基于信息流分析的干扰/抗干扰若干问题讨论
2017-04-07王晓科
李 旻，张 斌，王晓科，魏 欣
(1.上海机电工程研究所，上海 201109；2.上海航天技术研究院,上海 201109)
基于信息流分析的干扰/抗干扰若干问题讨论
李 旻1，张 斌2，王晓科1，魏 欣1
(1.上海机电工程研究所，上海 201109；2.上海航天技术研究院,上海 201109)
通过分析电子对抗过程中信息的传递过程，提出了对干扰和抗干扰措施的信息论定义，给出了一种抗干扰措施性能函数的表述方法，分析了提高干扰效果的技术途径。所提出的观点与现有的电子对抗实践经验是吻合的，但要真正实现量化应用，还需要有大量的试验数据和有效的数学模型来进行技术支撑。
信息量；干扰；抗干扰；性能函数
0 引言
电子设备适应复杂电磁环境的能力日益成为关注的焦点，抗干扰性能指标也从定性阶段提升到了定量阶段。然而，在研究、设计电子设备抗干扰措施时，仍然有一些基础问题亟待解决。例如：为什么可以认为某一项技术措施具有抗干扰能力？如何量化衡量某项技术措施的抗干扰能力？抗干扰措施的量化能力指标与所对抗的干扰样式参数指标之间是否有关系？在复杂多变的电磁干扰环境中，某一项抗干扰措施的抗干扰能力是否始终保持不变？多项抗干扰措施的抗干扰能力如何综合评估？
上述问题看似简单，但要确切地给出回答，目前还比较困难。一是抗干扰试验的数据积累有限，二是理论上对“干扰/抗干扰”对抗过程的本质研究与分析不够深入。因此，目前在设计抗干扰措施、评估抗干扰能力方面，理论支撑还有欠缺。本文试图通过分析“干扰/抗干扰”对抗过程中的信息流，尝试用信息量的变化来定义干扰及抗干扰的一些基本概念，提出了抗干扰措施性能函数的概念，并对其特性进行了一些初步估计。
1 对抗过程中的信息交互关系
干扰/抗干扰是一对矛盾关系，双方的对抗行动目的都是争夺制电磁权，即争夺使己方保持持续利用电磁空间、使对方无法保持持续利用电磁空间的能力。
有别于动能或高能微波等硬杀伤方式，干扰/抗干扰属于软杀伤方式(可以将抗干扰的作战效果看成是对对方干扰的杀伤)，其特点是只破坏对方利用电磁空间进行信息控制的权力，而不是直接破坏对方设备本身。此处所指的信息控制，包含了本方进行探测与跟踪目标、通信、数据传输、导航定位等信息活动，以及阻止对方进行相应信息活动等内容。
对抗双方都是利用电磁空间获取对方信息、传输己方信息，因此，分析研究干扰/抗干扰对抗过程中的信息流动关系，可能会更好地描述干扰/抗干扰的本质特性。
1.1 无干扰情况下的信息流动过程
无干扰情况下的信息流动过程如图1所示。
首先，在信息发送端需要有一个不含调制信息的标准源产生基准信号，如雷达的发射样本信号、通信设备的本振信号。被动侦察设备可以理解为在目标处存在一个宽谱辐射源(包含微波、红外、光学频段)。
然后，经过信息调制，产生目标回波信号、目标主动辐射信号、通信传输信号(含待传送的语音、数据信息)，经过电磁空间的传输，进入电子设备(包括雷达、通信设备、卫星导航设备等)。
电子设备对接收到的信号先进行信号处理，即对接收信号的幅度、频率、相位、极化、到达时间、到达角度等电参数进行测量，判断是否存在关注的目标回波信号、通信传输信号、目标主动辐射信号，再将关注信号与本设备内设的基准信号进行比对，从而提取出目标调制数据或通信传输数据。
电子设备在得到目标调制数据或通信传输数据后，再进行数据处理，即将收到的信息与标准目标参数或通信协议进行比对，得到所需的目标信息或通信内容。例如：雷达在提取出目标调制信息后，还要与目标库内存储的目标特征参数进行比对，若相关成功，才能最终确认目标；通信接收机接收到传输信息后，需要与通信协议进行比对，才能得到需要传输的通信内容。
1.2 有干扰情况下的信息流动过程
有干扰情况下的信息流动过程如图2～3所示。
干扰机在产生干扰信号时，既可以对被干扰信号进行实时侦察，也可以根据对被干扰信号参数的了解程度进行预先设定。因此，从干扰方的视点分析，实施干扰总要知晓被干扰方一定量的信息，信息知晓越多，越有利于提高干扰效率。例如，基于对雷达信号载频的侦察，可以采用窄带压制干扰，其干扰功率谱密度值优于宽带压制干扰；对雷达信号脉内细节进行侦察，就可以采用相参干扰，获得雷达信号处理增益，从而减小干扰机所需的干扰功率。
与无干扰情况下的信息流动过程相比，可以发现：所有的干扰信号都是通过电磁空间这一传输环节，与正常信号一起进入电子设备接收机。因此，所有的干扰措施都可以归纳为在电子设备接收机的输入端增加了多余的信息，使得电子设备接收到的总信息量增加。
在总信息量增加的情况下(见图2、图3)，电子设备的信息处理结果与总信息量增加之前(见图1)的结果相比将可能发生变化。因此，可以根据信息处理结果是否发生变化，给出是否受到干扰的判据：信息处理结果没有发生变化，可定义为电子设备未受到干扰；信息处理结果有变化，可定义为电子设备受到干扰。干扰对电子设备信息处理结果的影响可分为以下两大类：
1)形成压制性干扰效果，影响电子设备的发现环节。干扰的存在，使得电子设备不能发现有用信号的存在，或提取的目标调制信息/通信传输信息无法为后级数据处理所使用。
2)形成欺骗性干扰效果，影响电子设备的识别环节。干扰的存在，使得电子设备无法通过数据处理得到正确的目标信息或通信内容。
1.3 采用抗干扰措施情况下的信息流动过程
在有干扰的情况下，电子设备采用抗干扰措施进行对抗，其信息流动过程如图4所示。
从处理流程上分析，电子设备内部的抗干扰过程可分为：干扰感知、干扰分析、抗干扰措施调用、抗干扰效果评估等环节，可以通过人工或自动方式实现。干扰感知、干扰分析是为启动抗干扰措施做准备，抗干扰效果评估是为选择最优抗干扰措施做准备。从信息论的角度看，可以认为抗干扰措施改变了信息流动回路的模型。
图4中，电子设备中增加了抗干扰措施的信息处理模块，其信息对抗的本质，就是减少由外部干扰引起的多余的信息量。减少信息量的方法有两种类型，即前馈抑制型和反馈抑制型。前馈抑制，是在进行信号处理前即对干扰信息进行了抑制，如超低旁瓣、捷变频等抗干扰措施。反馈抑制，是指发现存在干扰后，采用对抗措施，抑制干扰信息进入下一个信息处理环节，如旁瓣对消、记忆跟踪等抗干扰措施。
电子设备的抗干扰措施也可分为静态抗干扰措施与动态抗干扰措施两大类。
静态抗干扰措施的特点是：无论外部干扰是否存在，抗干扰措施均启动。这类抗干扰措施对干扰信号和正常信号具有同样的处理流程，依靠某种信号处理特性抑制干扰信号，保留正常信号。如：低副瓣天线、脉冲压缩、脉冲参差、捷变频等。
动态抗干扰措施的特点是：依据外部干扰是否存在，决定是否启动抗干扰措施。这类抗干扰措施具有干扰识别和干扰信号分析处理流程，对干扰信号和正常信号具有不一样的处理流程。依靠电子设备的状态变化抑制干扰信号，保留正常信号，常可归纳为反馈抑制型抗干扰措施。如：跟踪干扰源、旁瓣对消、自适应频谱寻凹等。
抗干扰措施对电子设备的信息处理过程的恢复，可分为以下两种情况：
1)恢复电子设备的发现能力。在存在干扰的情况下，使电子设备能继续发现有用信号的存在，或提取的目标调制信息/通信传输信息能够为后级数据处理所使用。
2)恢复电子设备的识别能力。在存在干扰的情况下，使电子设备的数据处理能继续得到正确的目标信息或通信内容。
与无干扰情况下的信息流动过程相比，可以发现：所有的抗干扰措施，都可以归纳为在电子设备内部各信息处理节点减少由干扰源产生的多余信息，使得电子设备所需处理的总信息量减少，努力确保正常信号的信息量不变。
由于抗干扰措施增加了电子设备的复杂度，因此，抗干扰措施也有可能引入额外的信息(类似于在电路中增加功能模块会引入额外的噪声)，在图4中，这一额外引入信息等效到电子设备的输入端，可以理解为使用抗干扰措施所引起的系统信息量增加，其影响实际上等效为某种干扰效果。
从图4中可以看出，抗干扰措施需要结合电子设备的具体软硬件实现方式发挥抗干扰效果，是不能脱离具体的电子设备而独立存在的。因此，与存在独立的电子侦察设备、电子干扰装备不同，不存在独立的电子抗干扰装备。
1.4 用信息量的概念描述信息流动过程
1)无干扰情况下
从图1中可以得知，理想情况下，电子设备自身不产生信息处理误差，在外部无干扰、电子设备无抗干扰措施的条件下，电子设备输入输出端口之间的总信息量变化为：
ΔI=Io-Ii=0
(1)
式中，Ii为输入端口的信息量，Io为输出端口的信息量。
从信息论的观点看，式(1)表达的物理含义是：在外部输入信息量Ii的驱动下，可确保设备正常产生信息量Io，完成工作任务，Ii已经满足设备正常工作所需。因此，达到平衡状态后，设备输入输出端总信息量变化为0。
2)有干扰情况下
在有干扰的情况下，如图2～3所示，电子设备输入输出端口之间的总信息量变化为：
ΔI=Io-(Ii+Ij)=(Io-Ii)-Ij<0
(2)
式中，Ij为干扰源在电子设备输入端口产生的信息量，一般情况下恒为正值。
式(2)表达的物理含义是：由于有干扰信息Ij的存在，电子设备输入输出端总信息量的变化为负值，表明产生了信息丢失，原来无干扰情况下的平衡态被打破，外部正常的输入信息量Ii已不能满足电子设备正常工作所需，因此，电子设备的信息处理能力下降或信息处理结果出现错误。此时，可以判断为：电子设备受到了干扰。
3)有干扰和有抗干扰措施情况下
在有抗干扰措施的情况下，如图4所示，电子设备输入输出端口之间的总信息量变化为：
(3)
式(3)表达的物理含义是：由于有抗干扰措施的存在，抑制了干扰产生的信息量，减弱了信息量的变化。式(3)的结果分3种情况：
① ΔI=0：抗干扰措施正好抑制了干扰产生的多余信息，使得总信息量变化恢复到平衡态，设备恢复正常工作。此时可以判断为：电子设备的抗干扰措施有效果。
② ΔI>0：抗干扰措施强烈抑制了干扰产生的多余信息，使得总信息量变化恢复到平衡态并出现剩余储备，设备除了能正常工作之外，还能承受更大的干扰信息量。此时可以判断为：电子设备的抗干扰措施有效果。
③ ΔI<0：抗干扰措施不能完全抑制干扰产生的多余信息，使得总信息量变化并没有恢复到平衡态。但由于ΔI式(3)>ΔI式(2)，因此，设备在一定程度上能恢复正常工作。此时可以判断为：电子设备的抗干扰措施有一定效果，但不能完全抑制干扰。
1.5 用信息量的概念定义干扰与抗干扰措施
根据上述分析，可以给出一种基于信息量概念的干扰/抗干扰措施定义：
干扰：具有Ij>0特性，且能降低电子设备ΔI的外界信息源。
有效干扰：具有Ij>0特性，且能在电子设备使用抗干扰措施条件下继续使电子设备ΔI<0的外界信息源。
抗干扰措施：具有Icj>0特性，且能提高电子设备ΔI的信息处理措施。
有效抗干扰措施：具有Icj>0特性，且能在电子干扰条件下继续使电子设备保持ΔI≥0能力的信息处理措施。
2 干扰/抗干扰的技术特点
对抗性：通常所说的“没有干扰不了的设备”以及“没有抗不掉的干扰”，实际上是描述了ΔI<0和ΔI≥0的对抗结果。改变Ij和Icj，对抗结果ΔI是可变的。
互耦性：在信息量的变化函数中，干扰产生的多余信息量和抗干扰措施对多余信息量的抑制几乎都是同时出现的，是一对矛盾的两个方面。从式(3)中可以看出，描述电子设备的抗干扰措施是否有效，不仅要考虑抗干扰措施自身的各项指标，还要考虑干扰的影响程度。同理，描述干扰设备所施放的干扰是否起效，不但需要考虑干扰设备自身的各项技术指标，更需要考虑被干扰设备的抗干扰性能指标。也就是说，这一对矛盾体中的任一方，不能完全撇开对方而单独描述自身性能。
对称性：一种适用于抗干扰的技术措施，经过适当改进后，可以成为一种适用于干扰的技术措施，反之亦然。例如：捷变频通常认为是抗干扰措施，此项技术在干扰上的体现，就是DRFM干扰体制。又如：多假目标干扰是一种干扰样式，此技术在电子设备上也可采用，以消耗干扰机的信号处理资源，使之发生饱和而丢失目标，从而转化为一种抗干扰措施。
实现难度不均衡性：由图4可见，实施干扰在本质上是对一个信息处理系统增加额外的信息量，是一个使信息熵增加的过程，可自发进行。而实施抗干扰措施在本质上是减少一个信息处理系统已有的信息量，是一个使信息熵减少的过程，因此，不能自发进行，必须要消耗额外的资源，如增加信号处理硬件设备、设计复杂的抗干扰处理算法等。因此，从这个角度分析，实施干扰要比实现抗干扰措施容易。
3 抗干扰措施性能函数
3.1 抗干扰措施性能函数的概念
电子设备如果仅完成电子信号接收，而不进行信息处理，则没有产生任何有用信息。在这种情况下，实际上无所谓干扰，也就无所谓抗干扰。因此，信息处理(包含信号处理与数据处理)环节是产生电子设备所需有用信息的关键环节。
信息处理的主要功能是发现、识别从外部目标处传递来的信息。在发现阶段，主要是靠信噪比准则区分有无传递信息的存在。在识别阶段，主要是靠目标参数的先验值及检测门限，区分接收到的参数是否为目标信息。
所谓的干扰，就是改变设备的判断结果，包括对目标有无的判断、对目标真假的判断。因此，可以这样认为：1)设备在发现阶段对信噪比准则的依赖，是其受到压制干扰的根本原因。压制干扰的作用是提高噪声基底能量，改变信噪比，破坏发现过程，降低发现概率。2)设备在识别阶段必需的信息外推、信息比对过程，是其受到欺骗干扰的根本原因。欺骗干扰采用虚拟目标参数，使设备改变对目标真实度的判断，降低识别正确率。
电子设备内部设计有多种抗干扰措施。描述抗干扰措施的抗干扰性能，目前暂时很难给出一个统一、定量的方法或结果。
因此，本文提出了描述某一抗干扰措施cj抗干扰性能的函数Fcj(jb,jd)，是以电子设备的发现概率函数与识别概率函数为基础，引入干扰参数变量和抗干扰参数变量而构建的一个归一化函数：
(4)
式中，P(a,jb,cj)为压制干扰参数为jb、抗干扰措施cj条件下电子设备的发现概率；P(a,0,0)为无干扰、无抗干扰措施条件下电子设备的发现概率；P(b,jd,cj)为欺骗干扰参数为jd、抗干扰措施cj条件下电子设备的识别概率；P(b,0,0)为无干扰、无抗干扰措施条件下电子设备的识别概率。
在压制干扰条件下，干扰和抗干扰措施只改变P(a,jb,cj)，而P(b,jd,cj)=1。
在欺骗干扰条件下，干扰和抗干扰措施只改变P(b,jd,cj)，而P(a,jb,cj)=1。
在压制-欺骗复合干扰条件下，干扰和抗干扰措施同时改变P(a,jb,cj)、P(b,jd,cj)。
3.2 对抗干扰措施性能函数的分析
1)理想抗干扰措施的性能函数
理想抗干扰措施的P(a,jb,cj)≡P(a,0,0)，P(b,jd,cj)≡P(b,0,0)，因此：
Fcj(jb,jd)≡1
其函数图像如图5所示。
2)实际抗干扰措施的等效插入损耗
P(a,0,cj) 这样，在无干扰情况下，也有： Fcj(0,0)<1 此时，Fcj(0,0)描述的是启动抗干扰措施cj对电子设备正常工作造成的负面影响，可以理解为抗干扰措施cj对电子设备原有性能的一种损耗。对于不同的抗干扰措施，有不同的等效插入损耗，如图6所示，抗干扰措施1对系统的影响小于抗干扰措施2。 3)实际抗干扰措施的特性曲线 实际抗干扰措施的Fcj(jb,jd)目前尚无法通过理论推导获得，应通过大量的试验测试建立经验模型，再归纳出理论。根据已有的试验经验，该函数应该具有以下特点： ①单个设备的单个抗干扰措施对同一干扰样式的不同干扰强度，抗干扰性能函数具有不同的取值，形成一条非线性曲线。某抗干扰措施的性能函数曲线如图7所示。 ②该非线性曲线可粗分为抗干扰成功、抗干扰比例成功、抗干扰失败区段。 抗干扰成功：无论干扰强度如何变化，抗干扰性能函数值均高于95%。 抗干扰比例成功：抗干扰性能函数值与干扰强度之间成近似线性的关系。 抗干扰失败：无论干扰强度如何变化，抗干扰性能函数值均低于5%。 ③无论多么简单的抗干扰措施，在应对很弱的干扰强度时，总能起到抗干扰效果，处于抗干扰成功区段。 ④无论多么复杂的抗干扰措施，在应对很强的干扰强度时，总是难以完全对抗，处于抗干扰失败区段。 ⑤在特定干扰强度范围，抗干扰能力与干扰强度基本呈负线性关系，可以用公式定量描述。 ⑥抗干扰措施性能函数曲线未必一定是单调下降的曲线，随着干扰强度的变化，抗干扰措施性能函数可能呈现凹口状。在某些干扰强度取值处，抗干扰能力急速下降，处于抗干扰失败区；在另一些干扰强度取值处，抗干扰能力又急速上升，恢复抗干扰成功的状态。干扰强度可能与时间、频率或角度等变量有关。如图8所示。 ⑦单个设备的多个抗干扰措施对同一干扰样式的不同干扰强度，抗干扰性能函数具有不同的取值，分别形成一条非线性曲线，构成一个曲线族。这一曲线族，可作为单个设备选择有效抗干扰措施对抗该干扰样式的设计依据。图9中：抗干扰措施1 具有最小的等效插入损耗，但干扰强度增大后，抗干扰效果比干扰措施2和3要差。抗干扰措施2的抗干扰性能要明显优于抗干扰措施3，但并不表明其工程可实现性也优于抗干扰措施3。 ⑧对同一种干扰样式，不同工作体制的设备有不同的抗干扰性能函数值。这可作为单个设备选择工作体制抗干扰措施对抗该干扰样式的设计依据。图10表明，对某一干扰样式而言，工作体制1具有最好的抗干扰性能。 从前文分析中已得到结论，电子设备的抗干扰性能是干扰参数的函数。根据干扰/抗干扰的互耦性，可以推论出：描述电子干扰设备的干扰性能函数也应是抗干扰措施参数的函数。 式(4)可类推为： (5) 此函数描述了在特定抗干扰措施cj下，压制干扰参数为jb、欺骗干扰参数为jd的干扰样式的干扰性能，因此，Fjb,jd(cj)可定义为“干扰性能函数”。 对压制干扰而言，在有干扰、无抗干扰措施情况下，P(a,jb,0) 这就意味着，一种良好的干扰措施，应该是能有效抑制电子设备抗干扰措施得益的措施。例如，相参信号体制干扰，抑制了电子设备的相参处理增益得益；DRFM、ARFM体制干扰，抑制了电子设备的捷变频、脉冲参数捷变处理得益。 从信息论的角度分析，压制性干扰给电子设备注入了大量的虚假信息，使电子设备的发现概率大为下降。欺骗性干扰让电子设备在误差允许范围内失去识别能力，干扰信号与正常信号的匹配度越高，电子设备越容易受到干扰。从这个意义上讲，目标模拟器就是最好的假目标干扰机。 随着抗干扰技术的发展，电子设备内部具备了干扰感知、干扰分析、抗干扰措施调用、抗干扰效果评估等功能。根据干扰/抗干扰的对称性，一种良好的干扰设备，也应该具备抗干扰措施感知、抗干扰措施分析、干扰样式自适应调用、干扰效果自适应评估的功能。这样，干扰技术才能与抗干扰技术保持均衡的对立统一关系。 干扰与抗干扰措施种类繁多，特性差异很大，因此只有分别完成对其的定量描述和数学建模，才能得到真正的抗干扰措施性能函数的表达式，从而进一步研究多个干扰或多个抗干扰措施的综合效果。本文基于对干扰/抗干扰对抗过程中的信息流动分析，提出了对干扰/抗干扰措施的一种量化定义方法，初步给出了一种抗干扰措施性能函数的表达式，该函数与电子设备性能指标、抗干扰措施技术指标、干扰技术指标之间的关系，还需要进一步进行研究。■ [1] 张春磊，杨小牛. 认知电子战初探[J]. 通信对抗，2013，32(2)：1-4，20. [2] 杨学永，宋国栋，钱轶，等. 现代雷达信号分选跟踪的几种方法[J]. 现代雷达，2014，36(3)：43-48. [3] 徐蔚鸿.模糊智能系统中模糊推理研究[D].南京：南京理工大学，2004. The discussion of several ECM/ECCM problems based on the information flow analysis Li Min1， Zhang Bin2， Wang Xiaoke1， Wei Xin1 (1.Shanghai Institute of Mechanics and Electricity Engineering, Shanghai 201109, China;2. Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China) By the analysis of information transmitting process, the information theory definition of interference and countermeasures is proposed, and the expression method of countermeasures performance function is showed; meanwhile the technological approaches for jamming effect improvement are analyzed. The viewpoints inosculate with the electronic countermeasures practical experience. However, the quantitative application realization needs a large amount of experimental data and effective mathematical models. information content; ECM; ECCM; performance function 2016-11-15；2017-01-12修回。 李旻(1969-)，男，研究员，主要研究方向为信息对抗。 TN97 A4 提高干扰效果的方法
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