四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司 孟小粟

一、引言

隨著世界新軍事革命深入發(fā)展，武器裝備遠(yuǎn)程精確化、智能化、隱身化、無人化趨勢(shì)明顯。在未來開放對(duì)抗的戰(zhàn)場(chǎng)中，機(jī)載有源輻射傳感器應(yīng)用的電磁環(huán)境具有輻射源多、目標(biāo)分布密度大、分布范圍寬、信號(hào)交疊嚴(yán)重等特點(diǎn)，且艦載、空中、岸基的先進(jìn)無源探測(cè)系統(tǒng)接收的覆蓋范圍、靈敏度、情報(bào)共享能力逐步提高，對(duì)機(jī)載設(shè)備的作戰(zhàn)能力和生存能力形成嚴(yán)重威脅。因此，機(jī)載設(shè)備的射頻隱身設(shè)計(jì)需求越來越迫切。

射頻隱身設(shè)計(jì)應(yīng)包括無源目標(biāo)特征縮減和有源目標(biāo)特征縮減兩大部分，相應(yīng)的技術(shù)分別為低可探測(cè)性（LO）技術(shù)和低截獲概率技術(shù)（LPI）。①低可探測(cè)性（LO），就射頻隱身而言，低可探測(cè)性首先考慮的天線設(shè)計(jì)，即是與機(jī)體共形設(shè)計(jì)，并具有寬帶隱身特性。②低截獲概率技術(shù)（LPI），即是主動(dòng)減少機(jī)載平臺(tái)電子裝備的輻射能量、時(shí)間、覆蓋、頻率等多方面特征，降低敵方先進(jìn)無源探測(cè)系統(tǒng)的截獲性的技術(shù)。

本文主要研究如何保證平臺(tái)輻射信號(hào)的低截獲性（LPI）。要獲得盡可能低的LPI，一是從能量域、空域或時(shí)域直接減少輻射源的發(fā)射功率以降低信號(hào)被能量檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的概率或距離，二是通過豐富輻射源信號(hào)的信息量（頻域、時(shí)域、脈內(nèi)、處理等）的手段來增大輻射信號(hào)的不確定性，從而提升電子偵察截獲、分選、識(shí)別、定位信號(hào)的難度。

目前國內(nèi)的研究主要借鑒了電子反對(duì)抗的部分技術(shù)以及美軍射頻隱身控制技術(shù)，在天線和波形設(shè)計(jì)方面，采用空域、頻域、時(shí)域的技術(shù)手段，降低輻射源信號(hào)被ESM、RWR和ELINT截獲的概率，從而應(yīng)對(duì)電子情報(bào)搜集、電子干擾以及反輻射導(dǎo)彈攻擊。

二、研究?jī)?nèi)容

射頻隱身控制技術(shù)是在保持武器平臺(tái)射頻有源傳感器任務(wù)性能的前提條件下，減縮、控制其工作時(shí)輻射信號(hào)的射頻特征，實(shí)現(xiàn)其射頻輻射信號(hào)的低截獲性或不確定性，以降低無源偵察設(shè)備對(duì)其截獲、分選、識(shí)別和定位的能力。

根據(jù)對(duì)典型機(jī)載射頻傳感器輻射方式，以及不同輻射特征對(duì)射頻無源偵察系統(tǒng)的影響分析，下面將從能量域、空域、時(shí)域、頻域、波形設(shè)計(jì)和天線極化六個(gè)方面，探討縮減或控制機(jī)載有源傳感器對(duì)外輻射信號(hào)射頻特征的技術(shù)方法。

（1）能量域——減少對(duì)外輻射功率

從能量域來說，主要考慮如何在保證有源傳感器功能性能的前提下，減少其向外輻射的功率，包括實(shí)現(xiàn)輻射功率最小化的方法和控制的策略。

最小化輻射功率的研究方法：研究控制有源傳感器輻射功率，使其處于功能實(shí)現(xiàn)所需最小能量狀態(tài)的方法。從分析影響傳感器輻射功率的因素（如距離、飛機(jī)姿態(tài)、工作模式等）出發(fā)，研究有源傳感器輻射功率控制的范圍、步進(jìn)、誤差以及實(shí)現(xiàn)方式等內(nèi)容。

輻射功率控制策略：從系統(tǒng)控制策略上研究功率控制的實(shí)現(xiàn)原理，分為基于相對(duì)位置的策略、基于信號(hào)能量的策略以及基于位置-能量的聯(lián)合策略。基于相對(duì)位置的策略是指根據(jù)先驗(yàn)信息或通過傳感器探測(cè)獲得平臺(tái)與目標(biāo)的相對(duì)位置和距離，再根據(jù)傳感器自身天線反饋參數(shù)控制輻射功率使其與距離相匹配；基于信號(hào)能量的策略是指不依賴位置信息，僅依靠接收到的信號(hào)強(qiáng)度，通過控制輻射功率，使其接收信號(hào)能量剛能滿足功能要求；位置-能量聯(lián)合策略是以上兩種策略的綜合。策略的制定受位置信息的獲取方式、自適應(yīng)控制收斂條件、協(xié)同系統(tǒng)內(nèi)收發(fā)鏈路一致性誤差、非協(xié)同系統(tǒng)處理算法估計(jì)誤差等影響。

（2）空域——縮減信號(hào)在空域中覆蓋范圍

從空域來說，主要研究縮減有源傳感器向外輻射信號(hào)的覆蓋范圍的方法。減少輻射信號(hào)空域覆蓋從根本上來說控制信號(hào)輻射方向，使其僅覆蓋目標(biāo)所在空間?？紤]到各有源設(shè)備的工作體制和基于平臺(tái)的工程實(shí)現(xiàn)，對(duì)天線陣來說，即是盡可能的壓窄主瓣波束寬度和降低副瓣電平，或在特定方向上實(shí)現(xiàn)波束零陷；對(duì)單獨(dú)振子的天線來說，即是采用空間分集、定向輻射的技術(shù)，縮減信號(hào)在非必要方向上的輻射。

（3）時(shí)域——縮減輻射時(shí)間或控制輻射時(shí)機(jī)

從時(shí)域來說，在輻射功率一定的情況下，輻射時(shí)間決定了輻射能量的大小，合理地管理輻射時(shí)間也是提高射頻隱身性能的有效途徑，無源的接收機(jī)總需要一定的處理時(shí)間才能完成未知信號(hào)的積分，從而提取信號(hào)特征用以完成分類和識(shí)別，而輻射源一方面可以減少發(fā)射時(shí)間，讓無源接收機(jī)沒有足夠的時(shí)間完成積累，另一方面可以無序、隨機(jī)的觸發(fā)輻射，在時(shí)域上躲避無源接收的時(shí)間窗口，增大其根據(jù)時(shí)域規(guī)律捕獲、分類信號(hào)的難度或成本。

（4）頻域——縮減和控制頻譜特征

頻率控制策略的研究?jī)?nèi)容就是通過選取合適的工作頻率和帶寬降低敵方無源探測(cè)器截獲概率。雖然意料之外的頻段內(nèi)發(fā)射信號(hào)可能出奇制勝，但是必須假定敵方具備通過偵查和利用已獲得的有用資源來發(fā)現(xiàn)這個(gè)頻率的能力。從LPI的角度出發(fā)，頻譜控制最優(yōu)的策略就是發(fā)射信號(hào)能夠占據(jù)任務(wù)期間全部的工作頻段，使每個(gè)單位時(shí)間和單位頻率被探測(cè)到得峰值功率最低，以防止敵方無源探測(cè)器的對(duì)頻率的長(zhǎng)期積分，從而截取信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。換言之，隱身系統(tǒng)不允許對(duì)頻率的長(zhǎng)期積分，必須迫使敵方無源探測(cè)器去偵查產(chǎn)生最高虛警率和最低探測(cè)率的最大的頻率范圍。

最優(yōu)頻率控制策略的準(zhǔn)則是覆蓋所有工作頻率波段，但實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)并不能總與有源探測(cè)設(shè)備的最佳性能相匹配。從考慮得到大帶寬的同時(shí)使硬件復(fù)雜度最小條件出發(fā)，常用的頻率控制策略有頻率分集技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)。頻率分集技術(shù)：就是在多于一個(gè)的載頻上發(fā)射信號(hào)，這樣處理相當(dāng)于擴(kuò)展了信號(hào)的發(fā)射帶寬，增加了傳輸信號(hào)頻率的復(fù)雜度特征，從而減小了敵方無源探測(cè)器對(duì)信號(hào)頻率的積分，降低了截獲概率。常用于射頻隱身的頻率分集技術(shù)包括跳頻技術(shù)、層疊頻率發(fā)射、同步發(fā)射與接收、層疊發(fā)射和同步發(fā)射與接收的組合。

擴(kuò)頻技術(shù)：是使用的傳輸帶寬比要求的最小信號(hào)帶寬大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。擴(kuò)頻信號(hào)的設(shè)計(jì)包括編碼和偽隨機(jī)兩個(gè)要素，編碼可以增加信號(hào)冗余度，減小信息密度；而偽隨機(jī)序列擴(kuò)頻使發(fā)射信號(hào)看上去很像噪聲，使得指定接收機(jī)之外的其他接收機(jī)很難解調(diào)。解調(diào)難度的增加和發(fā)射信號(hào)峰值功率的降低，使得敵方無源探測(cè)器難于從背景噪聲中對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、分類、識(shí)別和定位。常用的擴(kuò)頻技術(shù)有直接序列擴(kuò)頻（DSSS）、跳頻擴(kuò)頻技術(shù)等。

（5）波形域——LPI波形設(shè)計(jì)

LPI波形設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是通過擴(kuò)展發(fā)射信號(hào)的波形特征集從而降低被敵方無源探測(cè)器探測(cè)的概率。脈沖壓縮是低截獲概率信號(hào)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，其發(fā)射信號(hào)是采用編碼形式的寬脈沖信號(hào)，接收和處理可輸出窄脈沖。脈沖壓縮波形采用頻率調(diào)制和相位調(diào)制的混合波形設(shè)計(jì)信號(hào)，把頻率調(diào)制技術(shù)和相位編碼技術(shù)組合在一起。保留了頻率調(diào)制技術(shù)和相位編碼技術(shù)的特點(diǎn)，可以在獲得大的時(shí)寬帶寬積和處理增益的同時(shí)，增加發(fā)射信號(hào)的復(fù)雜度，降低了被敵方截獲的概率。滿足LPI波形的設(shè)計(jì)中選擇大的帶寬滿足距離分辨率的首要需要，并通過編碼的混合調(diào)制方式獲得了所需的模糊函數(shù)特性。

（6）極化域——變極化處理

空間中的電磁波可由幅度、相位、頻率以及極化等參數(shù)作完整的表達(dá)，極化主要表現(xiàn)電磁波的矢量傳播特性。極化特征是指天線在其最大輻射方向上，電場(chǎng)矢量的取向隨時(shí)間變化的規(guī)律，根據(jù)該軌跡分為線極化波、圓極化波、橢圓極化波等。在通信中，發(fā)射端的極化與接收端極化需要盡量保持一致，這樣電磁波由于極化損失的能量才最低，才能保證通信距離最遠(yuǎn)，若發(fā)射端與接收端極化不匹配，例如發(fā)射端為垂直極化波，而接收端為水平極化波，會(huì)造成電磁波較大的極化損失。該技術(shù)可應(yīng)用到射頻隱身技術(shù)上，對(duì)已知的敵無源偵察設(shè)備的極化方式，采用最大極化損失的方式避免敵方截獲。

目前對(duì)于極化的研究主要呈現(xiàn)以下幾個(gè)方向，極化特性研究、極化測(cè)量的研究、極化濾波、虛擬極化的等多個(gè)方面。

三、采用的技術(shù)途徑

基于上文分析，從傳感器射頻隱身的影響因素入手，擬采用熵函數(shù)對(duì)輻射特征六域的進(jìn)行表征。由于不同傳感器在頻域、波形、極化、空域的控制方法不同，而時(shí)域和能量域?qū)儆谏漕l隱身控制的通用技術(shù)，下面從通用技術(shù)手段（功率、時(shí)間）的約束條件進(jìn)行分析。

1.輻射功率控制（能量域）

機(jī)載有源傳感器功率控制方法的約束條件有隱身性能、能量影響因素、控制范圍、步進(jìn)、誤差、實(shí)現(xiàn)方式等。從分析影響傳感器輻射功率的因素（如距離、飛機(jī)姿態(tài)、工作模式等）的出發(fā)，優(yōu)化功率控制的范圍、步進(jìn)、誤差以及實(shí)現(xiàn)方式。

（1）能量影響因素

①對(duì)輻射功率影響最大的因素是距離，距離影響主要是分析空間衰減值；②飛機(jī)姿態(tài)對(duì)輻射功率的影響主要表現(xiàn)在飛機(jī)大動(dòng)作在非必要方向上的能量泄漏，以及天線增益的變化；③大部分傳感器的發(fā)射功率會(huì)隨工作模式變化而變化，需考慮不同工作方式對(duì)功率管理影響。

（2）輻射功率控制范圍

空間路徑衰減與距離是對(duì)數(shù)關(guān)系衰減，針對(duì)不同的傳感器系統(tǒng)，不管是協(xié)同系統(tǒng)還是非協(xié)同系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行功率控制時(shí)，必然存在一個(gè)不再需要進(jìn)行控制的距離，即輻射功率控制范圍。

（3）輻射功率控制步長(zhǎng)及誤差

輻射功率控制步長(zhǎng)主要受到目標(biāo)距離的影響，我們希望輻射功率控制后，所輻射的信號(hào)在到達(dá)目標(biāo)或經(jīng)目標(biāo)反射回傳感器，能恰好滿足系統(tǒng)工作的接收靈敏度要求。分析不同步長(zhǎng)的輻射距離變化情況，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)目標(biāo)處于遠(yuǎn)距離時(shí)，若采用較大的步長(zhǎng)則輻射距離變化太大，不符合恰好覆蓋目標(biāo)的需求，此時(shí)應(yīng)采用較小的步長(zhǎng)；當(dāng)目標(biāo)處于近距離時(shí)，若采用較小的步長(zhǎng)則輻射距離變化太小，不能快速的控制到合適的檔位，此時(shí)應(yīng)采用較大的步長(zhǎng)。因此，需根據(jù)目標(biāo)所在距離，設(shè)計(jì)得到一個(gè)能夠動(dòng)態(tài)控制的控制步長(zhǎng)，既不使功率控制時(shí)輻射距離變化太大，又能夠快速達(dá)到合適檔位。

在實(shí)際工程中，控制步長(zhǎng)及誤差值的設(shè)計(jì)主要根據(jù)功放器件能夠達(dá)到的步長(zhǎng)及誤差決定，同時(shí)需要考慮輸出功率達(dá)到穩(wěn)定收斂狀態(tài)所需的時(shí)間。控制方法及器件的不同，造成的步長(zhǎng)及誤差不同。

（4）輻射功率控制方法

針對(duì)有源輻射傳感器對(duì)發(fā)射機(jī)輸出功率管理的需求，在線監(jiān)測(cè)輸出信號(hào)的波形和幅度，自適應(yīng)調(diào)整功放的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻脈沖信號(hào)功率和波形的自適應(yīng)控制，減小高低溫工作環(huán)境和寬帶工作引起的輸出波形和輸出功率變化，提高功率程控的精度，提高功放效率和線性度。可以利用連續(xù)反饋方式（自動(dòng)幅度控制技術(shù)）、程控衰減器、放大器柵壓等方式來實(shí)現(xiàn)輻射功率控制。

（5）功率控制策略

功率控制策略分為基于相對(duì)位置的策略、基于信號(hào)能量的策略以及基于位置-能量的聯(lián)合策略?；谙鄬?duì)位置的策略是指根據(jù)先驗(yàn)信息或通過傳感器探測(cè)獲得平臺(tái)與目標(biāo)的相對(duì)位置和距離，再根據(jù)傳感器自身天饋參數(shù)控制輻射功率使其與距離相匹配；基于信號(hào)能量的策略是指不依賴位置信息，僅依靠接收到的信號(hào)強(qiáng)度，通過控制輻射功率，使其接收信號(hào)能量剛能滿足功能要求；位置-能量聯(lián)合策略是以上兩種策略的綜合。策略的制定受位置信息的獲取方式、自適應(yīng)控制收斂條件、協(xié)同系統(tǒng)內(nèi)收發(fā)鏈路一致性誤差、非協(xié)同系統(tǒng)處理算法估計(jì)誤差等約束。

（6）輻射時(shí)間控制（時(shí)域）

對(duì)機(jī)載有源傳感器進(jìn)行輻射時(shí)間進(jìn)行控制和管理，在保證功能及性能的前提下對(duì)傳感器的工作方式、工作模式、有效參數(shù)進(jìn)行輻射最小時(shí)間控制策略和輻射最佳時(shí)機(jī)控制策略。

（7）輻射最小時(shí)間控制策略

從優(yōu)化輻射模式、組合、處理算法的角度，提高傳感器性能指標(biāo)，為輻射次數(shù)的減少提供前提，在保證傳感器功能性能的前提下，盡可能的減少向外發(fā)射信號(hào)的次數(shù)。

（8）輻射最佳時(shí)機(jī)控制策略

根據(jù)目標(biāo)狀態(tài)、載機(jī)姿態(tài)等因素綜合設(shè)計(jì)任務(wù)的發(fā)射觸發(fā)時(shí)機(jī)，減少因非系統(tǒng)因素影響而造成的無效輻射；同時(shí)對(duì)輻射信號(hào)的觸發(fā)時(shí)序開展仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)，通過無序、隨機(jī)的觸發(fā)方式增大信號(hào)序列墑。

四、結(jié)束語

本文討論的機(jī)載有源輻射傳感器的射頻隱身控制技術(shù)研究，覆蓋能、時(shí)、頻、空、波形、極化等多個(gè)領(lǐng)域，從理論分析角度介紹了多領(lǐng)域縮減或控制對(duì)外輻射信號(hào)射頻特征的研究方向和技術(shù)方法。進(jìn)一步介紹了輻射源的發(fā)射功率管理、輻射時(shí)間管理、抗截獲波形設(shè)計(jì)等的設(shè)計(jì)思路，為射頻隱身控制技術(shù)的研究提供了參考。