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        基于模式識別的自適應(yīng)有源干擾策略研究

        2018-10-23 05:37:24崔積豐胡富增
        艦船電子工程 2018年10期
        關(guān)鍵詞:電子戰(zhàn)樣式干擾信號

        崔積豐 胡富增

        (解放軍91404部隊(duì) 秦皇島 066001)

        1 引言

        隨著信息化水平和電子技術(shù)的不斷進(jìn)步,戰(zhàn)場電磁環(huán)境日益復(fù)雜,傳統(tǒng)雷達(dá)對抗裝備作戰(zhàn)效能面臨許多問題,尤其是雷達(dá)快速發(fā)展的抗干擾能力使電子戰(zhàn)裝備干擾效果無法達(dá)成、作戰(zhàn)對象不斷提升的智能化水平對雷達(dá)對抗裝備智能化提出更高要求等[1],雷達(dá)對抗裝備面臨發(fā)展瓶頸迫切需要變革,認(rèn)知電子戰(zhàn)是目前提升雷達(dá)對抗裝備作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵技術(shù)[2]。本文從認(rèn)知電子戰(zhàn)出發(fā),以雷達(dá)模式識別為基礎(chǔ)設(shè)計了一種自適應(yīng)有源干擾策略,通過實(shí)時更新被干擾對象工作狀態(tài)自適應(yīng)切換有源干擾樣式,以達(dá)到更好的干擾效果。

        2 認(rèn)知電子戰(zhàn)概念及現(xiàn)狀

        2.1 認(rèn)知電子戰(zhàn)概念

        認(rèn)知電子戰(zhàn)是為了應(yīng)對戰(zhàn)場電磁環(huán)境日益復(fù)雜、新波形的不斷出現(xiàn)及作戰(zhàn)目標(biāo)的智能發(fā)展而產(chǎn)生的電子戰(zhàn)新思想和新方式[3]。認(rèn)知電子戰(zhàn)要具備惡劣作戰(zhàn)環(huán)境下在任意空間和任意時間可自主預(yù)測、發(fā)現(xiàn)、識別和對抗任意威脅,因此具備作戰(zhàn)環(huán)境的實(shí)時學(xué)習(xí)和感知、干擾樣式的智能選擇和干擾效果實(shí)時評估等能力,是一個智能的、自適應(yīng)的人機(jī)交互動態(tài)閉環(huán)系統(tǒng)。其組成框圖如圖1所示。

        圖1 認(rèn)知電子戰(zhàn)系統(tǒng)組成框圖

        2.2 認(rèn)知電子戰(zhàn)關(guān)鍵技術(shù)

        2.2.1 認(rèn)知情報偵察

        認(rèn)知情報偵察技術(shù)主要分為兩類,第一類是頻譜感知和自主頻譜學(xué)習(xí),用于戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境與雜波感知、場景感知與目標(biāo)建模以及信號偵察與識別;第二類是自適應(yīng)輻射源分選,用于對大量的分布于頻域、時域、空間域及能量域輻射源到達(dá)信號進(jìn)行智能分類,增加脈沖間的相關(guān)性,利用自適應(yīng)快速聚類分析確定信號的類型和參數(shù)動態(tài)變化信息。

        2.2.2 認(rèn)知建模

        認(rèn)知建模技術(shù)主要分為兩類,第一類是自主推理與輔助決策,通過智能算法的協(xié)作自主完成認(rèn)知電子戰(zhàn)裝備的任務(wù)部署與轉(zhuǎn)換;第二類是動態(tài)電磁環(huán)境描述,通過基于認(rèn)知庫的電磁環(huán)境統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和架構(gòu)完成對動態(tài)電磁環(huán)境的描述,識別并快速認(rèn)知偵收信號的動態(tài)參數(shù)。

        2.2.3 電子干擾

        自適應(yīng)電子干擾技術(shù)是認(rèn)知電子戰(zhàn)技術(shù)的核心技術(shù),由于認(rèn)知雷達(dá)、數(shù)字陣列雷達(dá)體制多變、工作模式靈活多樣、信號形式復(fù)雜多變,常規(guī)電子干擾技術(shù)對其實(shí)施偵察并干擾難度較大,難以取得較好的干擾效果,自適應(yīng)電子干擾技術(shù)引入智能化思想,在軟件算法設(shè)計中使用干擾措施合成技術(shù),綜合考慮針對不同類型目標(biāo)的干擾參數(shù)設(shè)置、不同威脅等級目標(biāo)的干擾措施合成、智能生成干擾策略等問題,開發(fā)探索高實(shí)時性和適應(yīng)能力的智能優(yōu)化算法。

        2.2.4 自適應(yīng)效能評估

        自適應(yīng)效能評估技術(shù)通過被干擾對象在干擾前后的信號參數(shù)和特征變化快速實(shí)時評估干擾措施的有效性,主要通過偵收各種雷達(dá)目標(biāo)的不同工作參數(shù)并分析總結(jié)不同參數(shù)對應(yīng)的工作狀態(tài)形成智能推理機(jī)制,推測目標(biāo)所處的工作狀態(tài)并判斷其戰(zhàn)術(shù)意圖,從而指導(dǎo)干擾措施合成優(yōu)化實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的干擾效果。

        3 自適應(yīng)有源干擾策略

        3.1 雷達(dá)模式識別

        高威脅雷達(dá)信號在戰(zhàn)爭中將表現(xiàn)出一系列的特征和規(guī)律[4],包括信號參數(shù)變化、任務(wù)類型調(diào)整、任務(wù)特點(diǎn)變動、工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換等,由于雷達(dá)技術(shù)不斷取得突破性進(jìn)展,雷達(dá)功能更趨豐富,而且雷達(dá)根據(jù)環(huán)境和任務(wù)需求、變化等進(jìn)行調(diào)整的能力也快速發(fā)展,造成電子戰(zhàn)裝備偵收到的雷達(dá)特征和規(guī)律更趨多樣化和復(fù)雜化,但也為電子戰(zhàn)裝備根據(jù)雷達(dá)參數(shù)特征變化進(jìn)行自適應(yīng)、針對性的有源干擾提供了契機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)較好的干擾效果,必須準(zhǔn)確測量偵收雷達(dá)信號。電子戰(zhàn)裝備偵收的雷達(dá)信號特征參數(shù)中,常見的參數(shù)變化包括載頻捷變、波形變化、脈沖周期變化、脈寬變化、掃描周期與方式變化等,本文以雷達(dá)掃描方式變化為例進(jìn)行分析。

        跟蹤雷達(dá)天線方向圖通常是窄波束,為覆蓋特定范圍空域,需要雷達(dá)使用窄波束掃描指定空域,不時變化波束位置,當(dāng)跟蹤鎖定特定目標(biāo)時,雷達(dá)波束將駐留[5]。雷達(dá)波束實(shí)際上并非完全對稱,水平和俯仰波束寬度通常不同。以覆蓋半球形空域?yàn)槔?,大約需要的獨(dú)立波束數(shù)目Nbp為

        式中,θAZ、θEL分別是3dB水平波束寬度和3dB俯仰波束寬度,單位為弧度。

        雷達(dá)掃描空域范圍大小由雷達(dá)任務(wù)模式?jīng)Q定,若使用半球空域搜索目標(biāo),也會采用小范圍搜索方式達(dá)成精確定位[6],跟蹤雷達(dá)有可能停止搜索進(jìn)入跟蹤狀態(tài),因此可根據(jù)雷達(dá)對目標(biāo)的恒定照射判定雷達(dá)是否處于跟蹤鎖定狀態(tài)。于電子掃描陣列而言,跟蹤波形為數(shù)量較多的重復(fù)突發(fā)脈沖,接收的雷達(dá)脈沖幅度一般相同,可根據(jù)脈沖幅度特征區(qū)分跟蹤狀態(tài)與非跟蹤狀態(tài)。

        設(shè)每個波束位置的脈沖數(shù)目為Nppbw,對于重周固定的雷達(dá),波束駐留時間Td為

        式中,PRI為脈沖重復(fù)周期。雷達(dá)在特定掃描方式下完成指定空域掃描的總時間為Tscan,其計算方法為

        3.2 有源干擾原理

        實(shí)現(xiàn)對需干擾的雷達(dá)目標(biāo)模式識別后,需要在不同的雷達(dá)工作模式階段針對性地采取不同的干擾樣式,目前常用的雷達(dá)有源干擾樣式主要分為三類,分別是壓制干擾、欺騙干擾和復(fù)合干擾,本文選擇的干擾樣式為壓制干擾,其原理是利用噪聲遮蓋雷達(dá)接收到的真實(shí)目標(biāo)回波,降低雷達(dá)接收信號信噪比,干擾甚至阻止雷達(dá)正常獲取目標(biāo)信息和檢測目標(biāo),常用的壓制干擾包括射頻噪聲干擾、噪聲調(diào)幅干擾、噪聲調(diào)頻干擾、噪聲調(diào)相干擾等樣式[7]。

        本文主用的連續(xù)波干擾和阻塞式干擾都屬噪聲調(diào)頻干擾,連續(xù)波干擾是采用連續(xù)波信號對雷達(dá)目標(biāo)實(shí)施干擾,在時域上進(jìn)行持續(xù)壓制,其優(yōu)點(diǎn)是只要時域和方位正確,干擾信號都能進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī),缺點(diǎn)是容易暴露干擾源位置,因此干擾時機(jī)需要靈活掌握。

        阻塞式干擾信號時域表達(dá)形式為

        式中,u(t′)是廣義平穩(wěn)隨機(jī)過程,其均值為0,φ是[0 ,2π)范圍內(nèi)均勻分布隨機(jī)變量,Uj、fj、KFM分別為干擾信號的振幅、中心頻率和調(diào)頻斜率,其值均為常數(shù)。

        阻塞式干擾帶寬通常需要滿足下列條件:

        式中,Δfj為干擾信號帶寬,Δfr為雷達(dá)接收帶寬,fj為干擾信號中心頻率。對于阻塞式干擾,在干擾信號帶寬Δfj較大的情況下,頻率引導(dǎo)時允許存在一定誤差,可有效降低頻率引導(dǎo)精度需求便于工程實(shí)現(xiàn)。而且阻塞式干擾可覆蓋一定頻率范圍,可對頻率捷變雷達(dá)進(jìn)行干擾。

        3.3 自適應(yīng)干擾策略

        自適應(yīng)干擾策略流程如圖2所示,雷達(dá)對抗裝備首先根據(jù)偵收到的掃描周期等參數(shù)判定被干擾目標(biāo)的掃描模式或跟蹤模式,根據(jù)被干擾目標(biāo)工作模式分別選擇干擾樣式1、干擾樣式2。在干擾過程中雷達(dá)對抗裝備保持對被干擾對象信號的實(shí)時偵收,若被干擾對象跟蹤狀態(tài)變化則切換干擾樣式,跟蹤狀態(tài)不變則保持原干擾樣式,若被干擾對象信號消失則停止干擾。

        4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        4.1 驗(yàn)證方法

        為驗(yàn)證該干擾策略的干擾效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,測試框圖如圖3所示,被干擾對象選擇跟蹤雷達(dá)模擬系統(tǒng),在天線前端進(jìn)行預(yù)定值衰減以模擬電磁波信號發(fā)射和接收時在自由空間的衰減。根據(jù)先驗(yàn)知識,在雷達(dá)模擬系統(tǒng)處于跟蹤狀態(tài)時使用連續(xù)波干擾,在雷達(dá)模擬系統(tǒng)處于掃描搜索狀態(tài)時使用脈沖阻塞干擾,以免造成跟蹤雷達(dá)模擬系統(tǒng)跟蹤雜波源自動跟蹤目標(biāo),雷達(dá)對抗裝備根據(jù)識別的干擾目標(biāo)工作模式自適應(yīng)切換干擾樣式。

        圖2 自適應(yīng)干擾策略

        圖3 測試框圖

        4.2 驗(yàn)證結(jié)果

        使用示波器讀取雷達(dá)對抗裝備的檢波信號,檢測到的兩種時域信號如圖4所示,圖(a)中下方為雷達(dá)偵察設(shè)備傳輸?shù)嚼走_(dá)干擾設(shè)備的目標(biāo)信號,上方為連續(xù)波時域信號;圖(b)中下方為雷達(dá)偵察設(shè)備傳輸?shù)嚼走_(dá)干擾設(shè)備的目標(biāo)信號作為門限,上方為脈沖阻塞式干擾時域信號。在干擾過程中雷達(dá)有源對抗設(shè)備根據(jù)接收到的信號特征判定跟蹤雷達(dá)模擬系統(tǒng)的工作模式變換情況,并自適應(yīng)地切換有源干擾樣式。

        圖5分別為連續(xù)波干擾和阻塞式干擾的頻域波形,差別較為明顯。

        干擾效果判定選用跟蹤雷達(dá)模擬系統(tǒng)一定時間段內(nèi)的跟蹤誤差抽樣并加權(quán)的方式計算干擾成功率,其統(tǒng)計機(jī)理在此不作說明,多次實(shí)施有源干擾統(tǒng)計得自適應(yīng)干擾的干擾成功率為73.9%,單一脈沖阻塞式干擾的干擾成功率為40.5%,單一連續(xù)波干擾的干擾成功率為17.1%。測試數(shù)據(jù)結(jié)果表明采用自適應(yīng)有源干擾后干擾成功率得到提高。

        圖4 干擾信號時域波形

        圖5 干擾信號頻域波形

        5 結(jié)語

        本文對認(rèn)知電子戰(zhàn)的概念及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述,并依照認(rèn)知電子戰(zhàn)的框架設(shè)計了一種自適應(yīng)有源干擾策略,雷達(dá)對抗裝備通過模式識別判定跟蹤雷達(dá)工作模式,依據(jù)工作模式的不同自適應(yīng)地采用不同的干擾樣式,實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的干擾效果。本策略需要情報支持和電子戰(zhàn)對被干擾對象工作模式的判別,由于目前雷達(dá)工作模式更趨復(fù)雜多樣,增加了雷達(dá)模式識別的難度和效率,如何建立更普適性的模式識別準(zhǔn)則并減少對預(yù)先情報的依賴,是提高干擾有效性的重點(diǎn)研究內(nèi)容。

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