǒng)的“計算資源”，通常首先對PDW分選，然后估計識別。某些情況下則需采集整個脈沖參數(shù)，以期獲取信號細微特征。為了信號處理順利進行，計算資源需要提供足夠的硬件（如緩存容量、總線速度、CPU運算能力）和軟件資源。

2.2 RWR／ESM信號感知與調(diào)理特點

如上所述，從RWR／ESM系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)來看，雖然不同機載RWR／ESM系統(tǒng)部件、型號各不相同，但它們具有如下兩個特點。

（1）方位上多天線覆蓋。如圖1所示，多數(shù)RWR／ESM系統(tǒng)采用4天線比幅測向體制，有采用更多天線的，但較少見。該體制結(jié)構(gòu)簡單，所用部件少，成本較低。在有精確定位需求的情況下，一般采用干涉儀測向；但干涉儀測向設(shè)備復(fù)雜，系統(tǒng)部件多，占用空間大，需要引導(dǎo)。

圖1 四通道RWR／ESM空域覆蓋示意圖Fig.1 4-channel RWR／ESM cover in airspace

（2）每天線通道分為多頻段。首先，作戰(zhàn)應(yīng)用對RWR／ESM系統(tǒng)頻域覆蓋有特殊要求，頻率低端小于1 GHz，高端可超40 GHz，如此寬的頻率覆蓋下，若天線作為一個信號通道，將會面臨極大的脈沖交疊；其次，作為鑒別威脅的重要指標之一，獲取信號的頻段特征是必不可少的，也是快速可實現(xiàn)的（幾個濾波器即可）；其三，在當前甚至可以預(yù)見將來的技術(shù)條件下，雖然存在幾種精確測頻技術(shù)如瞬時測頻、窄帶超外差、數(shù)字式等可獲得信號載頻，但是這些接收機尚無法覆蓋這么寬的頻段，在應(yīng)用中都需要頻率引導(dǎo)；其四，由于系統(tǒng)成本、體積的限制，信號分路數(shù)一般不宜過多，過多系統(tǒng)過于復(fù)雜，實現(xiàn)不易。通常每天線按頻段進行信號分路，分路數(shù)一般為3～5個。

綜上所述，RWR／ESM系統(tǒng)的感知與適配資源的具體體現(xiàn)就是分象限、分頻段而形成了數(shù)量眾多的信號感知通道，且這些通道通常都是模擬的，一般不涉及數(shù)字電路。雖然某些RWR／ESM中后續(xù)兩個環(huán)節(jié)中存在更先進的參數(shù)測量、計算資源，但這些資源的有效利用是建立在對各個信號感知通道的有效利用并進行引導(dǎo)的基礎(chǔ)之上，故此研究RWR／ESM系統(tǒng)信號感知環(huán)節(jié)中的信號情況就十分必要。

3 脈沖交疊分析方法與流程

當前，對于信號感知通道的信號檢測一般采用如下方式：首先是檢波，然后對檢波信號過門限檢測，從而確定信號的有無。在該環(huán)節(jié)中，若信號交疊，當前的技術(shù)條件下，則交疊信號經(jīng)過檢波、過門限檢測后，一般將之當成一個脈沖進行處理。因此在該環(huán)節(jié)中需著重分析脈沖交疊影響。

對于脈沖交疊的分析一般有3種方法：一是理論分析，著重于分析脈沖交疊中的關(guān)鍵參數(shù)，用于事前系統(tǒng)性能估計［3－5］；二是實際測試，該方法需要大量測試設(shè)備，雖可得到一時一地的真實，但這種真實一般不具有普遍的指導(dǎo)意義，且耗費巨大；三是計算機仿真，通過構(gòu)建系統(tǒng)模型，設(shè)置典型參數(shù)，進行多次仿真，達到了解系統(tǒng)、找到規(guī)律的目的。本文著重于后者，故采用計算機仿真方法來分析。

3.1 仿真分析流程

系統(tǒng)仿真分析流程如圖2所示，可分為4個主要步驟：多輻射源信號序列生成、按通道進行信號序列歸并、通道信號去交疊、信號統(tǒng)計與輸出。

圖2 仿真示意圖Fig.2 Simulation flow

生成多輻射源信號序列是模擬當平臺面臨多個威脅的情況。仿真中主要關(guān)注輻射源3個方面的特性：一是輻射源信號特性，分別是信號的脈沖重復(fù)周期和脈寬；二是輻射源的掃描特性，包括輻射源主波瓣寬度、掃描方位區(qū)域范圍、掃描速度，以及脈沖幅度；三是其平臺相對于RWR／ESM的方位。

RWR／ESM系統(tǒng)多采用4天線信號接收，雖然后續(xù)信號處理流程中會分頻段，但是為了考察RWR／ESM系統(tǒng)的極限性能，仿真中假設(shè)這些威脅信號都進入了系統(tǒng)同一頻段所對應(yīng)的4個信號通道。雖然實際情況下許多輻射源信號進入RWR／ESM系統(tǒng)同一頻段的狀況很少發(fā)生，但是這并不意味著該狀況完全不存在。

當多個輻射源的信號進入同一頻段的4個天線通道中，在數(shù)GHz覆蓋帶寬內(nèi)，會發(fā)生大量的脈沖重疊。簡單脈沖重疊如圖3所示，分別來自兩個輻射源的脈沖i和j，由于器件惰性，脈沖有了上升沿和下降沿，第i個脈沖的到達和結(jié)束時間分別是ti－1和ti－2，第j個脈沖的則分別是tj－1和tj－2，若ti－1≤tj－1≤ti－2，那么兩個脈沖重合。但由于脈沖有邊沿，而且下降沿通常還要更平緩，這樣使得脈沖的起始和結(jié)束時間難以判別，且兩個脈沖的重合還與兩個信號電平有關(guān)。這意味著雖然進入接收機之前的兩個脈沖沒有重合，但是進入接收機后檢波輸出的脈沖仍然可能發(fā)生重合，如果存在一個判別兩個脈沖不重合的最小間隔時間，那么這個最小間隔時間將不是一個確定的值。

圖3 真實脈沖重疊示意圖Fig.3 Real pulses overlapping

為簡便起見，仿真采用圖4形式，從進入四通道雷達告警接收機的信號環(huán)境入手，來分析其四通道天線和前端接收機同一頻段的接收信號的情況。

圖4 仿真脈沖重疊示意圖Fig.4 Simulation pulses overlapping

3.2 典型仿真條件設(shè)置

假設(shè)空間有16部雷達輻射源，現(xiàn)仿真5 s內(nèi)RWR／ESM系統(tǒng)的信號接收通道的接收情況。仿真是信號級的，對所有脈沖都進行標記，通常一次仿真約5 h，因此是非實時仿真。需要說明的是，本仿真目的是在極限條件下考察RWR／ESM系統(tǒng)信號感知通道中脈沖交疊的影響。

輻射源方位特性如表1所示，它們分別從圖1所示的不同區(qū)域分別饋入四通道RWR／ESM接收機，¤表示輻射源信號進入對應(yīng)縱向表頭的信號通道，×表示對應(yīng)輻射源信號不進入對應(yīng)的信號通道。輻射源信號特性如表2所示。仿真中對各個輻射源的PRI和PW均加抖動噪聲，以仿真信號測量特性。

表1 輻射源假設(shè)方位特性Table 1 Scenario emitters azimuth

表2 輻射源信號假設(shè)主要特征Table 2 Scenario emitters signal main characters

通常雷達在跟蹤狀態(tài)下不掃描，在搜索狀態(tài)下掃描。在本仿真中假設(shè)輻射源1、2進行間斷跟蹤（用于描述如下過程：通常雷達跟蹤某一目標過程中，可能會由于雙方機動等原因?qū)е吕走_短暫丟失目標；但雷達多數(shù)有記憶功能，當其丟失目標后會很快回到記憶位置，重新建立跟蹤），其他輻射源則進行掃描。仿真中僅僅考慮了RWR／ESM對厘米波（2～18 GHz）的信號處理情況。

4 仿真結(jié)果統(tǒng)計

根據(jù)上述需求，采用蒙特卡羅仿真方法進行了大量仿真，從所得結(jié)果中發(fā)現(xiàn)一點規(guī)律，現(xiàn)就其中一次結(jié)果進行說明。

4.1 雷達掃描特性

輻射源掃描特性如表3所示，所得試驗數(shù)據(jù)主要受輻射源波瓣寬度和掃描范圍、掃描速度的影響。

表3 輻射源掃描特征Table 3 Scenario emitters scan characters

表3中，掃描概率為RWR／ESM接收脈沖數(shù)量與雷達輻射脈沖數(shù)量之比，它表示的是雷達照射到RWR／ESM系統(tǒng)的概率。在雷達搜索過程中，雷達處于掃描狀態(tài)，雖然其輻射了大量脈沖，但是對于RWR／ESM系統(tǒng)而言，只有雷達主波束照射到其天線的情況下，才能接收到這些信號，因此這種情況下，雷達的掃描概率是比較低的，這里假設(shè)各個輻射源均為之字形掃描。而雷達跟蹤過程中，雷達主波束一般情況下多直接照射目標；但實際上會有如前所述的間斷跟蹤特性，從而導(dǎo)致雷達掃描概率降低。

4.2 多脈沖交疊統(tǒng)計

以進入RWR／ESM系統(tǒng)各個通道的脈沖總數(shù)量作為參照，本次仿真中，脈沖重疊情況如表4所示。

其中第一項指標——實際脈沖比率，表示該通道實際接收到的脈沖數(shù)量與進入該通道所有脈沖數(shù)量的比值。當發(fā)生圖4所示的脈沖重疊情況時，通常RWR／ESM系統(tǒng)將之識別為一個脈沖信號，從而導(dǎo)致該通道所接收的信號數(shù)量減少。

表4 RWR／ESM脈沖信號接收與重合情況Table 4 RWR／ESM signals receiving＆overlapping

第二項指標——重合脈沖比率，表示該通道所有重合脈沖的數(shù)量與進入該通道所有脈沖數(shù)量的比值。實際上，第一項指標中包含了重疊脈沖，這是因為在仿真中，當脈沖交疊時，這兩個脈沖被視為一個實際的接收脈沖，即對應(yīng)通道接收了一個交疊脈沖（對應(yīng)第一項指標）；另外一個脈沖則貌似“消失了”，這個脈沖被記為重合脈沖（對應(yīng)第二項指標）。

第三項指標——非重合脈沖比率，表示該通道內(nèi)未重合的脈沖數(shù)量與進入該通道所有脈沖數(shù)量的比值。注意這里的分母，這項指標與后面描述的指標有所不同。

后續(xù)各項指標表示了脈沖交疊情況。其中2脈沖重合比率表示兩個脈沖重疊數(shù)量與進入該通道所有脈沖數(shù)量的比值；3脈沖重合比率表示3個脈沖重疊數(shù)量與進入該通道所有脈沖數(shù)量的比值；以此類推。

4.3 未受污染信號統(tǒng)計

所謂“未受污染”指的是對某一輻射源信號而言，沒有任何其他輻射源的信號與之發(fā)生任何交疊。表5給出了每一通道內(nèi)“未受污染”的輻射源信號所占比例。這里比率的分母是以每一輻射源進入系統(tǒng)的信號數(shù)量為基準的。

表5 未受污染輻射源信號比例Table 5 Ratios of un-overlapping signals

4.4 輻射源可匹配信號比例

所謂“可匹配”，指的是未受污染信號中，與其他通道信號可以配對進行比幅測向的信號。統(tǒng)計結(jié)果如表6所示。，其中匹配比例表示對應(yīng)輻射源的可匹配信號數(shù)量與進入RWR系統(tǒng)的該輻射源脈沖數(shù)量的百分比；后續(xù)各個通道表示匹配信號數(shù)量相對于對應(yīng)通道中各輻射源“未受污染”信號數(shù)量的百分比。如輻射源1的信號分別進入了通道1和通道4，由于這個信號序列在不同的通道中與進入該通道其余輻射源的信號有交疊，進入這兩個通道輻射源信號有所不同，因此交疊情況也不同。

表6 輻射源可匹配信號比例相對比值Table 6 Ratios of right matching pulse signals

4.5 各種脈沖密度統(tǒng)計

表7是題設(shè)條件下各種脈沖密度的統(tǒng)計，其中第一項為所有輻射源所產(chǎn)生的脈沖密度；第二項為RWR／ESM系統(tǒng)周邊的環(huán)境脈沖密度；第三到六項為RWR／ESM系統(tǒng)各個信號通道的信號密度；第七項為所有信號通道的信號和密度，最后一項是RWR所能輸出的、仿真條件下沒有脈沖交疊、可匹配輸出的信號密度。

表7 各種脈沖密度統(tǒng)計Table 7 Statistics of pulse-densities

5 仿真分析結(jié)論

根據(jù)多次仿真結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

（1）多脈沖交疊存在一定的規(guī)律性。從數(shù)量上進行區(qū)分，可分為2脈沖交疊、3脈沖交疊、4脈沖交疊等，以此類推。多脈沖交疊的規(guī)律是：N＋1脈沖交疊比N（N≥2）脈沖交疊基本少一個數(shù)量級，如3脈沖交疊比2脈沖交疊基本低一個數(shù)量級；4脈沖交疊又比3脈沖交疊基本低一個數(shù)量級；

（2）若脈沖交疊概率為P，則RWR／ESM系統(tǒng)能檢測的脈沖概率為1－P，完全不交疊脈沖的概率約為1－2P。脈沖交疊概率的概念容易混淆，即如何計算脈沖重疊的數(shù)量，一種是以進入RWR／ESM系統(tǒng)的脈沖總數(shù)量作為基準，一種是從RWR／ESM系統(tǒng)檢波輸出的脈沖數(shù)量作為基準；顯然基準不同，所得結(jié)果不同，本仿真中采用前者；

（3）由于脈沖交疊的影響，若直接采用相鄰RWR／ESM系統(tǒng)信號感知通道進行比幅測向，得到正確結(jié)果的比率存在上限。如題設(shè)條件下RWR／ESM系統(tǒng)可匹配信號，相對于進入系統(tǒng)的所有脈沖，其百分比約為75.4%。

6 結(jié)束語

本文對RWR／ESM系統(tǒng)中信號感知通道的脈沖交疊進行了仿真研究，由于仿真是信號級的，對所有脈沖都進行標記，仿真時間較長，因此仿真忽略了某些因素的影響，在大量仿真的基礎(chǔ)上，依然發(fā)現(xiàn)了該情況下脈沖交疊的規(guī)律。雖然是采用仿真的方式進行的，但是該結(jié)果對RWR／ESM在不同環(huán)境和工作模式下系統(tǒng)效能的評估有一定的意義。如對于多脈沖交疊結(jié)論表明：即使在比較嚴苛的條件下，2脈沖交疊是脈沖交疊的主要方式；而可匹配脈沖比率則表明在該條件下的結(jié)果正確概率。

［1］王星.航空電子對抗原理［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008. WANG Xing.Airborne Electronic Countermeasure Theory［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2008.（in Chinese）

［2］趙國慶.雷達對抗原理［M］.2版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012. ZHAO Guo-qing.Prenciples of Radar Countermeasures［M］. 2 nd ed.Xi′an：Xidian University Press，2012.（in Chinese）

［3］祝正威.脈沖丟失概率的計算方法［J］.電子對抗技術(shù)，1990（6）：21－26. ZHU Zheng-wei.The Way to Calculate Overlapping Pulses Probability.［J］.Electronic Warfare Technology，1990（6）：21－26.（in Chinese）

［4］胡來招，范志鵬.多信號環(huán)境下脈沖交疊概率研究［J］.電子對抗，2002（4）：10－13. HU Lai-zhao，F(xiàn)AN Zhi-peng，Research For Overlapping Pulses In Multi-signal Environment［J］.Electronic Warfare，2002（4）：10－13.（in Chinese）

［5］國強.雷達信號分選理論研究［M］.北京：科學(xué)出版社，2010. GUO Qiang.Radar Signal Sorting Theory Research［M］.Beijing：Science Press，2010.（in Chinese）

［6］張永順，童寧寧，趙國慶.雷達電子戰(zhàn)原理［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006. ZHANG Yong-shun，TONG Ning-ning，ZHAO Guo-qing. Principle of Radar Electronic Warfare［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2006.（in Chinese）

［7］殷兆偉，曹祥玉.一種研究IFM接收機測量同時到達信號能力的新方法［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)，2005，25（4）：767－768. YIN Zhao-wei，CAO Xiang-yu.A Novel Method for Studying the IFM Receiver′s Ability of Measuring Simultaneous Signals［J］.Journal of Projectiles Rockets Missiles and Guidance，2005，25（4）：767－768.（in Chinese）

WANG Hong-xun was born in Wuqiao，Hebei Province，in 1977.He received the Ph.D.degree in 2006.He is now a lecturer.His research concerns electronic information system.

Email：whxwhxwhx＠126.com

王紅衛(wèi)（1974—），男，河南平頂山人，碩士，副教授，主要研究方向為電子對抗；

WANG Hong-wei was born in Pingdingshan，Henan Province，in 1974.He is now an associate professor with the M.S.degree.His esearch concerns electronic warfare.

王星（1965—），男，遼寧大連人，教授，主要研究方向為電子對抗理論與技術(shù)；

WANG Xing was born in Dalian，Liaoning Province，in 1965. He is now a professor.His research concerns theory and technology of electronic warfare.

王士巖（1984—），男，遼寧遼陽人，2007年獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向為電子對抗理論與技術(shù)。

W ANG Shi-yan was born in Liaoyang，Liaoning Province，in 1984. He received the B.S.degree in 2007.He is now a graduate student. His research concerns theory and technology of electronic warfare.

Analysis on Pulses Overlapping of RWR／ESM′s Signal Sensor Channels

WANG Hong-xun1，2，WANG Hong-wei2，WANG Xing2，WANG Shi-yan2
（1.Automation School，Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710072，China；2.School of Aeronautics and Astronautics Engineering，Air Force Engineering University，Xi′an 710038，China）

Pulses overlapping is one of key factors that affect RWR／ESM system.The multi-sensor channels′characteristic of a typical 4-channel-Amplitude-Comparing DF（Direction Finding）RWR／ESM system is studied in circumstance of multi-radiant objects by simulation and statistics.A law of pulses overlapping in RWR／ESM′s multi-sensor channels is found：the ratio of N＋1（N≥2）pulses overlapping is lower in quantitatively level than that of N pulses overlapping；pulses overlapping effects for different pulse streams are different，

and make the ratio of pulses right matching smaller.

RWR；ESM；pulse overlapping；pulse right matching；signal sensor

The National High-tech R＆D Program（863 Program）of China（2010AA80910514C）

date：2013－03－04；Revised date：2013－07－02

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目（2010AA80910514C）

??通訊作者：whxwhxwhx＠126.comCorresponding author：whxwhxwhx＠126.com

TN972

A

1001－893X（2013）09－1142－06

王洪迅（1977—），男，河北吳橋人，2006年獲通信與信息系統(tǒng)專業(yè)博士學(xué)位，現(xiàn)為講師、西北工業(yè)大學(xué)博士后，主要研究方向為電子信息系統(tǒng)；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.09.005

2013－03－04；

2013－07－02