胡新宇

(中國航天科工集團八五一一研究所，江蘇 南京 210007)

0 引 言

電子偵察系統(tǒng)用于截獲敵方輻射源發(fā)出的電磁信號，并進行識別、分析和定位，完成對戰(zhàn)場電磁環(huán)境態(tài)勢的感知，具有抗打擊能力強、作用范圍廣、隱蔽性好等優(yōu)勢，是現代軍事偵察不可缺少的重要手段。

但是，近年來隨著雷達技術和通訊技術的迅猛發(fā)展，電子偵察系統(tǒng)所面對的電磁信號環(huán)境日益復雜。在復雜電磁環(huán)境中，電子偵察系統(tǒng)所感知的電磁信息復雜多樣，傳統(tǒng)的電子偵察系統(tǒng)缺乏靈活性，對復雜電磁環(huán)境的感知能力有限，難以應對日益復雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境。

基于認知的戰(zhàn)場電磁環(huán)境偵察技術具有對外界電磁環(huán)境的交互學習能力，可以根據電磁環(huán)境的實時變化，不斷積累經驗，豐富知識庫，及時優(yōu)化工作參數并調整系統(tǒng)狀態(tài)，作出適當反應，增加設備的靈活性，能夠更好地適應復雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境。同時，通過全面感知電磁環(huán)境中目標輻射源的工作方式、參數、方位等信息，可以對敵方輻射源的技術體制、活動規(guī)律等情況進行智能分析，推斷出對方意圖，并對臨近時刻的電磁態(tài)勢變化給出預測，實現對戰(zhàn)場電磁態(tài)勢準確和快速的感知。

1 工作流程

基于認知的戰(zhàn)場電磁環(huán)境偵察技術流程如圖1所示。

圖1 基于認知的戰(zhàn)場電磁環(huán)境偵察技術流程Fig.1 Process of cognition-based reconnaissance technology in battlefield electromagnetic environment

具體的工作流程描述如下。

1) 電磁環(huán)境感知：完成相應的電磁環(huán)境信號偵收任務(信號檢測、參數測量等)，結合知識庫的先驗知識，對偵收到的信號進行分析識別，完成對外界電磁環(huán)境的感知，并進行相應的知識更新。

2) 電磁態(tài)勢估計：結合知識庫的先驗知識，對電磁環(huán)境的感知信息進行處理、分析，進行相應的知識更新，完成電磁態(tài)勢信息的估計，并傳輸至人機交互系統(tǒng)進行態(tài)勢顯示。

3) 智能決策：結合知識庫的先驗知識，對電磁態(tài)勢信息進行分析，形成決策信息，用于優(yōu)化偵察系統(tǒng)對外界電磁環(huán)境的感知策略(主要包括工作模式、偵測算法等)，并進行相應的知識更新。

4) 自適應調整：根據決策信息和系統(tǒng)的軟硬件狀態(tài)，自適應地規(guī)劃出滿足規(guī)劃需求的調整指令，引導電磁環(huán)境感知單元完成相應的感知任務調整(自主實現各種工作模式切換、自主選擇針對性的處理算法等)，從而適應快速變化的復雜電磁環(huán)境，并以最優(yōu)策略完成對目標信號的電子偵察。

2 電磁環(huán)境感知

2.1 電磁環(huán)境感知單元的定義及功能

電磁環(huán)境感知單元主要用于完成對復雜電磁環(huán)境中輻射源信號的感知(信號檢測、特征提取、分析識別)，并根據任務調整指令完成相應的任務調整(參數調整、功能重構),功能主要包括：

1) 輻射源信號檢測、參數測量、特征提取、型號識別及個體識別；

2) 感知任務參數(工作模式、工作帶寬等參數)的調整；

3) 感知任務功能(信號檢測、脈內分析，個體識別等功能)的軟件重構。

2.2 電磁環(huán)境感知單元的工作流程

電磁環(huán)境感知單元的具體工作流程如圖2所示。

1) 通過任務調整控制單元接收調整指令，完成對偵收任務參數(工作模式、工作帶寬等參數)的調整和對偵收任務功能(信號檢測、脈內分析、細微特征生成等功能)的重構工作。

2) 通過偵察天線接收外界電磁波信號，經微波變頻單元給出多路中頻信號，中頻信號發(fā)送至后續(xù)的數字信號檢測單元中進行信號檢測處理，對檢測出的信號進行信號特征提取處理，信號特征主要包括常規(guī)特征(脈寬、方位、到達時間、功率、測頻等)、細微特征(脈內無意調制特征、脈間無意調制特征)。結合知識庫的先驗知識，對提取的信號特征進行分析識別，實現輻射源信號的型號識別與個體識別，完成對復雜電磁環(huán)境中輻射源信號的感知。

圖2 電磁環(huán)境感知工作流程Fig.2 The workflow of electromagnetic environment perception

3 電磁態(tài)勢估計

電磁態(tài)勢估計是指對電磁環(huán)境的感知信息進行處理、分析，挖掘其背后隱藏的深層次信息，通過電磁環(huán)境要素的獲取、理解、預測而形成的一種易于理解并能輔助決策的電磁環(huán)境表達方式，主要包括電磁環(huán)境構建、事件提取、事件關聯與電磁態(tài)勢生成。

3.1 電磁環(huán)境構建

構建當前電磁環(huán)境下的各個輻射源的狀態(tài)信息，可表示為

ST(t)={ST1(t),ST2(t),…,STn(t)}

(1)

式中：STi(t)(i=1，2，…，n)是第i個輻射源在時刻t時的狀態(tài)信息集合，以多元組形式表達為

STi(t)={T,F,L,E,Po,Id,K}

(2)

式中：T表示時域特性；F表示頻域特性；L表示空域特性；E表示功率域特性；Po表示極化域特性；Id表示敵我屬性；K表示類型屬性。

3.2 事件提取

輻射源事件指目標輻射源在一定態(tài)勢空間和時間下發(fā)生的具有一定意義的行為。輻射源事件提取是對輻射源的狀態(tài)信息進行比較、分析、判斷，提取出反映電磁環(huán)境態(tài)勢變化的行為，可表示為

I={I1,I2,…,In}

(3)

其中，Ii(i=1，2，…，n)是第i個輻射源的輻射源事件集合，可以多元組形式表達為

Ii={O，M，C}

(4)

其中：O表示輻射源開/關機情況；M表示輻射源目標機動情況；C表示輻射源工作模式調整情況。

3.3 事件關聯

輻射源事件關聯的結果是形成如Y→Z的推理式，其中X,Y是屬于I的兩個集合。通過關聯處理，可以發(fā)現輻射源之間的關系，挖掘背后隱藏的深層次信息，最終將其上升為能夠支撐決策的情報。具體過程如下所示。

1) 在時間軸上進行分段，每段標記為一項事務，可表示為:D={I(t1),I(t2),…,I(tn)}，其中I(ti)(i=1，2，…，n)是第i個時間段的輻射源事件集合。

2) 計算關聯規(guī)則X→Y的支持度，支持度為數據庫中包含X∪Y的事務占庫中所有事務的比值。

3) 計算關聯規(guī)則X→Y的置信度，置信度為數據庫中包含X∪Y的事務與包含X的事務數比值。

4) 找出所有支持度、置信度超過門限的關聯規(guī)則X→Y。

支持度和置信度這兩個概念的關鍵作用在于能夠衡量關聯規(guī)則的重要程度。通過一組數據，往往能夠得到多個不同的關聯規(guī)則，只有那些支持度和置信度滿足要求的關聯規(guī)則才能真實反應輻射源之間的關系。

3.4 電磁態(tài)勢生成

基于對電磁態(tài)勢元素的綜合分析來解釋和表示戰(zhàn)場情景，指出目標輻射源的行為模式，推斷出作戰(zhàn)意圖，并對臨近時刻的電磁態(tài)勢變化給出預測。

3.4.1電磁態(tài)勢知識庫

電磁態(tài)勢知識庫的作用是描述與電磁域相關的作戰(zhàn)計劃方面的知識，只有在具備這些知識的基礎上，通過適當的推理機制才能夠理解目標輻射源當前的行為并預測其下一步的行動，其推理能力很大程度上依賴于所存儲知識的正確性、可用性與完備性。

態(tài)勢知識庫采用目標/計劃/事件的3級層次結構，在這個層次結構中包含了目標輻射源可能的軍事目標及各目標輻射源通過協同達到這個目標的方式，其結構如圖3所示，其中：

1) 事件(輻射源事件)描述的是目標輻射源在一定態(tài)勢空間和時間下發(fā)生的具有一定意義的行為。

2) 計劃描述的是目標輻射源協同完成目標的過程，表現為輻射源事件的關聯。

3) 目標描述了計劃的最終意圖，即目標態(tài)勢。

圖3 電磁態(tài)勢知識庫結構Fig.3 Knowledge base structure of electromagnetic situation

3.4.2態(tài)勢推理

態(tài)勢推理結果為形成如Y→Z的推理式，其中Y為目標輻射源的關聯規(guī)則，Z為作戰(zhàn)意圖。具體過程如下所示。

1) 在時間軸上進行分段，每段的輻射源關聯情況可表示為:H={G(t1),G(t2),…,G(tn)},其中G(ti)(i=1，2，…，n)是第i個時間段的輻射源關聯規(guī)則集合，每個關聯規(guī)則標記為一個行動。

2) 將每個行動與知識庫中的先驗知識進行匹配，如果匹配程度超過預設門限，則說明觀測到的行動與此先驗知識足夠匹配，此匹配的先驗知識就可以用來解釋當前的戰(zhàn)場態(tài)勢。

3) 推斷對方的作戰(zhàn)意圖：匹配上的先驗知識中的目標就代表著對方的作戰(zhàn)意圖。

4) 根據匹配上的先驗知識，可以推理一些未被發(fā)現的輻射源、過去未發(fā)現的事件、將要發(fā)生的事件等。

3.4.3態(tài)勢預測

電磁態(tài)勢預測是在對當前電磁態(tài)勢理解的基礎上，對未來可能出現的電磁態(tài)勢進行預測,即根據歷史和當前的電磁態(tài)勢來估計未來的戰(zhàn)場電磁態(tài)勢。本文重點研究基于馬爾科夫過程預測的電磁態(tài)勢預測技術。

事物總是隨著時間而發(fā)展的，因此事物與時間之間有一定的變換關系。在一般情況下，人們要了解事物未來的發(fā)展狀態(tài)，不單要看到事物現在的狀態(tài)，還需看到事物過去的狀態(tài)。而馬爾科夫過程則是另外一種情況，事物的發(fā)展狀態(tài)只與現在的狀態(tài)有關，與事物之前的狀態(tài)無關。

馬爾科夫過程的定義為：設{Xt,t∈T}為隨機過程，若對任意正整數及t1

P{Xt1=x1,…,Xtn-1=xn-1}>0

(5)

且有條件分布

P{Xtn≤xn|Xt1=x1,…,Xtn-1=xn-1}=

(6)

P{Xtn≤xn|Xtn-1=xn-1}

則稱為馬爾科夫過程。

基于馬爾科夫過程的電磁態(tài)勢預測過程如下。

1) 將歷史態(tài)勢元素信息(S)在時間軸上進行分段，可表示為S={S(t1),S(t2),…,S(tn)},其中S(ti)(i=1，2，…，n)是第i個時間段的目標態(tài)勢信息。

2) 建立目標態(tài)勢狀態(tài)轉移矩陣，可表示為

(7)

式中：P(xi|xj)=P(xi,xj)/P(xj)，i、j=1，2，…，m；xi、xj為第i、j個目標態(tài)勢狀態(tài)；P(xi)、P(xj)第i、j個目標態(tài)勢狀態(tài)在未來變化的穩(wěn)定概率。

3) 求解目標態(tài)勢狀態(tài)在未來變化的概率，可表示為

[PA(x1)PA(x2)…PA(xm)]=

[PA(x1)PA(x2)…PA(xm)]×

(8)

式中：PA(xi)(i=1，2，…，m)為敵方下一步采取電子戰(zhàn)行動的概率, 對敵下一步行動按概率進行排序即可預測敵方可能采取的行動。

4 智能決策

4.1 智能決策定義

在現有的電子偵察載荷系統(tǒng)中，電磁環(huán)境感知策略的決策都是由人工完成的。隨著電磁環(huán)境日益復雜，在動態(tài)多變的任務環(huán)境下(例如偵察環(huán)境發(fā)生改變、偵察目標狀態(tài)發(fā)生變化、偵察任務臨時發(fā)生變化等)，一般都需要很長的時間對電子偵察載荷重新進行規(guī)劃方案調整，這會導致偵察任務無法及時完成，出現大量無用的偵察數據，錯過對重點目標輻射源的實時偵察。

智能決策規(guī)劃根據對外界電磁環(huán)境的態(tài)勢感知結果，同時結合知識庫中的先驗信息，通過智能決策算法，動態(tài)生成決策信息。生成的決策信息并非固定不變，而是在對感知信息的積累中不斷增加新知識并更新知識庫，不斷修正和改進決策算法，具有決策活動效率高、實時性強等特點。

4.2 智能決策機制

智能決策包括靜態(tài)決策、動態(tài)決策兩種決策機制。

1) 靜態(tài)決策：針對有先驗知識的情況，選擇知識庫中預先設定的與感知結果相對應的策略。靜態(tài)決策的策略預先存儲在知識庫中，使用時不需現場計算。

2) 動態(tài)決策：電磁環(huán)境中往往會出現大量的無先驗知識的輻射源，針對這些沒有先驗知識的情況，智能決策功能單元通過智能決策算法動態(tài)生成決策信息。

4.3 智能決策用途

智能決策主要用于自主實現各種工作模式切換、自主選擇針對性的處理算法等，主要的決策內容如下。

1) 工作模式

根據不同的外界環(huán)境，選擇適合的工作模式，完成偵察任務。如針對復雜的電磁環(huán)境，首先選擇搜索模式，在整個偵察空域、頻域內進行大范圍搜索，搜索到目標信號后，切換到跟蹤模式，實現對目標信號的連續(xù)跟蹤監(jiān)測。

2) 工作帶寬

工作帶寬的選擇與工作模式、偵收目標相關。當工作在搜索模式時，為了提升在頻域的搜索效率，應選擇較大的工作帶寬；當工作在跟蹤模式時，應根據被跟蹤的目標信號帶寬，選擇匹配的工作帶寬。

3) 測向定位算法

測向定位算法的選擇與對目標信號的偵收情況有關。如果只有一個偵察站收到目標信號，一般選擇數字干涉儀測向、比幅測向、相位差變化率定位等單站測向定位算法。如果有多個偵察站收到目標信號，可選擇測向交叉定位、多基線時差定位、多基線頻差定位等多站測向定位算法。

5 自適應調整

根據系統(tǒng)的軟硬件狀態(tài)，將決策信息轉化為滿足規(guī)劃需求的調整指令，引導電磁環(huán)境感知單元進行工作參數調整與功能重構，完成感知策略的自適應調整，調整內容包括偵察系統(tǒng)的工作模式、信號偵測所采用的具體算法等。通過對電磁環(huán)境感知單元的自適應調整，可優(yōu)化對當前面臨的電磁信號的感知。

工作參數調整主要用于調整信號感知單元的偵測參數，主要包括工作模式、工作帶寬、檢測門限、放大鏈路增益等參數。

功能重構主要用于重構信號感知單元的功能模塊，其中功能重構設計包括以下2個方面。

1) 可重構硬件模塊化設計

可重構是指系統(tǒng)利用硬件計算單元可以多次重新配置的特性，使得模塊具有靈活、易于升級等特性。硬件計算單元包括現場可編程門陣列(field-programmable gate array, FPGA)、數字信號處理器。

FPGA可重用資源的基本單位是可編程的邏輯塊和可編程的連線資源，根據硬件配置文件中的編程信息，可以改變邏輯塊的功能和連線的互連方式，從而改變模塊功能。

數字信號處理器可重用資源的基本單位是指令，執(zhí)行不同指令組成的程序，可以改變處理器的功能，從而改變模塊功能。

可重構硬件框圖如圖4所示。

圖4 可重構硬件模塊原理框圖Fig.4 Principle block diagram of reconfigurable hardware module

2) 可重構軟件模塊化設計

電子偵察載荷的偵察功能軟件實現輻射源信號檢測、參數測量、測向/定位、個體識別等功能，各種功能按照模塊進行設計，分解成：信號檢測模塊、信號分選模塊、角度/位置解算模塊、數據采集存儲模塊、個體識別模塊。

電子偵察載荷的偵察功能采取可重構設計，可以按照功能選擇各種相應的軟件模塊，組合在一起實現不同的偵察模式。具體模式及其組成如下。

a) 測向/定位模式：測向/定位模式的主要功能是完成輻射源信號的檢測、參數測量和測向/定位處理，主要由信號檢測模塊、信號分選模塊、角度/位置解算模塊完成。

b) 偵察數據采集模式：偵察數據采集模式的主要功能是完成輻射源信號的檢測、參數測量和數據采集存儲，主要由信號檢測模塊、數據采集存儲模塊完成。

c) 個體識別模式：個體識別模式的主要功能是完成輻射源信號的檢測、參數測量和個體識別，主要由信號檢測模塊、信號分選模塊、個體識別模塊完成。

6 結束語

傳統(tǒng)的電子偵察系統(tǒng)缺乏靈活性，對復雜電磁環(huán)境的感知能力有限，難以應對日益復雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境。針對復雜電磁環(huán)境的上述特征，本文研究了基于認知的戰(zhàn)場電磁環(huán)境偵察技術，在傳統(tǒng)的電子偵察系統(tǒng)中引入智能處理、軟件無線電、認知無線電等技術，使系統(tǒng)具備自校正、自學習、自反饋等動態(tài)自主調節(jié)適應的能力，有效解決了復雜電磁信號環(huán)境適應能力較弱等問題，實現了自主環(huán)境感知、評估判斷、自主規(guī)劃、自主執(zhí)行過程閉環(huán)，提高了系統(tǒng)的智能化水平和對戰(zhàn)場電磁環(huán)境的感知水平。