辐射源信号指纹信息的电子防护及与个体的分离

石 荣，张 礼，包金晨，陈俊豪

（电子信息控制重点实验室，四川成都 610036）

0 引言

传统意义上的辐射源信号指纹识别，简称为辐射源指纹识别，又称为辐射源个体识别，或特定辐射源识别SEI（Specific Emitter Identification），即从截获的电磁信号中识别出特定辐射源所发射的信号，并能够对同型号辐射源的不同个体进行区分，进而将辐射源个体与所属的运载平台、武器系统、战略战术目标对象等关联起来，为电磁空间作战提供更高层次的情报信息[1-2]。SEI至从20世纪60年代诞生以来，就一直是电子对抗侦察领域中学术界与工业界共同关注的一个重要技术方向，在该方向上不仅公开发表了大量的学术论文[3-6]，而且世界各国也将该技术进行了实际应用[7]。

由于电子对抗不仅包含电子战支援与电子攻击，而且还包含电子防护，所以从广义上讲侦察与反侦察、干扰与抗干扰等都属于电子对抗的研究范畴。随着SEI技术的不断发展进步，如何确保己方的电磁辐射源个体身份的安全，有效防止己方的同型号辐射源信号的指纹信息被对方所利用，这些问题也逐渐成为电子防护领域所关注的重要研究内容。通过检索公开发表的文献可知：截止到目前为止，在电子对抗侦察的SEI技术方向上发表了大量论文，但在辐射源信号指纹信息的电子防护技术方向上的研究工作几乎是一片空白。

针对这一问题，本文以公开发表的SEI文献为研究素材，在对电磁辐射源信号的常见指纹特征提取方法与表征要素简要回顾的基础上，秉承信号特征信息“隐真示假”的思想，提出了基于预失真处理的指纹特征隐藏、按照预设模板的虚假指纹信息主动合成、以及通过主动自加噪进行指纹特征弱化的电子防护方法。在此基础上，分析了电子信息设备硬件模块化、功能软件化和运行智能化所带来的辐射源信号指纹与个体分离的特有现象，指出了构建己方电磁辐射源信号指纹库和管理利用的必要性与紧迫性。

1 辐射源信号指纹特征的提取与表征

从传统理论上讲，辐射源指纹是指辐射源的发射设备硬件所固有的特性，具有难以改变、难以伪造和难以避免等特点，以无意调制的形式附加在主发射信号上的具有上述特点的微弱信号。由此可见，要从截获的辐射源信号中提取出指纹特征，那么该特征需要满足如下几个基本要求：普遍性、唯一性、稳定性、独立性、可测性。在此条件下，才能够通过指纹来区分同型号辐射源的不同个体。根据公开发表的技术文献，常见的辐射源信号指纹特征提取方法与表征要素归纳总结如下：

1）信号包络参数

由于同型发射机之间的微小差异会造成信号时域包络形状发生改变，特别是雷达发射机，体现为脉冲的上升沿、下降沿，脉冲顶部包络波动不同。通过对侦察截获的信号所拟合的信号包络曲线，可以提取出：拟合上升角，拟合下降角，包络曲线面积、持续时间，包络曲线的最大斜率、峰度、峭度、斜度、方差等特征参数。针对特殊辐射源功放的非线性失真，还可以对信号包络曲线实施泰勒级数展开，以进行特征参数的提取。

2）瞬态过程中的特征参数

瞬态一般指电子设备处于开关机、外部激励变化、工作模式切换、工作参数变化等状态。瞬态相对于稳态来讲，更容易凸显同型发射机的差异性。在瞬态过程中幅度、频率、相位都随时间有不同的变化规律，将瞬时幅度、瞬时频率和瞬时相位等测量值进行统计处理之后可得：归一化瞬时幅度、频率、相位的标准差，均值归一化瞬时幅度、相位的标准差，同相数据标准差，正交数据标准差等瞬态特征参数。

3）调制参数

调制参数在数字通信信号中又称为星座图参数，主要用于描述硬件电路的多种非理想特性对调制信号的影响，主要包括：I/Q路的偏移、不平衡度、频率偏移、限幅特性、相位误差、相位抖动、星座图畸变程度等特征参数。

4）频率及频谱变化参数

这类特征主要反映发射链中的信号频谱的无意变化，包括：信号的频率稳定度、DAC数模转换器的频率杂散、上变频器的频率杂散与交调分量等。另一方面，为了体现频谱变化中所携带的无意调制信息，通常采用各种时频分析工具，例如：短时傅里叶变换、小波变换、Wigner-Vile分布、Choi-Williams分布、模糊函数等，进行时频域特征参数的有效提取。

5）各种变换域特征参数

常见的变换域分析工具包括：高阶谱、循环谱、Hilbert谱等。高阶谱是非高斯信号分析的重要工具，常用的是三阶谱，又称为双谱；而循环谱主要用于提取调制信号中的循环平稳特性，在消除平稳噪声与抗干扰等方面比功率谱具有更好的信号特征展现性能；将信号经验模态分解后得到的若干本征模态函数进行希尔伯特变换，其中信号振幅在时间频率平面上的分布即是Hilbert谱。在变换域中来进行信号特征的分析与提取，主要是为了弱化主信号的影响，更能凸显无意附加微弱调制信号的差异性特征。

6）特征的二次加工处理

针对前述所提取出的特征信号或经过预处理之后的信号进行二次加工处理，不仅起到特征空间降维的作用，而且还能够更加凸显各类信号指纹特征的差异性，更有利于后续的分类识别。常用的二次加工处理方法包括：波形骨架提取、分形维数计算、信息熵的估计、奇异值分解、图形切片处理等。

总之，辐射源信号指纹特征提取与表征是SEI中的核心关键环节之一，上述归纳总结的常用方法也是完成SEI任务的典型工具。从电子防护的角度来思考，只要确保己方辐射源所发射的信号在上述信号特征提取与表征过程中难以展现出个体差异，也就阻断了SEI的信息来源，达到了保护辐射源个体身份信息安全的目的。而要实现这一目的就需要电磁辐射源在电磁信号辐射过程中主动“隐真示假”，尽量隐藏反映自己个体身份信息的信号特征，更多展示自己可控的稳定的虚假信号特征，从而使得对方的SEI设备在特征提取环节上的可信度极大地降低，具体的实现方法接下来继续分析。

2 辐射源信号指纹的电子防护

隐藏与伪造辐射源指纹特征，一方面是要减弱同型辐射源之间的个体差异，使得在前一节所展示的各个测量维度中所有同型个体具有的特征看上去都几乎一样；另一方面，针对SEI设备的弱点来构建虚假的个体特征，使其识别发生可控的错误，这也是一种确保安全的有效手段。如果将辐射源指纹识别与人类个体的指纹识别做一个类比，换个角度思考，我们如何才能隐藏与伪造人类个体的指纹特征呢？这涉及到指纹保护与虚假指纹合成技术，该技术思想实际上来源于人类社会，在各类侦探小说与影视作品中，大家经常看到特工人员带上特制的贴膜或手套，一方面该手套可以防止自身的手指指纹被遗留在特定场所；另一方面，该手套上还经过特殊加工刻录有其它另一个人员的手指指纹，当特工行动之后，不仅没有留下自己的指纹信息，却可以留下另一个人员的指纹。虽然上述思想与情节来源于文学作品，但由于保密原因，世界各国在实战中即使使用了该技术也不会自己主动公开示例。从技术原理可行性上讲，这完全可以移植到电磁辐射源指纹信息的主动防护应用之中。

2.1 基于预失真处理的指纹信息隐藏

从电磁辐射源信号指纹形成的整个过程可以看出，信号从DAC数模转换器输出至上变频，直到经过功率放大和天线辐射的整个过程是一个开环过程，最终通过天线所辐射出信号的波形与最初所想要发射的波形之间的差异是没有测量与反馈的，这是众多电磁辐射源对自己所发射的信号中携带有表征自己个体身份特征的信息毫不知情的重要原因所在，同时也是电子对抗中SEI活动能够得以长期开展的重要前提条件。

为了消除上述发射环节中各种硬件所附加的信号波形失真，可采用信号接收采集设备对电磁辐射源从天线辐射出的信号进行采集记录，找到实际发射的信号波形与预设信号波形之间的差异，将该差异反馈到DAC前端的FPGA等信号波形数字合成部件中，采用预失真校正方法弱化甚至消除附加信号的影响，从而实现电磁辐射源信号附加指纹特征的抵消或弱化，如图1所示。

图1 采用外部闭环反馈的预失真校正方法

在图1中通过外部测量构成了一个闭环反馈控制系统，控制变量是预设波形与实际输出波形之间的差异，该差异反馈到输入端的FPGA中对数字合成波形进行预失真处理，从而在一定程度上削弱或抵消DAC、上变频、功放和天线等环节中附加的传输影响，使得最终输出的信号波形与预设波形的差异最小化。

由于在SEI辐射源指纹识别过程中要求有较高的信噪比，以便将包含在主信号中微弱的个体特征有效地提取出来，一旦将图1所示发射链中附加的信号特征弱化到一定水平之后，就使得第三方即使在一定的信噪比条件下仍然无法有效提取出微弱的信号特征，从而保护自身的个体身份信息。

2.2 按照预设模板的虚假指纹信号主动合成

既然通过预失真处理可以使得同型辐射源所辐射的信号之间的特征差异最小化，那么利用上述技术方法也可以使得同型辐射源所辐射的信号之间的特征差异按照预设模板进行生成，从而人为构造出虚假的信号指纹特征。

在此方法中电磁辐射源同样采用如图1所示的闭环反馈的系统架构，将预设的指纹特征参数加载到电磁辐射源的FPGA中，电磁辐射源在合成主信号波形的同时，按照上述控制参数合成具有预设指纹特征的信号波形，并将该波形附加至主信号上一起进行DAC、上变频、功率放大后并经天线对外辐射。然后通过实际波形测量并与预设波形进行比对来完成波形差异的闭环反馈，通过对输入端波形参数的微调来控制最终的天线所辐射的信号与预设信号模板之间的差异最小化。实际上采用如图1所示的系统架构，在指纹特征合成过程中还能够将前述基于预失真处理的原信号指纹隐藏与预设信号指纹特征主动合成二者有机地结合起来，同时达到隐真示假的最终目的。另一方面，如果在实际工程应用中没有外部的波形测量设备的闭环反馈，仅通过开环方式来实现预设信号指纹特征主动合成，这在一定程度上也是可行的，只不过在开环条件下所合成的虚假指纹的逼真度会受到较大影响，示假效果比闭环条件下要弱许多，但在部分实际要求不高的应用场合下还是可以使用的。

关于按照预设模板的虚假指纹信号主动合成的可操作性与实际效果，在此还可以从逻辑学的角度补充论证如下：目前已经公开发表了大量的有关SEI的学术论文，这些论文中较大一部分都不是针对实际的同型辐射源来开展的技术验证试验，而是论文作者自己开展的仿真试验，在仿真过程中大都采用自己构造一些信号指纹特征添加到同一个主信号上，然后作者自己再采用所提出的方法来进行特征提取与个体识别，而且仿真的结论基本上都是效果较好。实际上从逻辑学中的证明方法论来讲，这一过程已经说明辐射源信号指纹是可以通过模板来人工构建的，上述仿真过程中对信号指纹的产生从本质上讲就是一个合成虚假指纹并添加到主信号中的过程。所以这也说明：按照预设模板的虚假指纹信号主动合成工作其实大家早就做过了，只不过大家都没有意识到这一点而已。

2.3 基于主动自加噪的指纹特征弱化

如前所述，由于同一厂家生产的同型号辐射源之间的信号个体特征差异很小，所以在电子对抗侦察的SEI应用中对这些极小差异的特征信号进行有效提取就需要很高的信噪比。为了满足这一要求，电子对抗的侦察方一般都采取了低噪声系数的接收前端、近距离抵近侦察、高增益大口径天线定向侦收等方式。一方面尽可能地提升所截获信号的强度，另一方面尽可能降低接收机的噪声，从而确保尽可能高的信噪比。这样一来，使得侦察接收的主动权大部分掌握在侦察方自己手中。

自从主动自加噪反电子侦察技术提出以来[8]，侦察接收信噪比控制的主动权在一定程度上发生了转换，处于被侦察状态的电磁辐射源可以通过在正常发射的信号中自己主动添加噪声信号的方法来限制任何接收方能够接收到信号的带内信噪比上限。这意味着无论侦察接收方的位置与电磁辐射源之间的距离如何近、无论接收方采用口径多么大的接收天线、也无论接收方采用多么小的噪声系数的接收机，其所能侦察截获到的辐射源信号的信噪比都不会超过辐射源通过主动自加噪之后发射信号时所设置的信噪比。电磁辐射源只要将发射信号的信噪比设置在比较合理的范围，在这一范围内的信噪比小于对方SEI所要求的特征信号提取需要的信噪比下限，同时仍然高于自身应用所要求的信噪比门限值即可。这样做的效果就相当于通过控制发射信号的信噪比，弱化了辐射源信号指纹特征的展现，间接保护了电磁辐射源个体身份信息，使其难以被对方的SEI设备利用与识别。

3 信号指纹与辐射源个体的分离

由前述分析与讨论可知，虽然传统意义上的辐射源指纹难以改变、难以伪造和难以避免，但是并不是一定不可改变、不可伪造和不可避免；而且传统SEI中用于识别辐射源个体的信号指纹特征所具有的普遍性、唯一性、稳定性、独立性和可测性要求也会随着电子技术的发展而改变：普遍性被模糊、唯一性被伪造、稳定性被削减、独立性被混淆、可测性被降低。不仅如此，在未来电子设备的演化过程中，信号指纹与辐射源个体之间也会逐渐失去一一对应关系。如果将辐射源指纹识别与人类个体的指纹识别再做一个类比，换个角度思考，在人类个体的指纹识别中指纹与个体失去对应关系只有发生在个体之间的手部移植等极个别情况；但随着现代电子设备硬件模块化、功能软件化的发展与普及，以及具有认知学习能力的智能化电磁辐射源的出现，辐射源个体也展现出了不同的特点。

3.1 硬件个体与软件个体的不同特点

一个电磁辐射源通常包含硬件与软件2大部分，其功能的正常展现需要在软硬件的相互配合下共同完成。以一部雷达为例，软件部分通常完成发射控制、接收信号处理、数据处理和人机交互等功能，而硬件通常主要包含了中频信号合成与接收处理机、信息处理机、上下变频器、频率合成器、发射机、天线等部件。传统意义上的几部同型雷达的软硬件大体是一样的，SEI设备截获同型雷达所辐射的信号、进行信号指纹特征的提取，然后通过分类识别来区分这几部同型雷达的不同个体，这实际上关注的是辐射源的硬件个体。在这一过程中SEI无法从截获到的信号中寻找到各部同型雷达在软件上的细微差异，实际上在传统意义下的SEI任务也没有这个必要，因为上述几部同型雷达在软件上大体都是一样的，所以在此示例之中，同型辐射源的硬件个体上有差异，而软件个体上无大的差异。

随着具有认知能力的智能化雷达的出现，几部同型号的认知雷达被生产出来之后，虽然出厂时在软硬件上几乎一样，但由于在不同地点与不同环境中部署与使用，于是各部雷达通过自身不同的学习过程所具有的经验与能力的增长也是各不相同的，而这些不同主要体现在软件上的差异。差异性的软件必然在认知雷达的探测行为中有所体现，所以电子情报侦察系统通过对同型号不同认知雷达个体的行为分析来识别软件上的差异，也能达到同型雷达个体识别与区分的目的，而这里的个体就是软件个体。实际上通过行为分析来区分不同的软件个体在网络空间的实体侦察中早就开始应用了，而在电磁空间侦察应用中晚来了一步而已。

由上文可见，随着科技的进步与发展，电磁空间中的辐射源个体会出现细分：一个是硬件个体，另一个是软件个体。传统的SEI技术通过截获分析信号指纹来区分同型辐射源的不同硬件个体；而新兴的电磁辐射源行为分析技术可以用来识别同型辐射源的不同软件个体[9]。随着认知无线电和认知雷达的发展，这种行为上的差异也能够体现个体上的差异，即将行为特征作为个体特征，这在认知无线电与认知雷达等智能化辐射源的个体识别与对抗策略研究中也具有较高的应用价值。

3.2 基于软件互换的辐射源个体身份调换

当前软件无线电的广泛应用使得电子设备硬件通用化、功能软件化的特点表现得淋漓尽致，这在一定程度上将人类社会神话故事中灵魂互换的梦想在电磁空间中变成了现实，即软件无线电设备通过加载不同的软件以形成不同的软件个体。

这一现象将导致电磁辐射源的硬件个体与软件个体之间可以不存在固定的一一对应关系，这一点与人类个体之间是有巨大区别的，因为对于人类来讲，人类个体的肉身与其思想及灵魂之间具有一一对应关系，一个人与另外一个人之间在当前的科技条件下不可能做到思想及灵魂的互换，但对于先进电子设备来讲，它们之间的软件却是可以完全互换的，于是能够通过软件互换来实现辐射源个体身份的调换。以当今普遍使用的民用智能手机为例，2个用户使用了同一型号的手机，只需把SIM卡插入对方的手机，然后重新安装一遍软件就可以做到2个用户之间软件个体身份调换，这对于2个用户来讲没有任何影响，但是对于实施个体身份识别的第三方来讲，就有可能被迷惑住了，因为这2部手机的硬件个体与软件个体发生了对应关系的改变。从SEI识别出的硬件个体与通过行为分析识别出的软件个体之间已经对应不上了。由此可见：辐射源的信号指纹与辐射源个体之间产生了分离，这种分离首先发生在信号指纹与软件个体的分离上，接下来还会发生信号指纹与硬件个体的分离。

3.3 基于硬件模块互换的指纹特征改变

随着近年来电子设备的硬件小型化集成与高度模块化的发展，电子设备的可维修性得到了极大的提升，包括：数字化中频模块、变频器、发射机、天线单元等硬件模块都可以快速更换，这为战场电子设备的故障排查和快速维修创造了条件，与此同时硬件模块的互换与替换也逐渐成为常态。

由于在SEI中电子设备指纹的提取与识别针对的重点是目标对象的硬件所附加在信号波形上的微弱特征，所以一旦同型号设备之间的硬件模块进行互换，将导致设备级指纹特征的改变，甚至是局部信号特征的互换，这就意味着指纹特征稳定性的消失。由于模块的标准化量产，相互之间也定义了标准化的接口，以便于同型号模块的替换。在一个电磁辐射源的发射链路中可以随时对其中的基带模块、中频模块、变频模块、功放模块、天线模块等部件进行更换与对调，在电磁辐射源使用中也可以像搭建积木一样，只要将满足相关性能指标的硬件模块按照标准接口组装起来就能在最短的时间内完成信号发射功能。这样的快速组装所形成的电磁辐射源将不再具有稳定的指纹特征；另一方面，在2个同型号电磁辐射源设备之间随机调换发射链路上的模块，也会使得传统意义上的SEI信号指纹特征发生改变。

由此可见，基于硬件模块互换的方法对于辐射源个体指纹特征的保护具有重要意义，这可以让对方的SEI设备在信号特征提取中无法获得稳定性，除非SEI设备能够将特征与目标辐射源的部件模块对应起来，但是在目前的科技条件下，还没有哪一项技术能够达到此目标。另一方面，基于硬件模块互换的指纹特征改变进一步加剧了辐射源指纹与辐射源个体身份之间的分离。如前所述，不仅辐射源的软件个体可以实现重载，而且辐射源的硬件个体也不再具有稳定性、唯一性与独立性了。

4 己方辐射源信号指纹库构建与管理

构建辐射源信号指纹库是实施辐射源个体识别的基础与前提。传统SEI应用中的辐射源信号指纹库大都只进行对方辐射源信号指纹数据与特征信息的记录、存储、检索、比对等应用，而对己方辐射源信号指纹很少关注。如果将电磁空间与人类社会空间做一个类比，换个角度思考，在人类社会中各个国家为了更好地推进社会与经济的发展，每隔几年就会开展一次人口普查，收集本国人民的基本信息；同样在电磁空间中为了更好地确保和增进电磁信息的安全，也需要对己方各类辐射源进行信号指纹的采集、处理与记录，这也是推进己方辐射源信号指纹电子防护应用的迫切需要。

如前所述，要向对方的SEI辐射源指纹识别系统实施“隐真示假”的电子防护，本文前述的几种技术手段仅仅是一个基础而已，而要将各种隐真示假行动串接起来形成完整闭环的证据链条，从而在行为模式和行动意图上向对方形成高层级的欺骗，这还需要己方电磁辐射源信号指纹库来提供支持。该数据库中不仅记录有己方各类电磁辐射源的指纹信息，还保存有在此基础上加工合成的各种预设的掩护个体身份的电磁信号指纹模板，基于上述数据就能够在指定的时间和指定电磁空间中形成具有一致个体身份特征的虚假电磁目标，从而为达成预定的作战意图服务；另一方面，也能为己方电子辐射源指纹特征的隐真示假、信号指纹特征与辐射源个体身份分离的验证提供测试服务与信息保障。

为了实现上述目标，管理好己方的电磁辐射源信号指纹特征库也同样重要，需要在电磁空间作战的教学、训练、保障与作战支持等方面制定全面的电磁辐射源指纹信息管理流程与条令条例。这不仅有利于电磁空间作战中己方和对方电磁目标个体身份真伪的判别，同时也有利于保护己方电磁辐射源个体身份特征不被对方所利用。另外，对于己方电磁辐射源在发生模块更换与替换，以及软件互换加载时，及时将上述信息反馈到电磁辐射源信号指纹特征库中，从而为利用此特征库实施电子防护提供重要的信息技术保障，这也是在电磁空间中实施电子防御的必然要求。

5 结束语

由于电子对抗天生就是一个矛盾的统一体，电磁辐射源信号的个体指纹识别与指纹信息防护全都是其攻防博弈的重要反映，所以如何确保己方辐射源信号指纹信息的安全，同样是电子对抗中电子防护需要研究的重要内容。在这一研究方向上本文提出了辐射源信号指纹隐真示假的三种电子防护方法，并针对辐射源信号指纹与人类个体指纹之间的特性差异，分析了软硬件模块互换等所带来的辐射源信号指纹与个体身份分离的特有现象，指出了构建己方电磁辐射源信号指纹库的必要性与紧迫性。上述分析与探讨不仅可以推进电子防护中电磁辐射源个体身份信息的安全，增强其反电子侦察能力，而且也能为电子对抗侦察中SEI技术的后续发展提供新的牵引动力，具有重大的前瞻性意义。