机载RWR／ESM信号感知通道中脉冲交叠分析❋

2013-06-27王洪迅王红卫王星王士岩

电讯技术 2013年9期

关键词：辐射源重合频段

王洪迅，王红卫，王星，王士岩

（1.西北工业大学自动化学院，西安710072；2.空军工程大学航空航天工程学院，西安710038）

机载RWR／ESM信号感知通道中脉冲交叠分析❋

王洪迅1，2，❋❋，王红卫2，王星2，王士岩2

（1.西北工业大学自动化学院，西安710072；2.空军工程大学航空航天工程学院，西安710038）

脉冲交叠是影响RWR／ESM系统效能的重要因素之一。针对典型四通道比幅测向体制的RWR／ESM系统中因分频段、分象限形成的多通道信号感知结构，采用仿真方式，对多辐射源信号进入RWR／ESM系统后的脉冲交叠情况进行了统计，发现RWR／ESM信道中脉冲交叠的规律：N（N≥2）脉冲交叠比N－1脉冲交叠基本上低一个数量级；且脉冲交叠对不同辐射源信号序列有不同影响，脉冲交叠同时使得后续的脉冲正确配对比率比较低。

雷达告警；电子支援；信号交叠；脉冲正确配对；信号感知

1 引言

当前的电子战战场环境下，各种雷达辐射源越来越多，信号密度越来越大。综合文献［1－5］可知，20世纪50年代的脉冲密度约0.1 Mpps（Million pulses per second），80年代在北约和华约对峙地区信号密度是0.3～0.5 Mpps，90年代雷达信号密度典型值约为0.5～2 Mpps，21世纪10年代则为1～

10 Mpps。文献［3－6］总结指出脉冲密度约每10年提高一个数量级。随着雷达信号密度的增大，电子侦察系统中信号交叠越来越严重。文献［3－5］研究了高脉冲密度下脉冲交叠的一般性规律，但未区分脉冲交叠类型；文献［7］给出RWR／ESM系统测量部件——瞬时测频（IFM）在大于5 Mpps条件下面临同时到达信号的概率：大于10%（2个）和2%（3个），但对于其他部件，更多脉冲交叠类型情况未做研究。

实际上脉冲交叠可分为二脉冲、三脉冲、四脉冲交叠，甚至更多类型，那么在特定环境下它们各有何种规律，未见有文献涉及。通常RWR／ESM系统的信号处理流程可以分为3个典型环节：感知调理、采集分析、计算处理。信号交叠多发生在第一个环节，它对后续环节进行影响重大。且虽然不同的RWR／ESM系统后续两个环节有所不同，但它们在第一个环节的架构基本相似，故研究该环节中的信号交叠具有普遍意义。所以本文结合典型RWR／ESM系统结构，构建典型信号环境，研究高脉冲密度对RWR／ESM系统信号感知通道的影响。

2 机载RWR／ESM系统概述

当前各种作战飞机平台基本都装备各种RWR／ESM系统，虽然它们各具特点，但是由于设计目的基本相同，因此其系统架构大同小异，信号处理环节基本相似。

2.1 RWR／ESM典型信号处理环节

从RWR／ESM相关设备对雷达信号的处理流程来看，可分为3个主要环节。

第一个环节是信号的感知调理，指的是信号被采集之前的处理过程，所涉及的主要部件是各种接收天线和前端接收机。天线用于感知三维空间的雷达信号，但其所接收的信号动态范围很大，频段很宽，不便于测量，故对信号进行调理（如分频、滤波、检波等）。需要说明的是，在本领域中通常不采用“感知、调理”的说法，而是笼统称为“对信号的采集”；但从当前飞机航电系统整体来看，RWR／ESM只是其传感器之一；而对于传感器，这两个词可更为明确地概括该环节。

第二个环节是信号的参数测量。这个阶段主要是对信号进行测频（信号频段、频点，甚至频谱）、测向（DOA），测量到达时间（TOA）、脉冲宽度（PW）、脉冲幅度（PA）。参数测量结果形成“全脉冲”——脉冲描述字（Pulse Description Word，PDW），更先进的系统还可测量脉冲的其他细微特征。应用不同，参测参数和精度需求不同，对应不同的技术实现方式。

第三个环节是对信号的计算处理。前述PDW信号流送到系统的“计算资源”，通常首先对PDW分选，然后估计识别。某些情况下则需采集整个脉冲参数，以期获取信号细微特征。为了信号处理顺利进行，计算资源需要提供足够的硬件（如缓存容量、总线速度、CPU运算能力）和软件资源。

2.2 RWR／ESM信号感知与调理特点

如上所述，从RWR／ESM系统的第一个环节来看，虽然不同机载RWR／ESM系统部件、型号各不相同，但它们具有如下两个特点。

（1）方位上多天线覆盖。如图1所示，多数RWR／ESM系统采用4天线比幅测向体制，有采用更多天线的，但较少见。该体制结构简单，所用部件少，成本较低。在有精确定位需求的情况下，一般采用干涉仪测向；但干涉仪测向设备复杂，系统部件多，占用空间大，需要引导。

图1 四通道RWR／ESM空域覆盖示意图Fig.1 4-channel RWR／ESM cover in airspace

（2）每天线通道分为多频段。首先，作战应用对RWR／ESM系统频域覆盖有特殊要求，频率低端小于1 GHz，高端可超40 GHz，如此宽的频率覆盖下，若天线作为一个信号通道，将会面临极大的脉冲交叠；其次，作为鉴别威胁的重要指标之一，获取信号的频段特征是必不可少的，也是快速可实现的（几个滤波器即可）；其三，在当前甚至可以预见将来的技术条件下，虽然存在几种精确测频技术如瞬时测频、窄带超外差、数字式等可获得信号载频，但是这些接收机尚无法覆盖这么宽的频段，在应用中都需要频率引导；其四，由于系统成本、体积的限制，信号分路数一般不宜过多，过多系统过于复杂，实现不易。通常每天线按频段进行信号分路，分路数一般为3～5个。

综上所述，RWR／ESM系统的感知与适配资源的具体体现就是分象限、分频段而形成了数量众多的信号感知通道，且这些通道通常都是模拟的，一般不涉及数字电路。虽然某些RWR／ESM中后续两个环节中存在更先进的参数测量、计算资源，但这些资源的有效利用是建立在对各个信号感知通道的有效利用并进行引导的基础之上，故此研究RWR／ESM系统信号感知环节中的信号情况就十分必要。

3 脉冲交叠分析方法与流程

当前，对于信号感知通道的信号检测一般采用如下方式：首先是检波，然后对检波信号过门限检测，从而确定信号的有无。在该环节中，若信号交叠，当前的技术条件下，则交叠信号经过检波、过门限检测后，一般将之当成一个脉冲进行处理。因此在该环节中需着重分析脉冲交叠影响。

对于脉冲交叠的分析一般有3种方法：一是理论分析，着重于分析脉冲交叠中的关键参数，用于事前系统性能估计［3－5］；二是实际测试，该方法需要大量测试设备，虽可得到一时一地的真实，但这种真实一般不具有普遍的指导意义，且耗费巨大；三是计算机仿真，通过构建系统模型，设置典型参数，进行多次仿真，达到了解系统、找到规律的目的。本文着重于后者，故采用计算机仿真方法来分析。

3.1 仿真分析流程

系统仿真分析流程如图2所示，可分为4个主要步骤：多辐射源信号序列生成、按通道进行信号序列归并、通道信号去交叠、信号统计与输出。

图2 仿真示意图Fig.2 Simulation flow

生成多辐射源信号序列是模拟当平台面临多个威胁的情况。仿真中主要关注辐射源3个方面的特性：一是辐射源信号特性，分别是信号的脉冲重复周期和脉宽；二是辐射源的扫描特性，包括辐射源主波瓣宽度、扫描方位区域范围、扫描速度，以及脉冲幅度；三是其平台相对于RWR／ESM的方位。

RWR／ESM系统多采用4天线信号接收，虽然后续信号处理流程中会分频段，但是为了考察RWR／ESM系统的极限性能，仿真中假设这些威胁信号都进入了系统同一频段所对应的4个信号通道。虽然实际情况下许多辐射源信号进入RWR／ESM系统同一频段的状况很少发生，但是这并不意味着该状况完全不存在。

当多个辐射源的信号进入同一频段的4个天线通道中，在数GHz覆盖带宽内，会发生大量的脉冲重叠。简单脉冲重叠如图3所示，分别来自两个辐射源的脉冲i和j，由于器件惰性，脉冲有了上升沿和下降沿，第i个脉冲的到达和结束时间分别是ti－1和ti－2，第j个脉冲的则分别是tj－1和tj－2，若ti－1≤tj－1≤ti－2，那么两个脉冲重合。但由于脉冲有边沿，而且下降沿通常还要更平缓，这样使得脉冲的起始和结束时间难以判别，且两个脉冲的重合还与两个信号电平有关。这意味着虽然进入接收机之前的两个脉冲没有重合，但是进入接收机后检波输出的脉冲仍然可能发生重合，如果存在一个判别两个脉冲不重合的最小间隔时间，那么这个最小间隔时间将不是一个确定的值。

图3 真实脉冲重叠示意图Fig.3 Real pulses overlapping

为简便起见，仿真采用图4形式，从进入四通道雷达告警接收机的信号环境入手，来分析其四通道天线和前端接收机同一频段的接收信号的情况。

图4 仿真脉冲重叠示意图Fig.4 Simulation pulses overlapping

3.2 典型仿真条件设置

假设空间有16部雷达辐射源，现仿真5 s内RWR／ESM系统的信号接收通道的接收情况。仿真是信号级的，对所有脉冲都进行标记，通常一次仿真约5 h，因此是非实时仿真。需要说明的是，本仿真目的是在极限条件下考察RWR／ESM系统信号感知通道中脉冲交叠的影响。

辐射源方位特性如表1所示，它们分别从图1所示的不同区域分别馈入四通道RWR／ESM接收机，¤表示辐射源信号进入对应纵向表头的信号通道，×表示对应辐射源信号不进入对应的信号通道。辐射源信号特性如表2所示。仿真中对各个辐射源的PRI和PW均加抖动噪声，以仿真信号测量特性。

表1 辐射源假设方位特性Table 1 Scenario emitters azimuth

表2 辐射源信号假设主要特征Table 2 Scenario emitters signal main characters

通常雷达在跟踪状态下不扫描，在搜索状态下扫描。在本仿真中假设辐射源1、2进行间断跟踪（用于描述如下过程：通常雷达跟踪某一目标过程中，可能会由于双方机动等原因导致雷达短暂丢失目标；但雷达多数有记忆功能，当其丢失目标后会很快回到记忆位置，重新建立跟踪），其他辐射源则进行扫描。仿真中仅仅考虑了RWR／ESM对厘米波（2～18 GHz）的信号处理情况。

4 仿真结果统计

根据上述需求，采用蒙特卡罗仿真方法进行了大量仿真，从所得结果中发现一点规律，现就其中一次结果进行说明。

4.1 雷达扫描特性

辐射源扫描特性如表3所示，所得试验数据主要受辐射源波瓣宽度和扫描范围、扫描速度的影响。

表3 辐射源扫描特征Table 3 Scenario emitters scan characters

表3中，扫描概率为RWR／ESM接收脉冲数量与雷达辐射脉冲数量之比，它表示的是雷达照射到RWR／ESM系统的概率。在雷达搜索过程中，雷达处于扫描状态，虽然其辐射了大量脉冲，但是对于RWR／ESM系统而言，只有雷达主波束照射到其天线的情况下，才能接收到这些信号，因此这种情况下，雷达的扫描概率是比较低的，这里假设各个辐射源均为之字形扫描。而雷达跟踪过程中，雷达主波束一般情况下多直接照射目标；但实际上会有如前所述的间断跟踪特性，从而导致雷达扫描概率降低。

4.2 多脉冲交叠统计

以进入RWR／ESM系统各个通道的脉冲总数量作为参照，本次仿真中，脉冲重叠情况如表4所示。

其中第一项指标——实际脉冲比率，表示该通道实际接收到的脉冲数量与进入该通道所有脉冲数量的比值。当发生图4所示的脉冲重叠情况时，通常RWR／ESM系统将之识别为一个脉冲信号，从而导致该通道所接收的信号数量减少。

表4 RWR／ESM脉冲信号接收与重合情况Table 4 RWR／ESM signals receiving＆overlapping

第二项指标——重合脉冲比率，表示该通道所有重合脉冲的数量与进入该通道所有脉冲数量的比值。实际上，第一项指标中包含了重叠脉冲，这是因为在仿真中，当脉冲交叠时，这两个脉冲被视为一个实际的接收脉冲，即对应通道接收了一个交叠脉冲（对应第一项指标）；另外一个脉冲则貌似“消失了”，这个脉冲被记为重合脉冲（对应第二项指标）。

第三项指标——非重合脉冲比率，表示该通道内未重合的脉冲数量与进入该通道所有脉冲数量的比值。注意这里的分母，这项指标与后面描述的指标有所不同。

后续各项指标表示了脉冲交叠情况。其中2脉冲重合比率表示两个脉冲重叠数量与进入该通道所有脉冲数量的比值；3脉冲重合比率表示3个脉冲重叠数量与进入该通道所有脉冲数量的比值；以此类推。

4.3 未受污染信号统计

所谓“未受污染”指的是对某一辐射源信号而言，没有任何其他辐射源的信号与之发生任何交叠。表5给出了每一通道内“未受污染”的辐射源信号所占比例。这里比率的分母是以每一辐射源进入系统的信号数量为基准的。

表5 未受污染辐射源信号比例Table 5 Ratios of un-overlapping signals

4.4 辐射源可匹配信号比例

所谓“可匹配”，指的是未受污染信号中，与其他通道信号可以配对进行比幅测向的信号。统计结果如表6所示。，其中匹配比例表示对应辐射源的可匹配信号数量与进入RWR系统的该辐射源脉冲数量的百分比；后续各个通道表示匹配信号数量相对于对应通道中各辐射源“未受污染”信号数量的百分比。如辐射源1的信号分别进入了通道1和通道4，由于这个信号序列在不同的通道中与进入该通道其余辐射源的信号有交叠，进入这两个通道辐射源信号有所不同，因此交叠情况也不同。

表6 辐射源可匹配信号比例相对比值Table 6 Ratios of right matching pulse signals

4.5 各种脉冲密度统计

表7是题设条件下各种脉冲密度的统计，其中第一项为所有辐射源所产生的脉冲密度；第二项为RWR／ESM系统周边的环境脉冲密度；第三到六项为RWR／ESM系统各个信号通道的信号密度；第七项为所有信号通道的信号和密度，最后一项是RWR所能输出的、仿真条件下没有脉冲交叠、可匹配输出的信号密度。

表7 各种脉冲密度统计Table 7 Statistics of pulse-densities

5 仿真分析结论

根据多次仿真结果，可得出如下结论：

（1）多脉冲交叠存在一定的规律性。从数量上进行区分，可分为2脉冲交叠、3脉冲交叠、4脉冲交叠等，以此类推。多脉冲交叠的规律是：N＋1脉冲交叠比N（N≥2）脉冲交叠基本少一个数量级，如3脉冲交叠比2脉冲交叠基本低一个数量级；4脉冲交叠又比3脉冲交叠基本低一个数量级；

（2）若脉冲交叠概率为P，则RWR／ESM系统能检测的脉冲概率为1－P，完全不交叠脉冲的概率约为1－2P。脉冲交叠概率的概念容易混淆，即如何计算脉冲重叠的数量，一种是以进入RWR／ESM系统的脉冲总数量作为基准，一种是从RWR／ESM系统检波输出的脉冲数量作为基准；显然基准不同，所得结果不同，本仿真中采用前者；

（3）由于脉冲交叠的影响，若直接采用相邻RWR／ESM系统信号感知通道进行比幅测向，得到正确结果的比率存在上限。如题设条件下RWR／ESM系统可匹配信号，相对于进入系统的所有脉冲，其百分比约为75.4%。

6 结束语

本文对RWR／ESM系统中信号感知通道的脉冲交叠进行了仿真研究，由于仿真是信号级的，对所有脉冲都进行标记，仿真时间较长，因此仿真忽略了某些因素的影响，在大量仿真的基础上，依然发现了该情况下脉冲交叠的规律。虽然是采用仿真的方式进行的，但是该结果对RWR／ESM在不同环境和工作模式下系统效能的评估有一定的意义。如对于多脉冲交叠结论表明：即使在比较严苛的条件下，2脉冲交叠是脉冲交叠的主要方式；而可匹配脉冲比率则表明在该条件下的结果正确概率。

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WANG Hong-xun was born in Wuqiao，Hebei Province，in 1977.He received the Ph.D.degree in 2006.He is now a lecturer.His research concerns electronic information system.

Email：whxwhxwhx＠126.com

王红卫（1974—），男，河南平顶山人，硕士，副教授，主要研究方向为电子对抗；

WANG Hong-wei was born in Pingdingshan，Henan Province，in 1974.He is now an associate professor with the M.S.degree.His esearch concerns electronic warfare.

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；

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

王士岩（1984—），男，辽宁辽阳人，2007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。

W ANG Shi-yan was born in Liaoyang，Liaoning Province，in 1984. He received the B.S.degree in 2007.He is now a graduate student. His research concerns theory and technology of electronic warfare.

Analysis on Pulses Overlapping of RWR／ESM′s Signal Sensor Channels

WANG Hong-xun1，2，WANG Hong-wei2，WANG Xing2，WANG Shi-yan2
（1.Automation School，Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710072，China；2.School of Aeronautics and Astronautics Engineering，Air Force Engineering University，Xi′an 710038，China）

Pulses overlapping is one of key factors that affect RWR／ESM system.The multi-sensor channels′characteristic of a typical 4-channel-Amplitude-Comparing DF（Direction Finding）RWR／ESM system is studied in circumstance of multi-radiant objects by simulation and statistics.A law of pulses overlapping in RWR／ESM′s multi-sensor channels is found：the ratio of N＋1（N≥2）pulses overlapping is lower in quantitatively level than that of N pulses overlapping；pulses overlapping effects for different pulse streams are different，

and make the ratio of pulses right matching smaller.

RWR；ESM；pulse overlapping；pulse right matching；signal sensor

The National High-tech R＆D Program（863 Program）of China（2010AA80910514C）

date：2013－03－04；Revised date：2013－07－02

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2010AA80910514C）

❋❋通讯作者：whxwhxwhx＠126.comCorresponding author：whxwhxwhx＠126.com

TN972

1001－893X（2013）09－1142－06