基于半实物仿真的机载雷达辐射策略射频隐身性能评估

王经商 吴 华 史忠亚 王文哲

(空军工程大学航空航天工程学院，西安710038)

射频仿真 电磁兼容技术

基于半实物仿真的机载雷达辐射策略射频隐身性能评估

王经商 吴 华 史忠亚 王文哲

(空军工程大学航空航天工程学院，西安710038)

针对机载雷达辐射策略的射频隐身性能评估问题进行了研究。由于机载雷达面临着敌方有源和无源探测系统的威胁，开展对其辐射策略的射频隐身优劣评估显得非常迫切。鉴于实物仿真存在训练经费高、作战环境不可控以及无法进行多次重复等问题，本文提出了一种射频隐身半实物仿真系统的构建方法，并着重对最大信号不确定性策略的射频隐身性能进行了评估分析。仿真主要以简单的单载频和线性调频信号为主，从载频捷变和驻留周期捷变对辐射策略的射频隐身性能进行了验证。结果表明:多类参数的捷变比单一类参数的捷变射频隐身性能更好，并且增大信号带宽是一种很好的提升战机射频隐身性能的方法。

射频隐身;辐射策略;半实物仿真;性能评估

0 引 言

随着无源探测设备探测能力的发展，原来的以大功率雷达探测为主的空战模式将逐步退出空战舞台，随之而来的是一种射频隐身空战模式和采用“低－零功率”的电磁频谱战模式。目前，实现机载雷达射频隐身的技术手段有:LPI波形设计，射频隐身功率管控，传感器协同等等。由于LPI波形在机载雷达设计好以后就很难改动，而辐射策略的射频隐身优劣则主要依靠飞行员的主观意识，其可操作性强，对于机载雷达射频隐身性能发挥着关键的作用。所以，开展射频隐身辐射策略优劣的研究对提升机载雷达的射频隐身能力具有很大的现实意义。

传统的机载雷达辐射策略基本没有考虑射频隐身的因素，通常采用最大恒定功率发射和固定的参数辐射，考虑的首要因素是完成探测任务。这样很容易受到敌方的干扰甚至是攻击的危险。因此，国内外学者开始从时、频、空、能等多域以及辐射参数优化等方面对机载雷达的射频隐身策略进行了广泛的研究。文献［1］对两种辐射能量控制策略进行了理论推导并给出了最优的辐射控制方案;文献［2］从载波频率角度对射频隐身性能进行了分析;文献［3－4］从空域的角度对机载雷达的射频隐身性能进行了研究;文献［5－8］从搜索阶段的参数入手，给出了射频隐身条件下的参数优化方法;文献［9－10］从驻留时间、子阵划分和发射功率等参数对机载雷达跟踪下的射频隐身性能进行了仿真分析。文献［11］提出从辐射信号和辐射策略两个方面来评价机载雷达的射频隐身性能;文献［12］从敌方截获接收机的角度给出了机载雷达实现射频隐身的方法策略。

鉴于上述文献只是从理论上对辐射策略进行了研究以及实物仿真训练经费高、作战环境不可控、无法多次重复等问题［13］，为了使辐射策略评估更加贴合实际情况，本文提出了构建一种射频隐身半实物仿真系统来开展机载雷达辐射策略的射频隐身性能研究。随着无源探测系统的飞速发展，辐射信号被截获接收机截获是难以避免的，所以，开展最大信号不确定性策略的射频隐身性能研究比最小能量策略的射频隐身辐射优劣研究更具有现实意义。最后，文章着重从载频捷变和驻留周期捷变对载机射频隐身性能的影响进行了研究，仿真结果表明，该策略在简单雷达信号上对提升战机的射频隐身性能效果明显。

1 基本理论

1.1 机载雷达射频辐射风险

(1)敌方无源探测威胁

随机无源探测系统的发展，机载无源探测系统的探测距离为460 Km，地面无源探测系统的作用距离已经达到800 Km且远远大于机载雷达200 Km的作用距离，所以，从探测距离上来看，机载雷达面临着被干扰甚至被攻击的危险;其次，机载雷达为了探测目标，需要主动发射电磁波信号，而无源探测系统不主动发射电磁波，具有作用距离远、隐蔽性好等优势，所以，从信号辐射角度上来说，机载雷达面临着巨大的威胁。机载ESM设备的频率范围为0.5－18GHZ，能够对大部分现役雷达的工作频段进行截获接收，灵敏度在 －60－－80dBm，截获时间1.5－3s，测向精度为2度均方根值［1］。因此，从时域、频域等域同样面临着巨大的辐射风险。

(2)敌方的有源探测威胁

美军新一代战机F22和F35均装备了射频隐身性能良好的机载雷达、通信导航识别等电子设备，并且已经全面掌握了各类机载传感器的自适应控制、射频隐身波形设计等技术。而我国在射频隐身的概念认知方面比较晚，对射频隐身辐射策略管控的使用方面更少，很多飞行员还未意识到其重要性，所以在与性能优于我方的敌机作战中，对于射频隐身辐射策略的了解和掌握不熟将使我方载机平台面临巨大的威胁。

(3)机载雷达射频隐身需求分析

机载雷达实现射频隐身与否是相对于同一时期敌方的截获接收机来说的，所以从截获接收机的最新发展趋势以及最新的时频分析工具反推来看，实现LPI信号射频隐身的关键是实现辐射信号的最大不确定性，参数的捷变性以及接收辐射功率小于截获接收机的门限等。然而，现在的无源探测系统在探测距离、灵敏度等方面均有较大的优势，所以，开展最大信号不确定性策略的射频隐身性能研究将更有意义和价值。

1.2 射频隐身辐射管控策略

现在使用最多的射频隐身辐射策略主要有最小辐射能量策略和最大辐射信号不确定性策略，而最小辐射能量策略又包含最小功率策略和最小驻留时间策略，下面将对其进行具体的介绍。

(1)最小功率策略

最小功率策略 (minimum power strategy，MPS)，这种策略是对截获接收机灵敏度较低的情况，要求机载雷达在探测目标的时候发射的功率始终保持在能完成探测目标任务的同时功率的最小值，并且随着目标的大小以及作用距离的远近，自适应的辐射功率，使得到达截获接收机处的雷达信号功率小于截获接收机的门限，从而实现射频隐身。

(2)最小驻留时间策略

最小驻留时间策略(minimum dwell strategy，MDS)，主要是针对截获接收机灵敏度较高的情况，这时候天线的增益高、质量大、扫描时间长，所以，机载雷达可以采用较高的辐射功率，主要是控制机载雷达的驻留时间，使得驻留时间小于截获接收机的帧时间，从而使得截获接收机无法截获机载雷达信号，最终实现载机平台的射频隐身。

(3)最大信号不确定性策略

该策略要求系统的辐射信号参数不确定性最大，通过信号时域、频域和空域的特殊设计，使信号的发射时刻、工作频率、信号波形及辐射方向具有最大的不确定性，以提高其抗分选识别能力［6］。可以使用的策略有:策略一波形参数的随机性，例如脉冲重复频率、码元率、频率和开机时间等都是随机的，使得敌方的截获接收机不确定或无法预测下一个辐射信号何时出现，怎么出现，截获以后也很难分类识别出来;策略二是发射欺骗和诱骗信号［14］，使得敌方截获接收机误认为雷达信号是“噪声”或者“类噪声”而丢掉，从而达到射频隐身的目的。

2 射频隐身半实物仿真系统

射频隐身半实物仿真系统(下文简称“仿真系统”)主要以硬件和半实物设备为主，主要包括机载AESA、ECM、IFF以及通信等辐射源和机载被动接收雷达、ESM、告警器、地面被动接收雷达等接收机平台。图1所示的各类机载电子设备的外部辐射信号特征以及复杂的电磁环境信号特征主要是通过多功能综合信号模拟器来进行模拟;而无源截获接收机主要采用可编程宽带截获接收机来进行模拟，它能够根据仿真控制平台给出的工作状态及参数设定，模拟截获接收机的工作过程，输出实时截获信号，送到射频隐身反隐身性能分析、评估平台，通过对截获信号序列的识别、关联、定位处理，输出射频对抗特性数据，进行射频隐身反隐身能力评估。仿真系统的组成结构如下图所示:

图1 射频隐身半实物仿真系统组成图

实验验证平台主要是在实验室环境下，以射频注入的方式模拟真实场景下射频信号源和截获接收机信号层面的对抗情况，进行效能评估后形成某特定测试事件或测试任务序列的实验结论。其功能组成可分为多功能综合信号模拟器、可编程宽带截获接收机、信号测试与采集、测试事件编辑与加载、测试结果分析与评估和对抗实验演示六个核心单元，这里就不再赘述。

3 机载雷达辐射策略射频隐身性能评估

3.1 实验仿真想定

为了验证辐射策略的射频隐身性能，本文以某次红蓝对抗进行半实物的仿真实验验证，具体的仿真实验想定如下:

在某次红蓝对抗演习中，红蓝双方各自配备有两架先进战机，都具备有发射机载雷达LPI信号波形和射频辐射管控的能力。红方在想定中执行正常的防空巡逻任务，蓝方作为对抗一方主要执行远距离突袭任务，以此作为研究背景，分析机载雷达辐射策略的射频隐身性能。

3.2 仿真环境的构建

在仿真实验想定制定好以后，验证该想定需要搭建出仿真的实验验证环境。仿真验证实验所需的具体软硬件有:模型及策略数据库单元、射频管控总体单元、可编程宽带截获接收机单元、天线近场测试系统单元、多功能信号模拟器单元、电磁频谱记录测试单元和演示验证系统单元组成，连接关系如下图所示。

图2 设备软硬件之间的连接关系

3.3 仿真设备的对应关系

利用仿真系统还原战场作战态势，需要将仿真系统中用到的半实物仿真设备与实际的作战装备形成对应关系，才能进行理论研究，发现机载射频辐射设备的缺陷、作战使用中的不足，从而寻找解决和弥补问题的方法，并为作战使用中的辐射策略提供使用方法。想定中红蓝双方之间半实物设备与作战装备之间具体的对应关系如下表所示:

表1 红方半实物设备与作战装备对应关系

实验仿真中蓝方的半实物设备与作战装备之间的对应关系如下表所示:

表2 蓝方半实物设备与作战装备对应关系

4 仿真实验

仿真1:信号驻留周期捷变

在该仿真实验中，采用的信号样式为单载频信号，共有9组信号，并且每隔3s辐射出去一次。除了信号的驻留周期发生变化外，其他的参数都保持不变，其中信号的参数设置如下:信号的载频为9595MHz，带宽为10us，脉冲宽度为1us，驻留周期的捷变顺序为:57us、84us、93us、48us、68us、57us、84us、93us和48us。将这些信号“编辑”和“加载”到射频管控数据库中，然后辐射出去，可编程宽带截获接收机的实时截获情况如下图所示:

图3 截获接收机的截获情况

由上图可知，可编程宽带截获接收机能够将信号给截获出来，但是对于参数的识别则出现了问题，脉宽和载频基本识别出来，对于大的驻留周期例如68us、84us和93us能够识别出来，但是对于小的驻留驻留周期如57us和48us则识别不出来。

仿真2:信号频率捷变

在该仿真验证实验中，信号的样式主要是单载频信号。实验中共辐射9组信号，信号每隔2～ 3s辐射出去一次。除了载频不断变化外，信号的其他参数都保持不变，具体参数设置为:带宽为10MHz，驻留周期为50us，脉冲宽度为1us，载频捷变的顺序为:9688MHz、9606MHz、9615MHz、9640MHz、9740MHz、9744MHz、9746MHz、9754MHz和9804MHz。将这些信号通过射频管控数据库及仿真控制软件的“编辑”、“加载”以后，最终辐射出去，通过可编程宽带截获接收机实时的截获情况来验证辐射策略的射频隐身性能。截获接收机的具体截获情况如下图所示:

图4 可编程宽带截获接收机的截获结果

将上图中截获接收机对信号参数的截获情况进行统计分析，具体的数据如下表所示:

由表3可知，对于简单的单载频信号，信号频率捷变策略对于其射频隐身性能影响不是很大，截获接收机能够正常的对其截获，并以很高的识别率对信号的参数进行正确识别。仿真3:信号驻留周期、频率均捷变

表3 单载频信号的截获结果

在该仿真验证实验中，信号的样式主要是单载频信号和线性调频这两种信号。实验中共辐射23组信号，其中，前9个信号为单载频信号，后14个为线性调频信号。单载频信号每隔2～3s辐射出去一次，线性调频信号的辐射间隔为18s。9个单载频信号除了载频不断变化外，其他参数都保持不变，具体参数设置同仿真2的参数设置一致。14个线性调频信号除了载频变化外，其他参数的值保持不变，具体的参数设置为:信号的带宽为10MHz，脉冲宽度为13us，载频的捷变顺序为: 9595MHz、 9607MHz、 9630MHz、 9653MHz、9659MHz、 9676MHz、 9734MHz、 9735MHz、9746MHz、9758MHz、9769MHz、9780MHz、9781MHz和9793MHz。驻留周期的捷变顺序为84us、93us、48us、68us、75us、106us、123us、123us、123us、140us、142us、145us和148us。将这些信号通过射频管控数据库及仿真控制软件的“编辑”、“加载”，最终辐射出去，通过可编程宽带截获接收机实时的截获情况来验证辐射策略的射频隐身性能。将上图中的一连串信号辐射出去以后，截获接收机对该组信号的截获情况如下图所示。

图5 可编程宽带截获接收机的截获结果

图5中的截获结果是对线性调频信号的截获，对前边9个单载频信号的截获结果与仿真2中的结果一致。但是当信号由单载频变化为线性调频时，线性调频信号的前5个信号就没有被截获，截获是从第6个开始的，并且，只能识别出信号的载频，对于信号的脉冲宽度参数识别正确率不高，驻留周期只能识别出，具体的数据分析如下表所示:

图6 截获接收机对LFM信号的截获结果

表4 线性调频信号的截获结果

表5 线性调频信号的截获结果

由表4～表5的数据可知，对于单载频信号若保持信号的其他参数不变，将信号的载频信号进行捷变，那么截获接收机能够将信号实时的截获，并且所有参数都能以很高的识别率进行识别出来。对于线性调频信号，当信号的驻留周期和载频都进行捷变时，脉宽信息能够识别出来，驻留周期参数完全识别不出来，载频参数除前5个读取不出来，其他9个能够以很高的识别正确率读取出来。

为了进一步的对信号捷变的射频隐身性能进行验证，其他的参数保持不变，将信号的带宽统一由10M变化为100M时，对应的截获接收机的实时截获情况如下图所示:

由上图可知，截获接收机对线性调频信号能够截获，但参数是一团乱码，不能对信号的参数进行正确的识别;当将信号的带宽设置为300MHz时，对于线性调频信号已经不能截获。所以，在实际作战中，只有采用LPI信号波形再加上恰当的辐射管控策略，才能将战机的射频隐身性能发挥到最佳水平。

5 结束语

针对机载雷达射频隐身性能评估难的问题，本文构建出一种射频隐身半实物仿真系统，对机载雷达辐射策略的射频隐身性能进行了验证评估。由于最小辐射能量策略在实际作战中不是很奏效，所以，本文主要对最大信号不确定性策略的射频隐身性能进行了研究。仿真中主要对信号频率捷变和驻留周期捷变进行了研究，并给出在实际的作战使用过程中的两点使用建议:1.增大信号的带宽可以有效提升机载雷达的射频隐身性能。2.多类参数的捷变比单一类参数的捷变射频隐身效果更佳。

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Evaluation on RF Stealth Performance of Airborne Radar Radiation Strategy Based on Hardware－in－the－Loop Simulation

Wang Jingshang，Wu Hua，Shi Zhongya，Wang Wenzhe
(Air Force Engineering University，Xi’an 710038)

The issue on RF stealth performance evaluation of airborne radar radiation strategy is studied.Since the airborne radar confronted with threatening of hostile active and passive detecting system，it is very urgent to evaluate RF stealth of radiation strategy good or bad.In view of issues like high training cost in real object simulation，its operational environment cannot be controlled and the training cannot be repeated multiple times，a method of constructing RF stealth hardware－in－the－loop is presented，and RF stealth performance of maximum signal uncertainty strategy is evaluated and analyzed emphatically.The simulation is mainly taking simple single carrier frequency and linear FM signal as dominant to verify RF stealth performance of radiation strategy from carrier frequency agility and wave standing cycle agility.The result shows that RF stealth performance of agility of multi－parameter is much better than that of single parameter，and increasing bandwidth of signal is a good method to improve RF stealth performance of fighters.

RF stealth;radiation strategy;hardware－in－the－loop simulation;performance evaluation

TN97

A

1008-8652(2016)04-086-07

2016-10-02

机载雷达低截获性能评估的关键技术和实验方法研究(20152096019);机载传感器协同探测信息有效性与管理技术(20145596025)

王经商(1990－)，男，硕士研究生。主要研究方向为电子对抗理论与技术。