雷达对抗目标信号特征研究*

李德智 祝 利 王 倩

(电子工程学院 合肥 230037)

1 引言

当前所面临的严峻电磁环境要求电子侦察系统能够及时发现雷达照射,并快速、准确地进行雷达对抗目标的信号处理与识别,以确定威胁目标,对具有威胁的对抗目标采取相应的对抗措施。对雷达对抗目标的识别的关键问题在于对雷达对抗目标的信号特征的认识。而目前我们对于雷达对抗目标的特征认识水平比较低,缺少对相关特征的深入认识与研究。因此,深入对雷达对抗目标的信号特征研究,是我雷达对抗侦察领域亟需解决的关键理论问题。

2 雷达对抗目标的信号特征概述

在本文中,雷达对抗目标指的是我方为了雷达对抗目的而去进行侦察的敌方可以辐射电磁信号的各类雷达及相关设备的总称。特征是存于时间或空间中可观察的事物,如果可以区别它们是否相同或者相似,都可以称之为特征。特征不是指事物本身,而是从事物获得的信息。因此,特征往往表现为具有时间或空间分布的信息。本文把通过对雷达对抗目标信号进行雷达对抗侦察所得到的具有时域、空域、频域分布的信息作为其信号特征。

雷达对抗目标信号特征是个总的、内容广泛的概念,它主要由雷达对抗目标发射机性能所决定的,但同时受到信号传输路径以及雷达对抗侦察装备性能等共同所影响的。只考虑雷达对抗目标本身的情况下,雷达对抗目标信号从调制层上来看,可分为人为有意调制与无意调制[1,4～7]。但考虑其它影响因素下,这里将雷达对抗目标特征分为基本特征与细微特征。基本特征是指雷达本身有意调制特征。例如,基本特征如进行脉冲调制或连续波调制,对脉冲载频进行线性调频或相位调制等。

而细微特性的分析,是以精确的脉冲参数测量为基础,采用一系列的信号分析处理技术,可以获取更多更可靠的电子情报,完成各种复杂雷达信号的准确描述。细微特征指偏标称参数、相对固定、可检测的偏差值[2]。细微特征如雷达对抗目标本身无意寄生调制、信号传播路径与环境差异以及雷达对抗侦察设备测量误差等[3]。细微特征再从为分析的程度上来讲,将雷达信号细微特征分析分为特性分析和个体“指纹”分析。如果细微特征可以区分雷达的个体,则将此特征作为个体/指纹特征。如无意调制或称为附带调制,其具有进行目标个体识别的潜力。其特征参数的隶属关系如图1所示。

图1 特征参数的隶属关系图

3 雷达对抗目标信号特征参数分析

由上所述,雷达对抗目标信号特征分为基本特征与细微特征。下面从这两个方面对信号特征参数进行分析。

3.1 雷达对抗目标信号基本特征参数分析

雷达对抗目标信号的基本特征参数在某种程度上体现了人为有意调制特性。它目前常用的雷达对抗目标信号特征参数有时域参数、频域参数、空域参数、调制域参数和极化域参数等。下面主要从雷达对抗侦察接收机测量角度分析各个域的具有代表性的特征参数。

3.1.1 时域特征参数分析

1)脉冲宽度

脉冲宽度是一个无法直接观测的基本特征量,它是利用脉冲的前沿的到达时间与后沿的到达时间并采用适当的算法估计出的[4]。由于多径信号和雷达对抗目标辐射源直达信号在时域上有交重叠,使脉冲后沿到达时间不准确。另外,当雷达对抗目标与雷达对抗侦察接收机有较明显发相对径向运动时,接收脉冲将被压缩或展宽,同样会导致脉冲宽度估值欠准确。再者,当辐射源的波束扫描导致脉冲信号幅度剧烈变化时,脉冲宽度估值也将随之改变。因此,虽然脉冲宽度参量是辐射源信号的基本特征参数,但通常无法保证其具有较高的测量准确度。在高输入信噪比及单分量信号条件下,脉冲宽度的测量相对简单,可实时实现。但在低输入信噪比或多分量信号条件下,测量方法相对复杂,实时实现有困难。

2)脉冲重复周期

脉冲重复周期是雷达对抗目标的基本特征参量。它也是一个无法直接观测的特征量,必须首先获得各个脉冲信号到达时间的测量值,再采用适当算法才能得到其估值,因此,其测量精度取决于脉冲到达时间的测量精度及所采用的估计算法。由于现阶段脉冲到达时间的测量以脉冲上升沿为参照条件,其测量精度既与输入信噪比有关,也与脉冲上升沿的陡峭程度有关,因此,当脉冲上升时间较大时,脉冲重复周期的估计精度将会明显恶化。

脉冲重复周期既可以是恒定的,也可以是具有一定的变化规律的。它也是现阶段区分固定重频、重频抖动、重频捷变以及重频参差等雷达脉冲的主要参数。它的变化范围及变化规律与雷达工作性能、工作体制有着密切的关系。当雷达脉冲的脉冲重复周期变化规律不限于此,且待分选的全脉冲数据来自很多个雷达辐射源时,将很难利用辐射源的脉冲重复周期参数进行有效的信号区分。

3)脉冲幅度

脉冲幅度的观测值不仅取决于辐射源发射功率、收发站间距离、传输损耗等,还取决于辐射源发射天线增益、波束扫描速度和波束形状等诸多因素。因此,即使侦收到的多个脉冲来自于同一个雷达辐射源,其脉冲幅度也可能是不同的,甚至存在很大的差异。但当同一部雷达的不同脉冲来自同一个相干处理间隔内时,各脉冲的脉冲幅度值应不会有显著的差别,因此,至少在一个较小的时间间隔内,可将该参数视为一个相对可靠的基本参数。

3.1.2 频域特征参数分析

目标信号载波频率是侦察接收机必测的一个基本特征参量。它既可能是固定的,也可能是有一定的变化规律的。但对相参雷达辐射源而言,通常情况下其载频仅在脉组间发生捷变,所以,该参数同样是一个相对可靠的信号识别参数。在只对辐射源信号的单个脉冲进行载频测量时,受脉冲持续时间及输入信噪比等的限制,其测量精度将非常有限。但利用脉冲串对载频进行重新估计,则可进一步地提高载频的测量精度,以期提高基于该参数的个体识别质量,但所需时间较长。在较高输入信噪比及单分量信号条件下,频率可近似实时测量。但当信噪比很低时或在多分量信号情况下,由于要进行信号的检测及多分量信号的自适应分解处理,因而,估计的实时性欠佳。

3.1.3 空域特征参数分析

空域特征参数主要代表是信号来波的到达方向。当前各个运动平台的雷达对抗目标,其相对侦察接收站的来波到达方向只可能是缓慢变化的,因此,该参量是一个非常可靠的信号分选参数。但是,由于来波到达方向的值仅取决于对抗目标与侦察接收机之间的相对位置,因而该参数不是雷达对抗目标的固定参数值。来波到达方向的测量精确度主要取决于输入信噪比、接收通道的幅相一致性、信号调制样式以及信号分量间的相关性等。

3.1.4 脉内有意调制参数分析

脉内有意调制特性及调制参数是雷达对抗目标基本特征参数。目前雷达信号所采用脉内调制有单载频、多载频分集、多载频编码、线性调频、二相编码和多相编码等[5]。它们调制参数既可能是固定的,也可能是时变的。例如,对于需要进行脉冲压缩处理的雷达而言,至少在一个相干处理间隔内,这些参数应是不变的,除非这些脉冲压缩雷达采用了更为复杂的信号处理方法。脉内调制参数的测量精确度主要受输入信噪比、多径信号及来自不同雷达辐射源的多分量信号间的相关性影响。当脉内调制特性比较复杂时,调制特性识别及调制参数测量的实时性将无法保证;尤其同时是在低信噪比条件下,当对此类脉内调制特征复杂信号的检测将更加困难。因此,脉内调制特征参数主要适用于较高输入信噪比条件下。当前研究识别脉内有意调制的方法有小波变换法、瞬时自相关法等[6]。

3.1.5 极化域特征参数分析

雷达信号的极化方式是基本特征参量,它既可能是固定不变的,也可能是时变的。只有侦察接收机位于雷达对抗目标所发射主波束内时,极化方式的观测值才能真实刻画其发射天线的极化特性。否则,其观测值将随接收机相对于对抗目标发射主波束所处空间方位、收发站间距离及信号载频的不同而不同,甚至与对抗目标发射天线的极化特性完全正交。

一般通常情况下,侦察接收机是对雷达对抗目标发射波束副瓣进行侦收,即使是专门用于主瓣侦收的电子告警系统,其接收天线也很少落在辐射源发射波束主瓣内。不过,在单个相干积累时间间隔内,雷达信号的极化特性相对稳定,侦察接收机与雷达对抗目标发射波束主瓣的相对空间位置以及收发站间距离几乎保持不变,因而,极化参数的观测值应当是相对稳定的。

3.2 雷达对抗目标信号细微特征分析

雷达对抗目标信号的细微特征是相对于其基本特征而言的。这些细微的信号变化特征偏离标称参数、相对固定、可检测的偏差值。该标称指标可以从公开的技术资料中获取,也可以在对该信号特征多次测量的处理值中确定[2]。而雷达对抗目标信号的个体特征体现在其信号的细微特征上,主要表现在脉内细微变化特征和辐射源基本参数精确度的差异上。从一定程度上来讲,对这些细微信号特征进行个体识别研究,具有在复杂密集的信号环境中对雷达对抗目标进行识别、分析和告警的巨大潜力。

3.2.1 目标信号细微特征的来源分析

雷达对抗目标辐射源产生信号到雷达对抗侦察接收设备过程中,发生了信号的细微变化特征。这主要来源包括以下几个方面[2]:

1)雷达对抗目标器件加工过程的工艺缺陷造成器件特性和技术指标的离散。

2)雷达对抗目标装备在设计、生产、调试过程中的个体差异。

3)已调波在载波被调制和放大发射过程中,会受到频率源及发射机的非线性和元器件/模块离散性、稳定性的影响而形成偏差和污染。例如,由雷达发射机、调制器、高压电源、振荡器等带来的寄生调制特性。

4)信号环境变化与传播路径差异造成的污染

大气衰落、多径、平台位移、色散、天电等因素的影响,会对特征参数造成污染。在信号的传输过程中,由于大气噪声(含天电干扰)、工业污染(如汽车、电力设备)、非恶意窜扰(广播、电视、通信)、恶意攻击(敌方干扰)、平台位移(产生多普勒频移)、多径等环境条件的不同使正常的雷达对抗目标表现出不同的技术性能。当受外界环境条件污染的信号特征到达接收机时,通过接收机模块本身的非线性处理,外界环境条件将改变信息特征,从而影响接收。特别是当信号特征本身就是微小量的时候,环境条件和接收机的非线性将湮没这些特征参量。

5)雷达对抗侦察设备测量误差

接收机中的信道带宽、平坦度、准确度、稳定度、非线性、动态范围、色散延迟、数字量化等因素也会对特征参数造成新的污染。

3.2.2 雷达对抗目标信号个体特征具备的条件

雷达对抗目标个体特征是区分识别雷达个体的特征,它能够精确反映雷达信号个体特点的技术特征。针对雷达体制、调制样式、信号频率均相同的辐射源识别,个体特征主要是由雷达对抗目标辐射源在制造过程中的各种随机因素造成的个体差异,这些差异一般会体现在目标辐射出的信号上,并有一定的稳定性和各不相同的变化规律。作为个体特征应具备如下条件:

1)作为个体特征的参数要能够反映雷达对抗目标个体所特有的技术特征,这样才可能用个体特征实现对雷达的个体识别。

2)反映某一个体雷达的信号特征参数应有多个[7]。也就是说,雷达对抗目标的个体特征属性由多个信号特征参数的集合进行描述,对这一集合中提取的特征越多、越精细,则对雷达个体识别的概率就越高。

3)雷达对抗目标的个体特征要具有可检测性。只有能被检测出来并具有较高可信度的雷达的细微特征才具有实际意义。雷达信号的个体识别往往是要求在复杂、多变的环境条件下完成,既存在各雷达对抗目标辐射的信号,也有噪声干扰。

4)雷达对抗目标个体特征应具有唯一性[8]。指的是一部雷达区别于其它的雷达的特征,如世界上不存在两个完全相同的指纹一样。

5)雷达对抗目标个体特征应具有高的稳定性。个体特征只有具备较高的稳定性,才能使这些特征不因时间和环境的变化而发生显著的改变,或至少在一个相当长的时期内是仅随时间缓慢变化的特征,否则这些特征就失去了价值了。

3.2.3 目标信号细微特征参数个体识别分析

下面对常见的信号细微特征参数进行个体识别可行性分析:

1)载频的细微特征

载频的温漂参数和短期稳定度参数可作为雷达对抗目标所固有的信号细微特征[9]。但使用这些细微特征参数需要事先确知用于参量估计的所有脉冲来自同一个雷达辐射源;多普勒频移对载频测量准确度的影响已得到了精确校正;同时,具有足够高的精确测频技术及高性能频率标准。显然,测量的实时性较差。而且,通常情况下仅当对特定的雷达对抗目标进行专门侦察时,才能对这两个参量进行观测。另外,雷达对抗目标辐射源使用高性能频率标准,则无法对其进行测量。

2)脉冲重复周期细微特征

脉冲重复周期重频抖动特征或其变化规律是固有的信号特征参量,既可能是固定的,也可能是时变的。其测量精度取决于信号来波时间的测量精度。由于仅当实现了辐射源信号分选后,才能对重频抖动特征或其变化规律进行估计。由于,脉冲重复周期如果是非固定的变化特征,则会破坏其细微特征,则脉冲重复周期细微特征一般仅适用于固定的脉冲重复周期的雷达对抗目标。所以,它作为个体识别具有一定的应用局限性。

3)脉冲包络特征分析

包络分析的特征参数主要下面几个:

(1)脉冲前沿变化及上升时间

脉冲前沿变化是雷达固有的信号特征,它是建立在对辐射源信号脉冲进行精确测量的基础上。由于多径信号相对于直达信号总有一个时间延迟,因此直达脉冲信号的上升沿不受多径效应影响,相应地,脉冲上升时间以及上升斜率参数应是非常可靠的细微特征参数。该参量也是雷达辐射源所固有的、仅随时间发生缓慢变化的特征参量,除非雷达对抗目标更换了发射功率组件。但对脉冲上升时间的精确测量要求有较高的输入信噪比,目标更换了发射功率组件后可能出现量值跳变等。

(2)脉冲后沿变化及下降时间

脉冲下降斜率以及下降时间是雷达固有的信号参数。它仅随时间发生缓慢变化,除非雷达对抗目标更换了发射功率组件。但在多径效应环境下所观测到的脉冲下降沿却未必是雷达信号直达脉冲的真实下降沿,因而,通常情况下脉冲下降时间的测量值不太适合作为个体特征参数,不建议对其进行测量。

(3)脉冲包络尖峰及拐点

脉冲包络尖峰是包络状态变化的转折点,它对应于一阶导数的幅度极大值[10],也就是包络的尖锐不连续点。而拐点值是表示包络的边界变化特点的值。由数学分析可知,包络的拐点位于其二阶导数的过零点。由于在多径效应环境影响下,信号包络的失真使包络顶部发生多个起伏,出现多个尖峰和拐点,使其值数增加,产生多余的数值。

(4)脉冲幅度起伏特征

脉冲的起伏特征属于雷达个体固有的特征。它仅随时间发生缓慢变化,除非雷达更换了发射功率组件。但是在多径效应环境下,多径信号也会明显地改变脉冲幅度的起伏特征。另外,当出现同时到达信号或信噪比较低时,也很难准确地提取出脉冲幅度的起伏特征。因此,通常情况下不建议将其作为个体特征参量使用。

4)脉内附带调制

脉内附带调制,又称无意调制[7,11]。它不仅是辐射源信号细微特征的重要方面,也是个体特征重要的来源。它是由大功率雷达发射机中发射管、调制器和电源等器件和电路产生的所不希望的多种附带寄生调制,如互调频率、谐波频率、电源滤波不良引起的寄生调制等。附带调制能体现每部雷达自身的个体特征。重要的附带调制有两类:其一是附带调幅,即偏离理想的脉冲波形;其二是附带调相,即偏离理想的相位。

(1)脉内附带调幅

脉内附带调幅属于雷达个体固有的特征。仅随时间发生缓慢变化,除非雷达对抗目标更换了发射功率组件。但是,对雷达对抗侦察接收机来说,接收到的是受大气传播效应污染后的雷达信号,包含雷达信号本身的附带调制和在传播中引人的畸变,雷达脉冲波形更易受大气传播效应的影响,使附带调幅成为不可靠的参数。

(2)脉内附带调相

附带调相相对比较可靠,是最重要的附带调制参数。附带调制的调制形式和调制量取决于雷达对抗目标的体制、发射机类型、发射管、调制器、高压电器及高压元器件,它是多种因索的综合效应。

由于侦察接收机工作的电磁环境日益恶劣,信号在空间传输过程中受到各种干扰,当前主要从变换域出发,利用高阶统计分析辐射源的无意调制的特征,常用的高阶谱有三阶谱和四阶谱[7,12]。

综合对雷达对抗目标信号细微特征的分析,有些细微特征由于自身易变以及复杂电磁环境的影响不易作为目标信号个体特征识别参数,但可作为描述雷达对抗目标特征集的一部分,深化对此雷达辐射源信号的理解;而有些细微特征具有成为雷达对抗目标个体识别或信号分选参数的潜力。

4 结语

本文通过对雷达对抗目标信号特征进行分析,我们可以得出如下几点初步结论:1)雷达对抗目标信号特征是个总的,内容广泛的概念,各种信号都有其基本特征和细微特征。2)雷达对抗目标的信号基本特征不仅包括了脉冲特征、脉间特征以及脉组特征还包括了脉内有意调制特征,这些都是人为因素所产生出来的信号基本特征。3)辐射源信号各特征参量的估计精确度,除与输入信噪比有关外,还主要与各信号分量间的相关性有关。因此,要想提高辐射源信号各特征参量的估计精确度或提高信号分选及个体识别能力,应设法采取相应技术措施大幅减少同时进入接收机的信号数目,并设法提高侦察设备处理具有复杂调制类型的多分量信号及微弱信号的能力。4)基本特征在识别层次和信号分选程度上具有一定的局限性,但可对雷达对抗目标进行总体上的描述,是雷达对抗目标信号特征重要的特征集,从中可反映出雷达对抗目标的各种战术特点。5)细微特征是对目标信号更深层次的了解,尤其对那些复杂体制的雷达进行识别的关键特征,甚至可达到雷达个体的识别。但是由于复杂电磁环境及多路径原因,当低信噪比时,对信号细微的变化值不能进行精确测量。6)尽管雷达的许多信号特征参数都是时变的,但在单个相干积累时间间隔内它们却是不变的或是相对稳定的。因此我们在实际工程应用中还必须对辐射源细微特征的时变范围有非常准确的把握,可考虑在较小的时间间隔内利用这些相对稳定的特征参数。7)雷达个体特征参数的选取最终是为雷达个体识别服务的,对雷达对抗目标的信号个体特征的认识,我们还不够研究深入。例如在完成雷达个体识别之前,还必须把握:雷达细微特征参数的高精度提取、如何选择个体特征、对特征如何进行提取、雷达个体识别系统设计、个体识别算法开发以及提高雷达对抗侦察装备的测量性能,我们在这些方面将有很多的事情要完成。

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