电子侦察设备整机设计与发展趋势探究

2021-11-10于周吉

舰船电子对抗 2021年5期

于周吉

(海军装备部，北京 100036)

0 引言

电子战是现代信息化战争的重要组成部分，对战争的胜负有着决定性的作用。随着认知电子对抗技术的发展以及各国对电子战认识水平的提高，传统的电子对抗装备已经难以满足各国军队日益增长的智能化对抗的需求。而对复杂电磁环境的态势感知是智能化对抗的前提，因此提高无源侦察设备的设计水平成为了下一代电子战的重点与难点[1]。近些年科研人员对各类无源侦察设备均有很多探究：频带方面，从传统的宽带侦察机到数字信道化侦察机；测频方面，从传统的瞬时测频接收机到单比特测频接收机；测向方面，从传统的多波束比幅测向、干涉仪测向到空间谱估计测向；天线方面，从传统的多波束透镜天线到平面螺旋天线再到基于数字波束合成的阵列天线、极化可重构天线等。前辈的探究给我们留下了巨大的财富，本文拟在前人研究的基础上，总结这类侦察体制的优缺点，再从未来作战的角度进行需求分析，给出未来电子侦察设备和技术的发展方向。

1 侦察设备指标内涵与其制约因素

本文认为侦察机传统的核心指标有以下几项：侦察截获概率、灵敏度、参数估计精度、系统反应时间等。除此之外，雷达个体识别、雷达行为识别、威胁信号估计等在近些年也逐渐成为侦察设备备受关注的指标，下面对以上指标的内涵作简要阐述。

1.1 灵敏度与侦察截获概率

灵敏度指标反映了无源侦察设备的探测“威力”，与侦察距离指标成正比。一般来说，侦察设备灵敏度越高，其侦察的距离就越远：视距范围内，灵敏度指标每提升6 dB，同样的，雷达信号探测距离则提高1倍，因此灵敏度指标是无源侦察设备最为关心的核心指标之一。接收机灵敏度公式如下：

Prmin=-114+10lgB+F+σSNRd-G

(1)

式中：Prmin为接收机灵敏度，单位为dBm；B为接收机处理带宽，单位为MHz；F为微波前端噪声系数，单位为dB；σSNRd为检测或处理所需要的最低信噪比，单位为dB；G为侦察设备天线增益。

一般来说，微波前端的噪声系数实现提升的空间不大，因此灵敏度提升主要依靠三大方面：(1)提高侦察设备天线增益；(2)降低接收机所需要的最低信噪比；(3)减少接收机的处理带宽。表1集中体现了侦察截获概率与灵敏度提升的关系。

表1 侦察截获概率与灵敏度提升关系

综上，在一定成本范围内，侦察设备的灵敏度和截获概率是相互制约的。保持相同的截获概率的条件下，侦察设备灵敏度每提高3 dB，便需要提高1倍的成本。因此各国的侦察设备现在一般2类并存：宽带侦察设备和高灵敏度侦察设备。宽带侦察设备意味着高截获概率，体现在频率宽开、空域宽开(方位宽开和俯仰宽开)、瞬时参数估计上；高灵敏度侦察设备则意味着在一定程度上的频率搜索、空域搜索、时间积累，可大大提高设备的探测范围，但截获概率相对较低。

1.2 参数估计精度、系统反应时间

参数估计精度反应的是侦察设备对敌方雷达参数测量的准确程度。传统的参数估计主要包括六大参数：雷达载频、雷达方位、雷达重复周期、雷达脉冲宽度、雷达幅度和雷达极化方式，可以看出这六大参数均为雷达脉间的参数特征，而不包含脉内信息，这些参数主要是提供给干扰设备，用作引导干扰使用。而现在侦察设备的用途大大扩展，是战场态势感知的重要组成部分，因此侦察设备除了对雷达脉间特征进行测量，也需要增加对脉内信息的提取能力，主要包括：雷达调制类型、雷达带宽、脉冲上升沿和下降沿时间等参数的测量，进而利用这些参数进行雷达个体识别、行为识别和威胁估计。

在以上各类参数估计中，大多数参数估计的准确度取决于接收机本身的设计，于目前来讲基本是可以满足作战需求的。而雷达频率测量精度、方位测量精度和脉内信息的估计依旧存在需求与能力之间的矛盾。频率测量精度、脉内信息获取的准确性主要取决于信号的信噪比，也就是说灵敏度高的侦察设备在相同情况下，这些指标会相对较高。因此提高测频精度等指标的方式基本和提高设备灵敏度的方式一致。一般来说精测频和脉内信息并不是针对每个雷达都需要去测量，通常是先初步判定某个信号为高威胁，再开辟专门的侦察资源对该雷达信号进行长时间积累，获得非常高的信噪比后再进行测量，从而达到较好的效果。

传统侦察设备对雷达方位精度的估计方法主要有两大类，即多波束比幅测向和干涉仪测向。多波束比幅测向的准确程度主要取决于天线的波束宽度，一般来说测向精度在波束宽度的五分之一到十分之一之间，随着天线波束宽度的降低而趋向于平稳。因为其误差主要由天线波束宽度的不确定性、天线波束指向的不确定性、微波通路一致性、接收机量化误差等决定，其中部分误差无法彻底避免。从经验来讲，96波束的多波束比幅测向最优的误差在0.7°～0.8°左右，几乎达到了多波束比幅测向的“极限”，再多的波束数量无法获得更多的收益。干涉仪测向体制的侦察机在测向方面一般来讲优于多波束体制的侦察机，其误差主要取决于最长天线间隔和多通道的相位一致性。从经验来讲，干涉仪体制的侦察设备测向精度在0.2°～0.5°之间。

2 传统侦察体制优缺点比较

在雷达侦察设备的研制过程中，综合考虑关键指标、设备成本、体积大小和技术的发展等因素，形成了众多不同体制的侦察设备，它们各有优势和自身的局限性，主要的侦察体制描述如表2所示。

表2 主要侦察体制比较

综上表所述，侦察体制没有最优和最劣之分，是为满足不同应用需求而进行的适应性设计。一般来说性价比较高的组合设计方案有：

(1) 基于透镜天线的多波束比幅测向宽带电子侦察(ESM)接收机+宽带测频接收机组合；

(2) 基于透镜天线的多波束比幅测向窄带数字信道化接收机；

(3) 基于平面螺旋天线的干涉仪测向窄带数字信道化接收机；

(4) 基于相控阵天线的数字波束合成窄带数字信道化接收机；

上述方案(1)和方案(2)在美军侦察设备SLQ-32(V)中一并采用，其可靠性、性价比较高，针对无俯仰测向需求的情况适应性较好。

方案(3)在欧洲多功能舰艇上应用，其成本非常低，又具备方位、俯仰同时测向能力，针对无复杂环境和无高灵敏度侦察需求的电磁环境适应性较好。

方案(4)一般在各国综合射频建设中普遍使用，数字波束合成可使天线的可重构性增强，环境适应性大幅度提升。一般情况下，由于相控阵天线子阵单元众多，最大合成增益也比传统天线高出很多，因此灵敏度极高，适用于超视距无源侦察。但是其成本也是各类侦察设备中最高的且侦察带宽相对较窄。

3 侦察设备整机设计与发展趋势

3.1 侦察设备整机设计

3.1.1 基本思路

任何产品的设计最终都是需求与代价的综合产物：满足需求且代价最低的产品为性价比产品。电子侦察设备的研制也是一样，不同的应用场景和应用环境因其需求不一致，设计的产品也不会相同。因此深入了解侦察设备的使用环境，进行详细的需求分析，是侦察设备的设计前提。

3.1.2 侦察设备需求分析

雷达侦察设备的需求主要分成两大类，第1类是为干扰机提供信息支持；第2类是为态势生成提供保障。这2类需求既有区别又有联系，表3根据侦察设备的基本需求给出了详细阐述。

表3 侦察设备基本需求

由表3可见，在引导干扰机时最重要的需求体现在：反应要快，带宽要宽，覆盖范围要大，瞬时动态范围要大，截获概率要高。其他的需求虽然也需要，但是在满足以上需求的条件制约下尽可能地满足。而态势生成最重要的需求在于智能化的完成对某个雷达尽可能多的特征提取与分析，判断对方的状态、行为意图与威胁等级，为我方情报提供有力的支撑。而对信息产生速度快慢、同时多目标的截获等方面没有太多的需求，尽可能优化即可。

3.1.3 侦察设备整机设计

从上节可知，两大类雷达侦察设备需求并不一致，因此研制重点也不一样，实现手段也不尽相同。如两者都需要侦察灵敏度尽可能提高，对于引导干扰使用的侦察设备而言，因其需要做到反应快、带宽宽、覆盖范围大、瞬时动态范围大、截获概率高，提高灵敏度只能依靠接收前端“拼凑”来实现，常用的手段有：(1)提高天线增益，通过增加天线单元个数来实现全空域的瞬时覆盖；(2)降低每个接收通路的瞬时带宽，通过增加接收机的通路数来实现全频段的瞬时覆盖。对于用作态势生成的侦察设备而言，可通过时间上的积累、缩减接收带宽等手段提高设备的灵敏度，这样可以在满足需求的条件下保证较低的成本，下面分别阐述2类干扰机的具体设计方法：

(1) 引导干扰机的侦察设备设计选择

总的来说，引导干扰机的侦察设备设计要点在前端，主要包括天线的选择、微波接收和接收机测频测向处理算法的选择等。这类侦察设备截获概率较大，因此使用方面较为简单，后端信息处理部分智能化需求不太高，相对来说后端较为容易实现。表4对引导干扰机的侦察设备设计选择进行了具体的阐述。

表4 引导干扰机的侦察设备设计选择

(2) 用作态势生成的侦察设备设计选择

在传统的侦察设计中，一般并没有专门用于态势生成的侦察设备，通常是将其和引导干扰机的侦察设备共用，而这种设计模式已越来越难以满足未来智能化战场的需求。用作态势生成的侦察设备通过牺牲反应时间、接收带宽、空域覆盖范围等特性换取各类侦察效果的全面提升，从而获得更多的情报信息，用作态势生成。由于这类设备截获概率较低，一般需要更合理的流程和高截获概率的侦察设备配合使用，其流程较复杂，需要操作员有较多经验。也因此用户对这类侦察设备的智能化需求较高——需要设备自身能够智能化地发现、跟踪高威胁目标，分析并产生态势。这些需求导致了该侦察设备的设计重点在后端的智能化信息处理、态势生成和侦察资源调度方面，典型的设计框图如图1所示。

图1 侦察态势生成流程框图

3.2 从未来战场谈侦察技术发展趋势

2017年，美国国防高级研究计划局(DARPA)战略技术办公室开始研究并形成一种新形式的战略——马赛克战，关于该战略的描述如下：“这是一种并行、大区域、机器速度的组合作战方式，可以从认知层面碾压线性对手”，“马赛克战通过大量低成本感知单元，动态、灵活、多样化、自适应地组合，按需形成预期效能，在多个域内对敌人实现同时压制，最终克敌制胜”[2-3]。简而言之，该战略有三大特点：低成本、分布式、智能化。很显然这也是未来电子侦察设备的主要研究方向。

将文献[10]中的边坡数据代入所生成的云模型中，并利用公式(2)即可得到该边坡在各个稳定性等级中的确定度，结果如表2所示。同时李秀珍等[12]已给出该34个边坡的CSMR值，根据规范[17]即可确定出其所属的稳定性等级，具体对比情况如表2所示。

低成本表现在硬件构成方面，在此属于对传统侦察体制成本约束的范畴，本文主要理解的低成本是侦察设备在战术指标够用下的高性价比。未来的侦察设备并不是一味追求所有侦察指标最优化设计，更加追求的是在满足战场需求下的最简约侦察体制形态。因此未来低成本侦察设备主要会以以下几种形态出现：

(1) 传统的宽带ESM侦察设备将成为无人平台上态势感知的主要存在形式。

在战场上无人平台本身还是充当排头兵，潜入高威胁地区为后方有人平台提供情报支持并发挥电磁干扰的作用。因此无人平台态势感知的主要目的依旧是将数据回传给有人平台进行统一的态势生成，并受到有人平台的统一配置。传统的宽带侦察设备不仅成本较低，可靠性及截获概率较高，也是为干扰设备提供引导的最佳搭档，因此传统的宽带ESM侦察设备将是无人平台上的最优配置形式。

(2) 基于数字波束合成的高灵敏度侦察设备成为中小型舰艇侦察的主要存在形式。

此类侦察设备首先并不符合传统的低成本特点，因为综合射频系统一般成本都很高。本文认为，未来的中小型舰载综合射频系统将是其用频设备唯一的存在形态，即未来的中小型舰艇上将不再搭载其他用频设备，侦察、干扰、探测、通信、导航等用频设备会共用孔径，形成综合射频系统。通过前段的充分共用，降低电子设备的整体成本，同时提高了设备的可重构能力。因此基于数字波束合成的高灵敏度侦察设备是综合设备中必不可少的子模块，也是未来中小型舰艇侦察的主要存在形式。

(3) 超宽带干涉仪+空间谱估计体制成为大型舰载平台上宽带侦察设备的存在形式。

这个从美军的SLQ-32最新形态上可以预见。未来舰载平台上的侦察设备需要俯仰和方位的双重信息，为导弹引导、干扰引导提供侦察信息。传统的多波束体制很难满足俯仰的测向，因此超宽带数字干涉仪侦察设备替代了宽带多波束侦察设备。然而，干涉仪侦察设备由于天线覆盖范围较宽，容易因多信道叠加出现方位测量异常，特别是海杂波和多径效应带来的干扰无法彻底避免，因此空间谱测向技术应运而生。空间谱测向技术的本质是将空域进行分割，然后进行测向，因而具备解相干的能力，能提高干涉仪体制的侦察设备环境适应性、改善侦察设备的测向精度和灵敏度。

分布式侦察和智能化侦察是传统侦察设备深入研究的方向，这两者既有区别又有一定的联系。分布式侦察相比传统的单平台侦察具有以下优势：可通过组网，实现更广区域的态势感知；通过联合，实现对目标的无源定位；通过频域协同、空域协同等实现窄带侦察设备截获概率的增加。而为了达到更好的协同协作效果，分布式侦察设备一般需要智能化的资源调度与管控去实现。智能化侦察从内涵上讲是一个采取人工智能技术，通过态势感知、数据挖掘、逻辑推理、知识积累、机器学习、资源管控与调度模拟人脑实现对复杂电磁环境的自主感知、分析推理、自主进化、灵活决策、自主协同的侦察装备，因此智能化侦察不仅是分布式侦察资源优化的实现手段，也是未来整个态势生成与侦察资源管控的主要形式。

从以上描述可知，分布式和智能化都是未来侦察设备提高其作战效能的途径，其研究重点在于构建充足的电子对抗知识库、建立知识图谱、研制具备学习能力的信息处理后端。这类侦察设备和传统的侦察设备的研究重点截然不同，应属于设备软实力的研究和能力的拓展。主要有以下几个方向：

(1) 战场态势感知与信息生成研究

20世纪80年代美军国防部提出了JDL模型，将态势感知引入了军事领域。这个模型将态势感知定义为“战场中被观测的实体分布与活动情况和战场环境、知识库的管理过程”，这个过程和智能化装备的“自主感知、分析推理”有着极大的相似之处。或者说，战场态势感知就是智能化战场的前提条件。而信息生成则是利用态势感知的结果形成及时的、准确的、连续的、完整的战场态势图，去支持相应的作战活动。未来的无源侦察设备便是战场态势感知与信息生成的最主要输入之一，利用好无源侦察信息特点，从中挖掘出更多的敌方情报，是侦察设备需要研究的主要内容。

(2) 影响估计与威胁估计知识研究

影响估计便是预测态势对战场的影响，而不利的影响又称为威胁，因此影响估计也称为威胁估计。威胁是敌方意图、能力、时机的综合体。敌方威胁意图包括威胁要素、威胁对象和威胁类型，敌方威胁能力包括目标类别、协同能力、摧毁能力等，威胁时机主要包括威胁行动、遭遇时机、可接近性等。而侦察设备在此主要研究的便是建立雷达信号特征与威胁之间的关系，形成知识图谱，然后通过学习不断地扩展、积累知识，形成完整的威胁分级体制。

(3) 感知资源管控研究

感知资源管理是对战场中可用于感知的侦察资源综合运用筹划的过程，主要是通过对侦察资源选择、控制与配置，达到最优的战场态势感知状态。因此侦察设备在此主要研究的是建立侦察设备个体与整个战场信息融合关系的关联知识，对信息获取和信息融合各级别、各环节上的硬/软资源，通过规划和设置适宜的需求和控制方法，实现战场感知优化。与此同时，收集高价值信息，摒弃低价值信息，避免信息爆炸。