ELINT／ESM系统与有源对抗技术的发展现状综述

余 强，毕大平，2，沈爱国，2，胡懋洋

（1.电子工程学院，安徽 合肥230037；2.安徽省电子制约技术重点实验室，安徽 合肥230037）

0 引言

雷达对抗侦察作为获取敌方辐射源信息（包括信号参数、调制样式、辐射源载体等）的重要手段，在关键时刻，通过引导干扰源致使敌方失去对电磁频谱的控制权，能起到扭转战局的作用。通常按照任务和用途将雷达对抗侦察分为雷达对抗情报侦察（ELINT）和雷达对抗支援侦察（ESM）［1］。

1 无源侦察系统的现状

二战以后的冷战时期，美苏两个超级大国开始进行全球性质的雷达对抗侦察。随着知识理论体系、计算机技术、微电子技术的飞速发展，雷达对抗侦察领域发生了翻天覆地的变化，形势多样的侦察手段对各国的本土安全形成较大的威胁。

1.1 ESM／ELINT 系统的发展概况

在国际形势风云变换的今天，各军事强国的ESM／ELINT 系统从搭载平台的种类、侦察对象的范围到任务的艰巨程度都在迅速增加。

1.1.1 任务平台的组成及特点

ESM／ELINT 任务设备的搭载平台主要分为潜艇、侦察舰船、陆基、陆航机载、机载、临近空间飞行器和空间飞行器等，其特点为：系统高度集成，瞬时带宽达到上百兆赫兹，适应于高密度信号处理，采取宽带接收机引导窄带接收机工作的体制，其中宽带接收机具有100%截获概率，窄带接收机灵敏度高，可对低截获概率（LPI）雷达进行侦察，而其技术革新趋势则是发展不断扩充的传感器平台、非合作式双基地雷达的被动成像侦察技术、战场情报与态势共享技术。

1.1.2 ESM／ELINT 系统面临的现状

随着科技的日益发展，辐射源的种类不断增加，致使ESM／ELINT 系统的侦察电磁频谱范围由传统的2～18GHz逐渐向两边扩展，尤其是向着高频率端延伸。例如：利用高功率微波束毁坏敌方电子设备和对人员造成杀伤的高功率微波武器［2］，其辐射频率通常在1～30GHz范围内，导致强电磁脉冲成为重点关注的对象。新体制雷达的出现使得ESM／ELINT 系统的侦测能力在很大程度上被削弱，LPI雷达采取较小的时宽-带宽积［3］，以极低的峰值功率探测空间，大幅降低了被侦察设备发现的概率；MIMO 雷达信号采用发射分集的技术［4］，以此实现各通道之间信号的独立特性，对其进行侦察接收，就需要采取不同的发射分集模型来进行雷达信号侦收的预处理；现阶段ESM／ELINT 系统对信号的脉冲描述字（PDW）的测量已经不能满足目前对情报的需求，正在逐渐向实现指纹识别［5-6］、脉内特征参数识别、电磁波极化参数测量方向发展，以谋求更为全面地描述辐射源特征，甚至获取辐射源载体信息、威胁等级等情报。

电磁环境的复杂性也给侦察系统带来了挑战，例如：传统远洋海战环境中通常包括水面舰船、潜艇、飞机等，由于距离陆地较远，几乎不会存在民用的辐射信号，而存在多种高占空比辐射源共存和伴随的近海电磁环境则显得极其复杂，导致传统的ESM／ELINT 系统在近海地区的性能受到了限制。

1.2 ESM／ELINT 系统的技术体制

按照ESM／ELINT 系统对信号的处理流程，将无源侦察技术按照测频技术、测向技术、信号预处理技术、信号主处理技术四个方面进行论述。

1.2.1 接收机测频技术

现代电子战接收机种类繁多，但总的说来尚无一种接收机能满足电子侦察的所有要求。传统的测频接收机已经不能满足复杂的信号环境需求，表1［1］比较了各种接收机的性能特点。

通过表1可知，传统单一体制的测频接收机难以同时满足战时快速截获与精确测定雷达信号参数的双重要求，为了适应瞬时万变的战场电磁环境，需要运用综合法测频思想或者是数字化的方法进行频率测量，比如利用IFM 接收机以及信道化接收机宽开的技术特点，进行频率引导和粗测频，之后则采用具备高灵敏度和频率分辨力的超外差接收机，进行精确测频，这样不仅对辐射源信号的截获概率达到了百分之百，也保证了能够准确地检测信号。

除了采取综合测频体制以外，为了能够截获和处理复杂多变的辐射源信号，目前各国均在大力研制数字信道化接收机，目前的数字侦察接收机具备以下性能：大的瞬时带宽、信号实时接收以及处理、宽的动态范围、高的灵敏度以及频率分辨力、能分辨时域重叠信号。先进的DSP 技术［7］和计算机控制的数字化接收机，可以提高装备适应复杂信号环境的能力，数字信道化接收机的系统结构主要分为四类：第一类是运用多通道思想将多部接收机并联处理，称之为单通道数字化接收机，主要分为：1）中频数字信道化接收机，采用模拟混频器以及滤波器实现信道划分，之后进行采样处理，虽然一定程度地降低了系统对ADC 的要求，但稳定性较差［8］；2）基于DDC 的数字信道化接收机，射频信号进行采样，通过数字混频和滤波实现信道的划分，能充分发挥DC 和DSP 的优点，由于众多子信道相互间独立，故各子信道能根据任务特点进行特殊设计，拥有很高的灵活性，但当需要较高的测频精度而增加子信道数时，则导致硬件资源消耗较大，结构极其复杂，不利于推广。第二类是基于FFT 的数字式信道化接收机，其特性是利用快速傅里叶变换建立频率响应为辛克函数的频域滤波器组，实现频域信道分离技术，但是阻带衰减较低，一般采用STFT 式信道化接收机可以通过时域加窗的方式提高滤波器组性能，这种接收机结构简单，运算速率较高，适用于存在大量子信道的接收机，但不能灵活划分子信道。第三类为基于WOLA 和多相DFT 的数字信道化接收机，以多相滤波结构提升运算效率，与数字下变频滤波器结构相比，硬件资源消耗更小，然而其系统信道的灵活性差，在对未知参数信号进行侦收时，可能导致一个信号同时出现在多个信道，造成模糊，不能够满足对未知参数的辐射源信号［9］的侦察要求。第四类则为具备前三类接收机优点的综合体制类的信道化接收机，具体有基于树型结构的数字信道化接收机、基于PFT／TPFT 的数字信道化接收机、基于非均匀滤波器组的数字信道化接收机。以上接收机采用的均匀或者非均匀划分信道的技术有着一定的局限性，即信道划分的灵活性与精确性是相互矛盾的，最新研究表明利用动态信道划分技术可以通过一定的检测条件和判决门限，对子信道进行合并或分离，达到“智能化”目的。但是由于目前的检测技术和判决算法研究还不够深入，导致动态信道化接收机存在于理论研究的初级阶段。近年来新兴的压缩感知（CS）技术能够以远低于奈奎斯特采样率的速率获取信号的有效信息，完成AD 转换并且精确地重构信号，在极短的时间内覆盖辐射源工作频段范围。

表1 接收机性能比较

1.2.2 测向技术体制

测向技术一般可以分为两大类［1］，如图1所示。

图1 测向技术体制分类

对辐射源测向具有十分重要的意义。现代雷达为提高反侦察能力，雷达信号的参数常常是多变的，而方位参数则是相对固定的，通过对方位的测量，可以对不同雷达发射的脉冲串进行分选，侦察设备可将目标雷达的方位信息用于引导干扰设备实施干扰任务，同时侦察设备可为反辐射导弹提供目标雷达方位粗引导，便于精确打击，表2 给出了常用测向接收机的性能对比情况［10］。

1.2.3 信号预处理技术

信号的预处理主要分为三部分进行：首先对接收机截获的信号进行参数测量等准备工作；其次对信号进行分选，滤除不感兴趣的信号，对“敏感信号”重点把控；最后完成数据的搜集整理工作。其具体工作流程如图2所示［1］。

图2 信号预处理流程图

一般而言，预处理过程中最为关键的是信号分选过程，在此模块中，接收机会根据数据库中预先存储的辐射源文件参数对截获的信号进行比较和分选，将“感兴趣”的信号从信号流中提取出来，如果由于接收机本身的原因（分选准则、算法）而导致威胁等级较高的信号的丢失，那么整个处理过程就属于无效操作，从而可能对人员或者设备的安全造成极大的威胁。所以，此处只对辐射源的分选进行概述，目前的主要分选方法有：1）基于PRI的信号分选，主要包括动态扩展关联法［11］，PRI 直 方 图 法（TOA 差 直 方 图 法、CDIF、SDIF），基于PRI变换分选算法，基于平面变换的分选算法。2）多参数匹配法，其中Wikinson和Waston使用AOA、RF、PW 等参数对处于密集环境中的辐射源信号进行分选，Mardia提出基于CAM 的多维聚类方案，Hassan提出一种自适应开窗联合分选法。3）基于脉内调制特征的信号分选，雷达信号的脉内调制方式可分为脉内有意调制及脉内无意调制［12］。4）基于盲信号处理的信号分选算法，由Herault与Jutten建立了独立分量分析的一般框架，Comon对此加以描述，Bell通过基于ICA 的信息最大化方法加快算法收敛速度，Te-Won Lee 提出新的ICA 信息最大化算法，Amarillo提出自然梯度算法，国内而言，保铮、刘琚及张贤达给出了较为权威的研究［13］。5）聚类分选算法，按照一定相似性度量方法以及相应的评价准则将数据库中的样本归类处理，进一步找出数据集合内在组织结构分析数据内在联系。6）基于神经网络和人工智能技术的信号分选，基于神经网络和人工智能技术的系统在模式识别及分类方面取得了许多卓越成就，它具有解决复杂分类问题的能力，还具有对噪声和其它干扰的不敏感性等优点，因此选择神经网络来解决信号分选所遇到的瓶颈问题也是一个不错的研究方向。

表2 常用测向体制性能比较

1.2.4 信号主处理技术

信号的主处理是整个信号处理最重要的阶段，该阶段主要通过对比数据库中的信号参数完成对辐射源的识别工作，包括对搭载平台和武器系统威胁等级的确定等等，对于数据库中尚未出现的信号进行整理和上报，具体流程如图3所示［1］。

图3 信号主处理流程图

辐射源识别作为整个主处理过程的核心，其原理主要是基于信号的特征提取，传统的PDW 已经无法满足目前的情报需求，人们通过研究发现利用雷达信号的脉内无意调制特征可以反向推理获得晶体振荡器特征、进而确定为以某装备作为平台的雷达，完成对情报获取的最大需求。雷达信号脉内调制特征分析一般通过对采样的信号进行一定的变换，使信号之间的个体特征更为明显，达到区分和识别信号的目的，主要方法有：时域自相关法、调制域分析法、数字中频处理法、时域倒谱法、谱相关法、时频分布和小波变换法，处理非平稳信号十分有效。此外，将Wigner分布用于提取辐射源信号的脉内调制特征能得到很好的效果，Atlas运用算子理论构造类依赖的核函数以TFD 为特征进行识别，获得对辐射源个体进行识别的能力，Ioannis采用TFD 以及WT 提取线性以及双曲线调频信号的脉内调制特征［14］。对于数字调制信号，Liedtkd提出决策论和统计模式识别的方法。

2 有源干扰技术发展现状

2.1 对频域参数测量实施干扰

林志远、戴国宪分析了IFM 接收机的测频原理，根据瞬时测频接收机不能分辨同时达到的信号，提出了采取多个时域重叠信号干扰瞬时测频接收机的方法。王柏杉、杨连洪等人针对瞬时测频接收机无法对单个脉冲内出现的多个载频进行正确测量，提出在脉冲信号前沿产生假载频的方法，使得接收机在采样测频时对假载频进行测量，从而有效保护真实频率。毕大平等［15］提出以步进频率连续波（SFCW）的形式，在时域上完全掩盖己方雷达脉冲信号的到达时间，仿真发现在干信比增加的情况下，测频误差随之增大。对于信道化接收机，针对其特殊的测频体制，可以采用梳状谱干扰技术集中干扰几个频点，使接收机对常规雷达信号的测量“误认为”频率分集雷达信号，达到欺骗性效果［16］。而数字化接收机主要由接收和采样两部分组成，由于其采样体制的先进性，传统的干扰方法很难对其产生影响，对于接收部分，则可以通过增大干扰信号功率与雷达信号功率比值的方法，导致接收部分无法正确检测，达到干扰目的。

2.2 对空域参数测量实施干扰

刘有军定量分析了噪声干扰对信号截获部分（基于N-P准则）以及比幅测向系统（模拟双通道比幅）的干扰效果。另外，分析了发射和被保护雷达信号同步的相干以及非相干信号，对信号截获部分和比幅测向的系统的影响。林志远研究了在现代雷达截获接收机中得到广泛应用的扫描恒差比幅测向系统的原理，推导了两点源电子攻击时，恒差比幅测向的误差公式，并提出把该误差公式作为理论根据，实施对雷达截获系统进行空域电子攻击。部分学者研究了时差定位电子侦察卫星采用的经典互相关时差估计算法，分析讨论了有源干扰对单星和双星实施干扰的两种情况，得出对双星干扰能够引起时差检测的偏移，表明了有源干扰对抗电子侦察的有效性。基于“多径效应”对ESM系统造成虚警影响的思考，还可以采用同步相干干扰信号进行欺骗干扰。采用相似脉冲进行干扰，要求干扰信号与雷达信号有相同的载频和脉冲参数，通过与己方雷达的协同达到同时工作，保证干扰信号和雷达信号同时进入侦察系统，由于雷达信号与干扰信号的相关性，在干扰源与辐射源异地配置的情况下，使采用比幅法的测向接收机对辐射源的地理位置定位在其与干扰源之间的某处，达到欺骗性干扰的目的。赵锐等提出采取两相干点源方式，采用两个在空间上相隔一定距离的干扰辐射源，严格控制两相干干扰信号的功率和相位等参数，使其合成信号在干涉仪接收天线口径处发生相位波前畸变，从而使得干涉仪的角度测量产生较大的虚假误差。

2.3 对信号分选的影响

2006年，林志远、陶本仁根据电子攻击信号脉冲与被保护雷达信号脉冲在重叠时间大小以及先后到达顺序上的不断变化，使合成信号的幅度发生起伏，改变了合成信号的脉冲宽度，掩盖了目标雷达信号的时域参数，达到干扰分选的效果。王智、李建东等人提出将传统的固定重频、抖动重频、参差重频、滑动重频等样式进行复杂化，达到多重频样式影响分选的效果，同时采取线性调频＋频率步进、线性调频＋频率编码、频率编码＋二相编码、线性调频＋二相编码、非线性调频＋二相编码等组合调频方式进行脉内调制复杂化，造成电子侦察系统的识别困难。2011年，张林虎以k 已知条件下的K-means聚类分选算法建立评估随机脉冲干扰效果的评价标准，通过软件仿真，得出影响干扰效果的随机脉冲参数规律。毕大平、张国利针对PRI主分选提出随机脉冲干扰，通过仿真表明，由于受到干扰信号的影响，固定重频信号雷达模值都已经低于检测门限，即使采用修正PRI算法，也无法对目标雷达信号进行正确检测，干扰情况下，原被保护雷达的PRI调制样式不能被正确检测，从而无法进行正确分选。

2.4 干扰效果的评估

毕大平等人［17］选择合适的雷达对抗侦察系统干扰效果评估准则，提取了干扰效果评估指标，依据雷达对抗侦察系统干扰效果综合评估等级不易确定且干扰效果评估指标与各自相应评估等级之间的模糊映射关系，提出了基于集对势和基于集对贴近度的雷达对抗侦察系统干扰效果综合评估模型，在一定程度上填补了这一领域的空白。

3 结束语

本文对ESM／ELINT 系统及其对抗技术进行研究。目前，无源侦察系统中的测频技术、测向技术、信号处理技术均发展得较为成熟，而有源对抗技术以及干扰效果评估技术的发展相对滞后，那么对于干扰方法的研究应当从各种单一体制的接收机技术入手，根据其特有的工作模式，提出有源干扰方案。再通过对各种干扰方案进行提取，找出共性，提出能够对采取综合技术体制的侦察系统造成影响的干扰措施。■

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