时分制RWR／ESM处理方法对脉冲丢失的影响❋

王星，周东青❋❋，张曦，张敬伟

（空军工程大学航空航天工程学院，西安710038）

时分制RWR／ESM处理方法对脉冲丢失的影响❋

王星，周东青❋❋，张曦，张敬伟

（空军工程大学航空航天工程学院，西安710038）

随着战场电磁环境日趋复杂，当前体制下的RWR／ESM正逐渐暴露出其误警率高、漏警率大和告警时间长等严重问题，其根本原因是由于接收机测量体制引起的脉冲丢失问题，导致威胁信号源的截获概率降低。结合RWR／ESM测量体制，对时分制频段处理方法引起的脉冲丢失进行理论分析，推导出工程上可行的应用公式，在此基础上提出了一种基于脉冲密度分配系统资源的改进方法，并结合仿真结果对两种方法引起的脉冲丢失做了对比分析。研究结果为今后新型RWR／ESM的研制提供了理论参考。

RWR／ESM；时分制；脉冲丢失；脉冲密度

1 引言

雷达告警接收机／电子支援措施（Radar Warning Receiver／Electronic Support Measures，RWR／ESM）是一类重要的电子侦察任务设备，是现代作战中飞机用于电磁态势感知必备的基本作战装备之一［1］。它通过测量和分析照射到载机上的雷达信号向飞行员提示威胁的方位、类型和工作状态，以确保飞行员可以全面把握战场态势；根据已知雷达的特征参数，对高威胁雷达信号进行快速识别，进行威胁告警；并及时引导干扰设备，或者提示飞行操作人员及时采取恰当的对抗或者规避等保护措施，提高载机在战场中的生存能力［2］。

传统RWR／ESM测量体制的设计符合当时技术水平和电磁环境条件［3］。随着战场电磁环境的日趋复杂，RWR／ESM设计者们在原来的基础上进行了一定程度的改进，但是传统RWR／ESM的工作体制没有改变多少。随着战场电磁环境日趋复杂，旧体制RWR／ESM逐渐暴露出其缺点，虚警率高、漏警率大、告警时间长等严重影响了其战场生存能力。其中漏警率高的一个重要原因是由于接收机测量体制引起的脉冲丢失，导致威胁信号源的截获概率降低［4］。本文结合RWR／ESM典型结构，对RWR／ESM测量体制引起的脉冲丢失进行分析。

2 典型RWR／ESM的测量体制

RWR／ESM空域覆盖范围360°，频域覆盖范围2～18 GHz，具有较大的动态范围。为了稀释脉冲密度和提高测量精度，首先对各个天线接收到的信号进行频段划分，其次将不同天线相同频段的信号进行归并，最后对各个频段内的脉冲信号依次顺序处理，得到脉冲的各个参数［5］，如图1所示。

图1 RWR／ESM典型测量体制Fig.1 Typical measurement system for RWR／ESM

RWR／ESM 2～18 GHz的频段划分为2～6 GHz、6～10 GHz、10～14 GHz、14～18 GHz 4个频段，从而实现对整个频段的覆盖。随着战场电磁环境的日益复杂，脉冲密度不断增加，这种测量体制势必造成大量的脉冲丢失。主要分为两个方面：第一是测量某一频段时，频段内的脉冲交叠引起的脉冲丢失；第二是接收机在处理某一频段时，其他3个频段内的信号是无法进行测量的。因此这种时分制测量体制无法达到频域的完全覆盖，导致一定数量的信号无法测量到载频信息。下面就结合这两个方面进行具体分析。

3 时分制频段处理脉冲丢失分析

3.1 理论分析

目前，RWR／ESM接收机由于硬件条件所限，各个频段不能并行处理数据，只能采取时分制共享一个处理器。如图2所示，接收机采取顺序切换频段的方法依次完成对整个频域内脉冲的测量，图2中阴影部分为接收机处理器工作的时间。对于接收机测量某一频段的时间T，称之为接收机对该频段的监视时间。在该频段的监视时间内，接收机可以对频段内到达的脉冲进行测量，监视时间结束后，接收机顺序切换到下一频段，继续对下一个频段内的脉冲进行测量。以此类推，直到完成一次全频段的覆盖。最后再由最后一个频段切换至第一频段进行全频域的扫描。接收机以这种频率切换的方式循环往复地在频域内扫描，我们称这种切换频段的方式为顺序切换频段。

图2 频段的切换Fig.2 Switch of bands

3.2 测量频段内脉冲交叠数量

文献［6］运用随机过程理论、概率统计理论推导出脉冲重叠概率，相比文献［7］和文献［8］具有较强的理论依据，因此我们采用其脉冲交叠概率的计算方法：

式中，Ti、τi表示某一雷达序列的脉冲重复周期／频率、脉冲宽度，α表示雷达脉冲信号的总占空比。

根据文献［9］可以得到某一路频段内脉冲占空比与全频段脉冲总占空比的关系：

所以测量频段内脉冲交叠概率为

测量频段内脉冲交叠数量

式中，¯Ni为某一路频段内脉冲交叠数量，αi为各频段内的脉冲总占空比，α为环境总脉冲占空比，Ni为各频段脉冲数量，N为环境脉冲总数量。

3.3 非测量频段的脉冲丢失

接收机在处理某一频段时，频段监视时间Δt内各个频段内的脉冲数量为Ni，那么在频段监视时间Δt内非测量频段丢失的脉冲数为

式中，n为划分频段的数量，k为正在测量的第k个频段，¯N为丢失的脉冲总数。完成一次全频段扫描，由非测量频段引起的脉冲丢失数量为

要求出式中（6）的Ni，必须要知道某一频段内的脉冲密度。对于一部雷达辐射源，雷达发射的脉冲重复频率指的是其单位时间内的脉冲个数，在一定意义上，某一部雷达的脉冲重复频率可以等效为一部雷达的脉冲密度，即

对于多部雷达，它的脉冲密度可以表示为

代入式（6），得

式中，λi为某一频段内的脉冲密度。

从测量总时间T的角度分析，接收机的测量时间T被等分地划分为m个Δt监视时间段。假设雷达辐射源是均匀向外辐射信号，同时接收机的测量时间T相对于频段的监视时间Δt足够长，则可以认为处理器分配给每一个频段的时间资源是相同的。那么，对于划分为n个频段的接收机来说，每一路频段所占用接收机资源的时间为

那么接收机在测量脉冲期间，由非测量频段引起的脉冲丢失数量为

结合频段内脉冲交叠的数量，可得由时分制频段处理方法引起的脉冲丢失数量为

4 基于频段内脉冲密度分配系统资源的改进方法

4.1 理论分析

时分制顺序频段处理的方法其优点是原理简单，工程上容易实现，但是其缺点也是显而易见的：频段必须严格按照系统所设定的方式依次顺序切换，当系统监视频段内没有脉冲出现或是非监视频段有脉冲出现，都会对脉冲的截获造成影响；同时，如果脉冲密度在各个频段内分布不均匀，有的频段脉冲分布密集，有的频段脉冲分布稀疏，仍按照系统设定的顺序切换频段的方法，会造成大量的脉冲丢失。

在目前现有装备的基础上，每个频段后接一个控制器，以脉冲的有无来控制频段的切换与选择。即某个频段接收到脉冲信号，系统就将处理器资源分配给该频段，当脉冲结束后，系统收回资源。这样可以最大限度地利用处理器资源，同时保证了脉冲密度大的频段所占用系统的资源就多，脉冲密度小的频段占用系统的资源就少，从而就可以达到根据各个频段的脉冲密度分配处理时间。下面具体分析这种方法。

4.2 脉冲丢失概率分析

各频段所占处理器的测量时间应该与各频段之间的脉冲数量有关，若某个频段内进入的脉冲数量越大，则告警器对这个频段的处理时间越长，该频段所占处理器的资源也就越多；反之，若某个频段脉冲数量越小，则该频段所占处理器的资源越少。所以，各频段占处理器的时间比（即测量概率）为

T1，T2，…，Tn分别表示各个频段所占处理器的时间，N1，N2，…，Nn分别表示各个频段在测量时间T内的脉冲数量，且T＝T1＋T2＋…＋Tn。

所以各频段占用处理器的时间为

从测量总时间T的角度分析，接收机的测量时间被划分为若干Δt时间段，分别处理各个频段内的脉冲。如图3所示的阴影部分为处理第k频段脉冲时非测量频段内的脉冲丢失。对所有非测量时间段Δt进行求和，可得在时间T内非测量频段的脉冲丢失数量。

图3 测量频段对非测量频段的影响Fig.3 Effect of measurement band on non-measurement band

那么在测量时间T内，接收机处理第k频段时非测量频段所引起的脉冲丢失数量为

由于告警器接收到脉冲数量巨大，可以认为是其分布符合随机过程。在处理一个频段的脉冲时，其他频段信号的有无是一个概率事件。非测量频段内脉冲丢失数量与频段内的脉冲密度有关，频段脉冲密度越大，丢失数量就越大；脉冲密度越小，丢失数量就越小，而跟脉冲密度直接相关的物理量就是脉冲的占空比。

一个脉冲在时间轴上出现的概率即为该脉冲的占空比τ／T，那么在一个频段内，脉冲出现的概率即为该频段内脉冲的总占空比α，结合文献［7］，可得脉冲在某一时刻出现的概率

式中，Nj为对应频段的脉冲总数量。结合公式（16）可得非测量频段内脉冲丢失数量为

将式（17）代入公式（16）中可得

上式表示在接收机接收时间T内，接收机由于非测量频段引起的脉冲丢失数量。因为测量频段内还存在脉冲交叠，所以将上式再加上测量频段内由于脉冲交叠引起的脉冲丢失，可得RWR／ESM接收机由时分制频段处理方式引起的脉冲丢失计算公式：

5 仿真结果及分析

5.1 模型建立

利用MATLAB／simulink建立辐射源模型和接收机模型，模拟雷达辐射源信号和RWR／ESM接收机。仿真流程如图4所示。

图4 仿真流程Fig.4 Simulation flow

5.2 结果分析

首先结合公式（12）仿真顺序切换频段工作体制下的脉冲丢失。在公式（10）推导的过程中，做了Ti＝m·Δt≈（1／n）·T等效替换。但是，考虑实际情况中顺序切换频段的方法对于频段的监视时间是有一定要求的，监视时间的长短对脉冲丢失概率会有一定的影响。通过设置不同的监视时间（监视时间下限为最小脉冲宽度），得到不同的脉冲丢失情况，如图5所示。

图5 频段监视时间与脉冲丢失概率的关系Fig.5 Pulse loss probability vs.band monitoring time

分析图5知，频段的监视时间较短时，脉冲丢失概率较小，但也达到了50%以上；随着频段监视时间的变长，脉冲丢失概率逐渐趋于75%左右，平均脉冲丢失概率达到了73.38%。

分析辐射源数据可以发现，当监视时间小于10μs时，频段监视时间对脉冲丢失的影响非常大，当频段监视时间在50μs左右时，脉冲丢失数量逐渐趋于稳定，此时随着监视时间的增加，脉冲丢失概率不再增大。

仿真数据库中雷达辐射源最大的脉宽为17μs，最小的脉宽为0.1μs。也就是说当监视时间远远大于脉冲宽度时，频段监视时间的长短对脉冲丢失概率影响将不是很大，而监视时间与脉冲宽度相差不大时，监视时间的长短对脉冲丢失概率的影响较大。

如图6所示，考虑两种极端情况，第一种情况是顺序切换频段时的监视时间t1非常短，达到脉冲的脉宽级别，那么此时由频段切换体制引起的脉冲丢失主要由测量频段内的脉冲交叠和非测量频段脉冲持续期内的同时到达信号引起。由于监视时间很短，所以在监视时间持续期内，信号的同时到达与脉冲密度之间具有一定的关系，脉冲密度越大，同时到达信号的概率越大，脉冲丢失数量就越大；脉冲密度越小，同时到达信号的概率越低，脉冲丢失数量也就越小。

图6 监视时间对非测量频段的影响Fig.6 Effect of monitoring time on non-measurement band

第二种情况是频段监视时间t2非常长，远远大于频段内的脉冲宽度，这相当于在监视时间持续期内增加了同时到达信号的概率。此时由于监视时间较长，非测量频段内信号的同时到达是一个定数，所以随着监视时间的增长，非测量通道内的同时到达信号概率将大大增大，脉冲丢失概率也就越大。所以监视时间在脉冲宽度量级左右时，脉冲丢失概率必定会发生较大的突变。

随着监视时间的不断增大（上限为一次测量中对所有频段完成一次切换），脉冲的丢失数量将不会发生太大的波动，与理论分析值相差不大，这是因为随着监视时间的增长，相当于对每个监视频段平均划分监视时间。系统只分配给每个频段25%的处理时间，加上频段内脉冲交叠概率，所以整体脉冲丢失概率稳定在75%左右，与监视时间的改变没有太大的关系。

公式（19）中，系统的监视时间是以脉冲宽度为衡量标准，是理想化的，具体仿真结果见图7，是基于频段脉冲密度分配系统资源的改进方法的仿真结果。

图7 理想化监视时间与脉冲丢失关系Fig.7 Idealized pulse loss probability vs.monitoring time

由图7可知，理想化的基于脉冲密度分配处理时间的方法的脉冲丢失概率要远远小于顺序切换频段的方法。脉冲丢失概率一直稳定在15%左右，这是因为频段的监视时间是以脉冲的宽度为衡量标准，测量脉冲持续期内引起的非测量脉冲的丢失概率大大降低。由于仿真条件设置为接收机接收稳定脉冲流，所以脉冲丢失基本稳定在15%左右。

但是考虑工程实现中，监视时间以脉冲宽度为度量很难实现，往往仍需要以一个固定的监视时间作为普遍的监视标准。图8为不同监视时间下顺序切换频段和根据脉冲密度切换频段的脉冲丢失概率。可以看出，监视时间越短，两种方法相差越大，随着监视时间的增长，两者的脉冲丢失概率越来越接近。

图8 频段监视时间与脉冲丢失关系Fig.8 Band pulse loss probability vs.monitoring time

通过仿真分析可知，基于脉冲密度分配处理时间的方法在频段监视时间较短的情况下可以很好地减小脉冲丢失概率，这是因为监视时间越短，越接近脉冲的实际宽度，这种情况下减小了非测量频段内的脉冲丢失概率。但是监视时间的增长，与顺序切换频道的方法相差不大，脉冲丢失概率减小得不是很明显，所以基于脉冲密度分配处理时间的方法应用的前提是监视时间必须足够小。同时，由图8可以看出，大约经过100μs左右，脉冲丢失概率发生一次突变，说明仿真条件设置中，整个脉冲流密度的变化周期在100μs左右，这也从另一个方面说明了脉冲密度与脉冲丢失概率之间的关系。

目前随着硬件水平的不断提高，RWR／ESM处理器的监视时间可以做得足够小，达到脉冲宽度量级，即做到监视时间与脉冲宽度同步。那么可以在不增加处理器个数的情况下，最大限度地利用处理器资源，降低脉冲丢失，所以本方法有很好的应用前景。

6 结束语

本文结合典型RWR／ESM测频体制，对测频过程中顺序切换频段引起的脉冲丢失问题进行了理论分析，建立了相应的数学模型，推导出了工程上可行的数学公式，并提出了一种基于频段脉冲密度分配系统资源的改进方法。通过仿真验证了结论，结合仿真结果分析了监视时间和脉冲丢失概率之间的关系。本文可为RWR／ESM的改进提供参考，同时也为新型RWR／ESM提出了一种效能评估手段。

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［9］周东青，王洪迅，王星，等.分频段RWR／ESM脉冲重叠概率分析［J］.电讯技术，2012，52（4）：529－533. ZHOU Dong-qing，WANG Hong-xun，WANG Xing，et al. Pulses overlapping probability analysis of multi-band RWR／ESM receiver［J］.Telecommunication Engineering，2012，52（4）：529－533.（in Chinese）

WANG Xing was born in Dalian，Liaoning Province，in 1965.He is now a professor.His research concerns theory and technology of electronic warfare.

周东青（1988—），男，江苏盐城人，2010年获工学学士学位，现为硕士研究生，主要研究方向为电子对抗理论与技术；

ZHOU Dong-qing was born in Yancheng，Jiangsu Province，in 1988.He received the B.S.degree in 2010.He is now a graduate student.His research concerns theory and technology of electronic warfare.

Email：zhoudq.1988＠163.com

张曦（1979—），男，黑龙江密山人，博士，讲师，主要研究方向为电子对抗干扰理论与应用；

ZHANG Xi was born in Mishan，Heilongjiang Province，in 1979.He is now a lecturer with the Ph.D.degree.His research concerns theory and technology of electronic warfare.

张敬伟（1969—），男，吉林四平人，副教授，主要研究方向为电子对抗干扰理论与应用。

ZHANG Jing-wei was born in Siping，Jilin Province，in 1969. He is now an associate professor.His research concerns theory and technology of electronic warfare.

Effect of Time Division RWR／ESM Processing on Pulse Loss

WANG Xing，ZHOU Dong-qing，ZHANG Xi，ZHANG Jing-wei
（School of Aeronautics and Astronautics Engineering，Air Force Engineering University，Xi′an 710038，China）

With the electromagnetic environments of war-field being so intricate and complex，the high false alarm rate，big missed detection rate and long warning time are big problems faced by the RWR／ESM（Radar Warning Receiver／Electronic Support Measure）receiver.The basic reason is the pulse loss caused by measurement system that leads to the reduce of the intercept of threaten signal.In combination with measurement system this paper analyzes the pulse loss caused by time division，and infers computational formula of the pulse loss probability.On this base，an improved method based on pluse density is proposed to distribute system resource. The pulses loss caused by the two methods are compared according to simulations.The research in this paper provides theoretical reference for developing new RWR／ESM in the future.

RWR／ESM；time division；pulse loss；pluse density

The Defense Key Laboratory Foundation of Electronic Information Control（9140C100S051103）；The Natural Science Foundation of Shaanxi Province（2012JQ 8019）

date：2013－01－05；Revised date：2013－07－15

电子信息控制国防重点实验室基金资肋项目（9140C1005051103）；陕西省自然科学基金资助项目（2012JQ8019）

❋❋通讯作者：zhoudq.1988＠163.comCorresponding author：zhoudq.1988＠163.com

TN97

A

1001－893X（2013）09－1136－06

王星（1965—），男，辽宁大连人，教授，主要研究方向为电子对抗理论与技术；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.09.004

2013－01－05；

2013－07－15