信号侦察在海上预警探测系统中的应用

2014-10-18张建军张云龙

无线电工程 2014年10期

张建军，张云龙

(1.中国人民解放军91404部队，河北秦皇岛 066001;2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

0 引言

近年来，现代航空技术和隐身技术得到飞速发展。海上预警探测中，飞机、舰艇、无人机和导弹等主要目标越来越现代化、小型化和隐身化，加之敌先进干扰技术的综合运用，使得目标环境日趋复杂，极大地影响着情报雷达对目标的探测和跟踪，给有源雷达的搜索、发现和目标识别带来了极大的困难。然而，信息优势是当前军事斗争中克敌制胜的关键因素［1］，为了有效地利用信息，使信号侦察在复杂电磁环境下以及目标隐形化的预警探测中发挥重要的作用，战场的指挥、控制、情报、导航、雷达、遥测遥控、敌我识别和气象等数据信息以及信号都需要进行有效地传输，由此也为信号侦察在预警探测中发挥重要的作用提供了有利条件［2］。研究信号侦察系统在预警探测中的应用，可对海上预警探测网络体系的建设提供技术支持，使海上预警探测体系建设更加完善，有效保障海军舰艇编队的作战应用。

1 海上作战预警探测体系的构成

随着电子信息技术的飞速发展及其在军事系统中的大量应用，使现代海军已有可能对整个海战场敌我态势有全面、即时的了解，对己方部队进行实时的指挥与控制。美国海军提出“网络中心战”［3］的概念，强调战胜敌人的主要因素是能比敌人更快地获得和传递更多的战场信息，即获得信息优势。近年来，各国海军综合利用各种电子信息装备和武器系统，确保自己获取、处理、传输和利用信息，建设自己的军事信息处理系统(简称C4KISR系统)。而预警探测体系通过保障目标源的探测与跟踪成为了C4KISR系统中获取信息优势的关键［4］。预警探测系统是指利用各种基于信息技术的预警手段和方法，预防来自大气层外的空袭，监视对国家安全造成威胁的外国军用航天器等的自动化系统，包括预警探测信息的收集、传递和处理3大环节［5］，主要由雷达、光电和电子侦察等探测装备组成。

雷达是海军舰艇或飞机等作战平台上预警探测体系中必不可少的重要装备，可用于预警监视、目标指示、武器制导与火控以及导航和空中交通管制等。根据用途其主要分为对空警戒雷达、中近程对空对海搜索雷达、舰载相控阵雷达、舰炮火控雷达、舰载导弹制导雷达及机载预警雷达等。

光电红外探测系统是现代舰艇预警探测体系中的重要组成部分，目前舰艇上装备的主要光电设备有光电跟踪仪、激光测距仪和目标指示器、红外跟踪仪、红外警戒系统、潜望镜和潜艇光电桅杆等，主要用于对目标的观察、搜索、捕获、跟踪、识别和测量。在大多数情况下，光电红外探测设备与雷达配合使用，作为互相补充的探测手段。

电子战装备主要包括雷达对抗、通信对抗、光电对抗、水声对抗、导航对抗及引信对抗敌我识别对抗等领域，通常由于使用环境的限制而有各自不同的应用。例如，海战中，舰艇主要面临机载导弹和舰舰导弹的威胁，且舰上空间小，难以安装大量电子战装备，舰载电子战系统主要用于舰艇自身的防御，以干扰导弹的探测系统。故此海军作战舰艇常用舰载电子战装备为雷达对抗装备、光电对抗装备和水声对抗装备。由于电子对抗装备具有一定的电磁探测能力，也成为舰艇预警探测体系中的一个重要组成部分。

2 海上作战预警探测体系面临的主要问题

预警探测系统无论是在战争时期还是在和平时期，都坚持着全天候昼夜值班状态，在尽可能远的警戒距离内，实现对目标的精确定位，参数测定和目标性质识别，为军事指挥系统提供更多的预警时间，以防敌人的突然袭击。优秀的预警探测系统能够做到尽快提供敌方攻击警报，可以应对和防止敌方的战略空袭，这对于战略部队的生存至关重要，预警探测系统的早期预警能力直接影响着战争的走向。

一个多世纪以来，雷达作为主要的探测和信息获取的手段，一直随着应用需求的不断更新和无线电技术的进步得到创新发展，特别是军事应用的需求，极大地推动了雷达技术的不断突破［6］。从防撞、预警、定位到准确探测和目标识别，雷达设计师们一直在试图挖掘隐含在回波中的各种目标信息，随着精确打击的需要，不仅要求雷达能精确定位目标的空间位置，更要求雷达能获取目标的特征，从而为指挥员提供更精确的目标图像，以便进一步采取相应措施应对，这也为预警探测系统提出了更高的要求。

现代战争是由存在于陆、海、空、天等空间的系统构成的大系统所进行的体系与体系之间的对抗，这也预示着预警探测体系将面临各种各样的困难。近年来随着美军隐身飞机频频亮相，隐身技术已为公众所瞩目，成为各国在军事高技术竞争中竞相争夺的一张重要“王牌”。隐身技术是改变武器装备等目标的可探测信息特征，使敌方探测系统不易发现或发现距离缩短的综合性技术。随着隐身理论研究及其应用技术的不断深入和拓展，以及在现代战争探测防御系统飞速发展的推动下，隐身技术正在不断地向各类武器系统渗透。隐身技术的应用，不仅大大提高了军事目标的隐蔽性能，而且增强了武器的突防和攻击能力。隐身己成为武器装备发展的重要特征，也是信息化战争的必然趋势。

隐身武器投入使用后，打破了已形成的攻防平衡态势，给以雷达为核心的预警探测体系带来了巨大的挑战。隐身技术的飞速发展使得雷达小目标如无人机、隐身目标及巡航导弹等，具有散射面积小、机动性和续航能力强、可超低空飞行以及威胁程度高等特点，加之复杂电磁环境及隐身技术常用的突发性通信手段，这使得预警探测体系中对空情报雷达的探测距离大大减小，难以可靠、连续地检测目标，发现难，跟踪难，对预警探测系统造成了巨大威胁，给现代雷达防空系统提出了巨大的挑战，对作战样式和防御系统建设产生了重大影响。因此，必须对预警探测系统进行改进与完善，建立一套行之有效的防空预警探测系统是抗击隐身武器攻击的当务之急。

3 侦察技术在预警探测系统中的应用

信号侦察是通信对抗的基础与前奏，旨在运用灵敏度很高的无线电接收设备，侦听敌方的无线电信号，查明其技术参数(主要是工作频率和发射功率)和信号特征(主要是信号传输体制和调制方式);运用无线电测向设备测定其位置，为对它实施通信干扰和实体摧毁提供依据。由于复杂电磁环境及隐身技术常用的突发性通信手段对于预警探测系统有着较大的影响，而相应的信号侦察技术很好地解决了此问题。

当前体系对抗的需求对通信对抗系统提出了极为复杂苛刻的要求。从侦察效率出发，要求速度快，能够对复杂环境中的各类信号开展高概率截获和侦测;从侦察平台出发，要求达到通用化、模块化、标准化，以适合机载、舰载等多种安装平台要求;从特殊需求出发，要考虑直扩、跳频和猝发信号的侦察;从对网络侦察出发，要考虑复杂的数学运算;从情报侦察和支援侦察出发，对速度、内容要求各有不同;从发展的角度出发，要求具有升级能力，保证对新信号的适应性;从网络中心战和综合一体化的要求出发，要求接口、总线、数据传输协议相互兼容，可以互联互通。信号侦察的主要功能为:

①具有通信信号频谱的全频段或分频段显示功能，能完成对目标信号的实时监视和自动搜索;

②能够依靠人工和自动的手段实现对通信信号调制体制识别，并具有对信号的调制参数(包括调制系数、信号带宽、载频及码速率等)的测量功能，建立辐射源目标特征库;

③能够根据信号的识别结果，实时或离线完成信号的解调，获取情报内涵信息;

④能够对通信信号进行宽带或窄带测向，具有交汇定位功能和目标态势显示功能。

从以上对信号侦察的功能和性能要求的分析可以看出，信号侦察在海上作战预警探测体系建设中可以发挥独到的作用。由于海上作战不同于地面作战，发生在远离陆岸的海区，交战双方的指挥、控制、协同配合和情报传输只能靠唯一的手段——无线电通信来完成。特别是隐身武器为了达到精确的打击目的，必须依靠实时的、连续的通信组织和引导，即便是自身实行无线电静默，也要通过无线电通信实现全程的指挥和控制。因此，充分利用信号侦察探测手段，对敌方通信实施长期和临战相结合的搜索、识别、监视、测试、记录、分析和处理，不仅可以掌握敌方通信系统的组织特点，活动规律和技术性能等，且可对其兵力活动情况实施监视，了解其军事动向，获得大量战略、战役和战术情报，并可根据侦察的通信信号及早获取敌方隐身武器的攻击态势信息，从而弥补预警探测体系的缺陷，这对于控制海上和空中电磁环境及战场主动权有着重要意义。

对于连续的信号侦察检测可以综合考虑频率、带宽和场强等多种信息，得到初步的信号参数列表，在后处理上强化对信号的波形、参数的分析建库和匹配识别能力，通过对电磁背景、民用目标以及低威胁等级目标、状态稳定已知未变的信号进行筛除，净化信号环境，解决信号多的问题;通过对信号波形、信号参数与样本库的匹配识别，在一定程度上实现对目标的识别，其主要检测流程如图1所示。

图1 基于FFT的宽频段内信号检测流程

算法1通过对M帧FFT幅度谱的统计分析，实现对持续信号的检测。检测步骤如下:

①计算每帧数据的FFT，FFT结果取模后输出瞬时幅度谱，FFT点数可设;

②一路瞬时幅度谱送入最大保持模块，计算瞬时最大保持谱;

③一路瞬时幅度谱送入滑动平均模块，输出平均谱，平均次数L可设;

④当达到平均次数后，最小保持模块记录平均谱最小值，输出最小保持平均谱;

⑤瞬时最大保持谱与最小保持平均谱差分运算后输出差分谱，当统计帧数超过M时，累积模块将差分累积谱送至峰值融合信号搜索模块，此时差分累积谱中只存在突发信号;

⑥信号搜索模块基于峰值融合策略完成信号搜索，计算搜索到的每个信号的中心频率、带宽与信噪比;由于是基于差分谱完成的信号搜索，因此，搜索到的信号能量反映的既是信噪比;

⑦每完成一帧数据的计算，帧计数器加1，当统计帧数超过M时，重置帧计数器、最大保持模块与累积模块。

4 侦察技术在预警探测系统中的应用

在复杂电磁环境下，监测频段内信号密集、种类繁多，通联规律不定，持续时间不一，且高速跳频、猝发等新体制通信信号越来越广泛的应用等都给预警探测体系带来了困难。

隐身技术常用的突发性通信通过信息压缩、短时发送来降低被截获的概率，增加截获的难度，而且不易冒充和欺骗。其优点是在窄带带宽下也能发送大量的数据，通信时间短，隐蔽性好。突发信号最显著的特点就是通信时间短，一次通信时间一般在100～600 ms左右，且目前已出现持续时间50 ms的猝发信号，并且信号出现时刻是随机的，如何捕获、分析突发信号一直以来都是通信信号检测工作中的难点，这也直接关系到预警探测体系的性能。宽带内对于突发信号进行检测，流程如图2所示。

图2 突发信号实时检测流程

算法2通过对M帧FFT幅度谱的统计分析，实现对突发信号的检测。具体算法步骤如下:

①计算每帧数据的FFT，FFT结果取模后输出瞬时幅度谱，FFT点数可设;

②一路瞬时幅度谱送入最大保持模块，计算瞬时最大保持谱;

③一路瞬时幅度谱送入滑动平均模块，输出平均谱，平均次数L可设;

④当达到平均次数后，最小保持模块记录平均谱最小值，输出最小保持平均谱;

⑦每完成一帧数据的计算，帧计数器加1，当统计帧数超过M时，重置帧计数器、最大保持模块与累积模块。

5 信号侦察在海战预警系统中的几点建议

现代战争表明，精确制导技术的发展使精确摧毁目标成为可能，但它是以及时发现和跟踪监视目标为前提的，只有对情报进行快速处理，以及对目标进行快速发现与识别，才能做到快速决策、快速反应和有效打击，才能赢得最终的胜利，如果没有强大的预警探测系统，再先进的武器、再强大的作战力量也难以赢得作战胜利［7］。因此，及时、连续高概率的发现低空/隐身目标，是对其进行正确识别和稳定跟踪的前提，继而分配火力，以迅速、准确、突然、猛烈的火力抗击，杀伤目标，从而完成防空任务。

以美国为首的发达国家，纷纷以网络和信息栅格作为信号感知、信号处理、信息传输、信息交换和信息获取的平台，从而保证在网络中心战概念下“从传感器到射手”等先进战略战术思想的实现，因此，在作战实践中通信装备的使用是必不可少的，甚至是使用的更多更全面，这就为通信侦察在海上作战预警探测体系的建设中发挥重要作用提供了可能［8］。

由此提出以下3点建议:

①加强信号侦察系统的建设。尽可能在作战舰艇上配装信号侦察系统，通过预警探测系统的集成改造，把信号侦察融入整个海上预警探测体系之中，发挥信号侦察对敌方攻击武器指挥、控制信号的发现、识别和早期探测的优势，为预警探测系统提供早期预警信息。

②进行多平台信号侦察系统组网应用系统的建设。通过多平台交汇定位功能，可尽早确定敌方攻击武器的位置信息。同时，充分发挥数据链信息系统功能，实现信号侦察系统信息共享，从而扩大海上预警探测范围，缩短海上预警探测时间［9］，为防御武器预警抗击提供宝贵的时间。

③注重通信信号数据库的建设。制定通信信号特征描述规范，研究确定通信信号识别参数，加强平时外军通信信号侦收、储存、识别和分析工作，特别是加强对潜在敌方导弹制导、控制数据链信号的侦察和分析，掌握其信号特征，努力从信号识别向信号指纹识别过渡，从而为战时快速、高效的发现、识别及跟踪敌方攻击武器奠定技术基础［10］。