舰载电子侦察接收设备所面临的挑战及相应措施

梁瑞麟

（海军驻扬州723所军事代表室,扬州 225001）

0 引 言

电子侦察接收机对于现代作战舰艇来说有着十分重要的意义。其主要功能为:监视本舰周围的雷达信号态势,对威胁目标告警；实时引导有源或无源干扰设备进行干扰；辅助引导武器系统进行攻击,为武器发射提供敌方目标的角度信息；在必要情况下,对于敌方雷达采用多站或单站机动进行无源定位。从战术应用的角度归纳起来,其主要作用是自卫反导和电磁信息监视。

长期以来,和雷达相比,电子侦察设备有着距离优势,它可以在对方雷达的作用距离之外发现对方雷达信号。这是因为电子侦察设备侦察的是对方雷达的直射波,信号强度与距离的平方成反比；而对方雷达接收的是从目标上反射回来的反射波,信号强度与距离的4次方成反比。然而近年来雷达技术的进步给舰载电子侦察装备带来很大的挑战。相当一部分雷达都采用了脉冲压缩体制,脉冲压缩雷达发射的脉冲功率较小,脉冲宽度很大,而平均功率较高,通过大比例的脉冲压缩来提高雷达探测距离,同时实现满意的距离分辨率；使用匹配滤波器技术进行相干积累,雷达可以在低信噪比情况下进行探测。而电子侦察接收机要求频率和方位上宽开,且只对信号的脉冲功率产生响应,侦察灵敏度受到很大限制。加上舰艇的雷达反射截面（RCS）很大,以至于一些体制先进的雷达比较容易发现舰艇,而舰载电子侦察接收机却不容易收到该雷达信号,使得电子侦察设备的侦察距离优势逐步丧失。另一方面,由于雷达的脉冲宽度增加和信号密度加大,电子侦察设备面临的信号重叠概率大大增加,接收机丢失信号的概率也显著增加。

本文试图对目前电子侦察设备面临的挑战进行分析,提出一些应对的技术措施。

1 电子侦察设备探测距离和雷达探测距离比较

根据自由空间的雷达方程,可以得到雷达的作用距离:式中:Pt为雷达发射峰值功率；Gt为雷达天线增益；λ为雷达工作波长；σ为目标（舰船）的反射截面积；Prmin为雷达接收机灵敏度（含接收机前端的馈线损耗）。

根据侦察方程,可以得到电子侦察设备对该雷达的发现距离:式中:Gi为电子侦察天线在雷达方向上的增益；Pimin为电子侦察接收机灵敏度（含接收机前端的馈线损耗）。

比较（1）、（2）两式,得到电子侦察接收机探测距离和雷达探测距离之比,即所谓（对空）超越系数:

由式（3）可以看出,电子侦察接收机的超越系数C和雷达本身的发射功率Pt、Gt有很大关系,如果雷达的发射功率降低了,雷达对目标的探测距离也随之降低,但是侦察接收机的探测距离降低得更多。如果雷达发射功率降低到原来的1/16,那么雷达探测目标的距离将降低到原来的1/2,而侦察接收机的探测距离降低到原来的1/4。

超越系数C还与舰船的雷达反射截面σ及雷达的探测距离R2rmax有很大关系,舰船的雷达反射截面σ越大,舰载电子侦察设备的超越系数越小；雷达的探测距离Rrmax越远,舰载电子侦察设备的超越系数越大。也就是说雷达的作用距离越远,越容易被对方探测到。

当式（3）小于或等于1时,电子侦察接收机的侦察距离和雷达探测距离相比就不具备优势。

2 关于脉冲重叠造成的丢失问题

雷达采用脉冲压缩技术后,为了加强电子侦察接收机的探测能力,提高电子侦察接收机的灵敏度是必要的。然而,灵敏度的提高会使信号密度大大增加,不仅远距离的弱信号会进入接收机,各种反射信号也会超过接收机灵敏度门限。另一方面由于脉冲压缩体制雷达信号的脉冲宽度较大,带来的问题是脉冲重叠概率大大增加,容易造成信号测量错误或丢失。

有必要概略地分析一下脉冲宽度、信号密度和脉冲重叠概率之间的关系。为了简化,假定周围存在多部不同雷达的辐射信号,而且各雷达的脉冲重复周期互不相关。这样进入接收机的脉冲信号流是时间轴上随机出现的一系列脉冲宽度不同的信号。根据随机过程理论,如果一个随机过程的统计特性与时间起点无关,则称为平稳随机过程,这种平稳无后效的随机过程可看作是泊松过程。根据泊松分布特性,在Δt的时间区间内出现n个脉冲的概率为:

式中:Pn（Δt）为Δt的时间区间内出现n个脉冲的概率；λ为脉冲密度,即每秒钟内出现的脉冲数量。

设相邻两脉冲前沿之间的间隔时间为 ω,则 ω的概率分布密度函数为:

对于普通的单脉冲体制接收机而言,在进入接收机的脉冲信号流中,如果前一个脉冲还没有结束,后一个脉冲就到了,则后一脉冲就不被测量。设脉冲宽度为τ,相邻脉冲前沿的间隔时间为 ω,若不考虑接收机的恢复时间,则当ω≤τ时,后一脉冲就会丢失。

也就是说,ω≤τ的概率就是脉冲丢失概率,对式（5）的脉冲间隔ω分布密度函数在0～τ的区间内积分,就得到脉冲丢失概率为:

作为例子,假定信号密度为10万脉冲/s,对应不同的平均脉冲宽度τ,表1给出了按照式（6）计算的脉冲丢失概率与脉冲宽度之间的关系。

表1 不同的平均脉冲宽度对应的脉冲丢失概率

从表1可以看出,在信号密度为10万脉冲/s的情况下,当平均脉冲宽度 τ小于 1 μ s时,则脉冲丢失概率P不大于9.5%,设备尚可正常测量和分选。当平均脉冲宽度达到4 μ s时,则脉冲丢失概率P达到32%,信号处理设备很难正确进行分选。实际上,脉冲压缩雷达的脉冲宽度往往在10 μ s以上,有些甚至达到几百μ s,因此脉冲重叠概率很高。

上述计算模型和实际情况可能不完全符合,但至少可以作为分析的参考。不仅如此,脉冲重叠还会造成参数测量错误。前面已经提到,如果后一个脉冲和前一个脉冲首尾相接,则会造成前一个脉冲宽度测量值变大。而且,目前广泛采用的延迟线式瞬时测频接收机不能分辨同时到达信号,如果2个脉冲前沿发生重叠,或者它们前沿之间的间隔很小,在这种情况下,若2个脉冲幅度相当,则频率可能测错；若2个脉冲幅度相差大于10 dB,通常可正确测量幅度较大的脉冲频率,丢失幅度较小的脉冲数据。脉宽或频率的测量错误将会造成信号增批,脉冲数据的丢失则给信号处理造成困难,造成漏批,这些都是近年来电子侦察设备经常碰到的问题。

以上分析还是在假定周围多部雷达的脉冲重复周期互不相关的前提下得到的,实际上,同种型号雷达的脉冲重复周期存在某种相关性,这将加大脉冲重叠概率。更有甚者,雷达为了反侦察,同一载体（比如一条舰船）上的多部雷达通常采取同步触发技术,即令多部雷达发射不同频率的脉冲前沿正好对齐,这样,常规的单一信道电子侦察接收机就难以正确测量出各雷达信号。

3 应对的技术战术措施

3.1 适当提高电子侦察设备的灵敏度

为了适应雷达技术的发展,提高电子侦察设备探测低功率雷达的能力,提高侦察灵敏度Pimin和天线增益Gi是十分必要的。目前传统的宽开式模拟接收机的灵敏度Pimin通常在-60 dBm左右,受到噪声和带宽的限制,再要提高困难较大,通过下面的计算可以明白其中的原因。

式（7）为宽开式模拟接收机的灵敏度和检波前的信/噪比的关系式:

式中:Pimin为电子侦察接收机灵敏度（dBm）；k为波耳兹曼常数,k=1.387×10-23J/K；T为绝对温度,常温按300 K计算；B为检波前带宽,若B取1 MHz为单位,则kTB=-114 dBm；F为接收机前置放大器的噪声系数；L为馈线（含滤波器、限幅器等）损耗；S/N为接收机门限状态下的检波前信/噪比（dB）。

按目前的技术水平,馈线（含滤波器、限幅器等）损耗L典型值为3.5 dB,接收机前置放大器的噪声系数典型值为3.5 dB,若按照8～18 GHz频段的带宽10 GHz（40 dB）计算,带入式（7）得到:对于延迟线式瞬时测频接收机而言,检波前信噪比和视频带宽有关,而后者由最小可测脉冲宽度决定。由于通常要求最小可测脉冲宽小于50 ns,接收机视频带宽应当大于20 MHz。瞬时测频接收机要求的保精度信噪比一般要求7～10 dB；不模糊（不出现粗大误差）信噪比取决于延迟线组的配置和解模糊方式,一般要求为-1～3 dB,信/噪比过低则可能出现粗大误差。若取0 dB作为灵敏度所要求的信/噪比计算,则由式（8）可以看出,宽开式瞬时测频接收机的灵敏度Prmin上限的典型值为-67 dBm左右,尚不包含极化损耗-3dB和天线罩的损耗-1 dB。

至于天线增益,虽然多波束定向天线的增益较高,测向灵敏度较高,但测频需要要全方位全截获概率侦收,全向天线增益Gi一般在0 dB左右,难以进一步提高。

3.2 适当调整频段的划分

通常电子侦察设备的频段划分总是希望频段覆盖尽量宽,例如将2～18 GHz划分为2～7.5 GHz和7.5～18 GHz 2个频段,甚至 2～18 GHz 1个频段来解决问题,这样设备量较小。然而,面对大量脉冲压缩雷达信号,会造成频带内信号重叠概率加大的困局,将频段适当细分是一种有效的方法。比如说将传统的2～18 GHz宽频带划分成若干个子波段,每个子波段只有 2 GHz或4 GHz带宽,或者根据实际雷达信号的分布进行针对性地划分,这样进入一个子波段接收机的信号密度将显著减少,脉冲重叠概率也相应减少。而且由于每个子波段的瞬时带宽下降,灵敏度也会相应提高。这些子波段可以采用并行工作方式,也可以采用单机时分工作方式。前者的成本较高,截获概率也高；后者成本较低,截获概率也降低。

这样做的另一个好处是提高了设备抗干扰性能。当一个子波段受到强干扰,只影响该子波段的工作,其余子波段的工作并不会受到影响。

增加频段的划分会增加装备的成本,但由于带宽下降,部件性能有所提高,即使减少每个子频段接收机的通道数量,也可达到同样的测量精度。即为了降低装备成本,不一定采用传统的多波束比幅测向接收体制,这样可减少接收机通道的数量,也有利于采用更加灵活的滤波措施来改善电磁兼容问题。

3.3 采用数字信道化接收技术

近年来宽频带数字化接收技术发展很快。通常所说的模拟接收机是对接收的雷达信号进行放大、检波,利用信号的包络进行检测,它对检波前的信噪比有较高要求,灵敏度难以进一步提高,而且对于重叠信号的检测能力较差。而数字化接收机不用检波器,将射频信号放大、变频到高中频,直接进行高速采样、从而保留了信号的相位信息。它对信噪比的要求较低,灵敏度较高。通过对高速采样后得到的数字信号进行信道化处理,是解决脉冲重叠情况下频率测量的有效方法。目前,中等带宽的数字信道化接收机测频技术已经比较成熟,瞬时带宽达到1 GHz以上,其灵敏度可以提高到-85 dBm以上。为了实现宽频带侦收,可采用多个子波段并行工作。它是解决脉冲同时到达引起频率测量错误的有效办法,缺点是成本较高。

采用数字信道化接收机测频虽然可以解决频率测量设备的高灵敏度和脉冲重叠问题,若测向还采用模拟体制,仍然不能完全解决脉冲重叠的问题。将测向天线探测的信息直接进行数字化处理,是一种行之有效的方法。采用数字干涉仪技术实现全数字化的侦察接收,在不久的将来可望运用到舰载电子侦察技术领域。

此外,采用非相干积累也有利于电子侦察设备截获信号。虽然不具备雷达发射信号的先验信息,不可能象雷达那样采用匹配滤波的方式进行相干积累,但是在特定情况下,如果事先知道所关注的信号在某个频段和某个时间段内出现,那就可以对该频段的信号加噪声的包络进行采样。在一个适当的时段内,对采样的样本进行非相干叠加,然后与门限进行比较,这种方法也可以提高探测灵敏度。

3.4 充分利用多种信息来源进行融合

舰艇作战是一种综合体系能力的对抗。研究电子侦察接收设备时要同时考虑综合利用多种信息来源,例如本舰的雷达探测信息和通信侦察信息,不能只考虑让某一设备“单打独斗”。比如,在密集的信号环境背景下,要克服信号增批问题,单纯依靠电子侦察设备的信号分选往往比较困难,若利用本舰雷达探测到的目标信息进行融合,很容易帮助区分真实目标和增批信号。尽管担心本舰雷达一发射会暴露己方目标,但是实际作战时,本舰雷达不可能总是保持沉默,如果敌方目标飞向我方舰艇,将本舰雷达探测的数据和电子侦察设备侦察到的数据进行融合,自然可以从各种信号中判断出真实的威胁目标。而且利用雷达的距离信息,结合电子侦察设备侦察到的频率方位信息,决定何时进行无源干扰或有源干扰,这样的效果比单纯利用电子侦察设备收到的信息进行战术决策要科学得多,至少可弥补电子侦察设备侦察得不到距离信息的缺陷。而且很多反舰导弹采用复合制导,导弹本身不一定辐射雷达波,单纯靠电子侦察接收机就不能发现它,相反,通信侦察有可能接收到它与发射平台之间的数据通信信号,这对于提前预警是有利的。

3.5 配合舰艇的隐身设计

从水面舰艇本身的发展来看,减小舰艇的雷达反射截面 RCS,提高舰艇本身的隐身水平,是一个重要趋势。从式（3）可以看出,若舰艇的雷达反射截面RCS减小一半,电子侦察设备的侦察距离对于对方雷达探测距离的超越系数将加大1.41倍。显然,对方雷达不容易看到我方,我方自然就容易看到它。舰艇隐身对于其上层建筑和桅杆,包括侦察天线的设计、结构、安装位置等也提出了很高的要求。传统的多个侦察天线座自成一体,安装在桅杆的上部或两侧,这对舰艇隐身不利。舰艇的隐身设计要求减少天线数量,天线更加简洁；采用天线和桅杆共形设计,外观上看不到明显的天线座；提高天线的匹配设计,减小驻波系数和反射,这些方法都有利于提高舰艇本身对于雷达的隐身能力。

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