高集成小型化电子侦察关键技术研究

邹 顺，王玉山

（华东电子工程研究所，安徽 合肥 230031）

0 引言

在未来“低-零功率”作战体系下，雷达、通信、导航等军用电子设备辐射的能量将不断下降，且各种军用、民用辐射源的数量也在不断增加，这使得传统单装远距离电子侦察系统很难准确截获到敌方信号，也难以将各个辐射源分选开来。因此，迫切需要发展可以集群前出、执行自组网抵近侦察任务的电磁频谱感知装备。其中，具有低成本、低功耗和网络化协同工作能力的高集成小型化电子侦察载荷是达成电磁频谱泛在感知的核心装备。

当前宽带小型电子侦察装备无法有效应对战场上瞬息万变的电磁频谱，存在侦收带宽不够、体积质量功耗（SWaP）大等问题，相关设备的物理实现形态和技术指标已经严重滞后于战场需求，亟需开展宽带高集成小型化电子侦察关键技术研究，提高宽带电子侦察载荷的集成度、截获概率和实时处理能力。

1 作战使用方式研究

1.1 典型作战应用场景分析

高集成小型化宽带电子侦察载荷可直接生成不同类型的电子情报产品，平台适装性强，可广泛应用于集群无人机、小型空飘球以及微纳卫星平台，主要作战应用场景包括集群无人机/空飘球侵入式电子侦察、微纳卫星星座电子侦察、抛洒式分布式隐蔽电子侦察、单兵便携式电子侦察。

集群无人机/空飘球电子侦察作战应用场景如图1 所示，根据电子侦察任务需求，将小型无人机或空飘球通过大飞机平台运到投放地点，在规定的时间投放，集群无人机/空飘球自主运动到任务地点，自组织开展抵近式电子侦察任务。集群内多个侦察节点可以根据任务特点重组为多种侦察型态，包括全波段电磁频谱管控、重点频段控守、多站协同定位等。侦察数据可以存入电子侦察载荷内，若挂载平台具有数传通信能力，也可以将侦察情报实时回传指控站。

图1 集群空飘球侵入式电子侦察应用

高集成小型化宽带电子侦察载荷也可以作为地面隐蔽式侦察设备使用，多个电子侦察载荷可以通过特殊方式提前部署到敌方军事敏感区域或重点军事装备附近，也可以在战时通过大飞机抛洒或炮弹投送的方式部署。部署到位的众多电子侦察载荷平时处于待机状态，必要时接受指令启动工作，相互之间可以自组网协同工作。通常隐蔽式电子侦察系统中包含数传通信节点，各电子侦察载荷工作时侦收到的情报信息可以通过数传通信节点实时回传指控站。如果将宽带电子侦察载荷设计成穿戴式结构形式，同时配备超宽带隐形天线，由单兵携带至不方便部署侦察监听设备的场所，在无形中就可以实现情报收集任务。

高集成小型化、低功耗、多功能、可以网络化协同工作是未来电子侦察装备的主要发展方向，随着宽带隐形天线和微系统集成技术的发展，未来宽带电子侦察载荷还可以进一步减小体积、降低功耗，具备更加广泛的应用场景，达成真正的电磁频谱泛在感知应用。

1.2 典型作战使用方式分析

高集成小型化电子侦察载荷可用于执行电子情报侦察、电子支援侦察以及宽带频谱监测等多种任务。执行电子情报侦察任务时，电子侦察载荷可以采取数字干涉仪侦察或数字阵列侦察2 种模式。作为干涉仪侦察测向系统使用时，如图2 所示，将根据侦察任务需求选择的干涉仪天线阵直接连接电子侦察载荷，多路宽带射频信号经过数字干涉仪测向处理后实时形成电子侦察情报，输出至搭载平台的记录存储或数传通信设备，侦察结果也可以实时存入电子侦察载荷内。作为数字阵列侦察系统使用时，将根据侦察任务需求选择的阵列天线阵直接连接高集成小型化电子侦察载荷，多路宽带射频信号经过数字波束形成（DBF）侦察处理后实时形成电子侦察情报。

图2 干涉仪电子侦察应用

执行电子支援侦察任务时，干扰机二维阵列天线经过子阵合成后形成四路宽带射频信号，送入小型化电子侦察载荷，依次经过宽带数字化接收、数字和差波束形成、侦察信号处理和数据处理，形成干扰决策信息，指引有源干扰设备对威胁目标精确干扰。高集成小型化电子侦察载荷还可以工作在侦察告警模式，经典的四象限侦收天线接入小型化电子侦察载荷，通过四通道比幅接收，形成侦察告警信息，送入平台指挥系统。

高集成小型化电子侦察载荷执行不同的电子侦察任务时，需要接入不同的侦察天线，采用不同的侦察处理流程，形成不同的侦察结果。这就要求在射频接收端可以根据需要配置不同的接收链路，包括工作频段的预选、通道增益的自适应分配、接收带宽的灵活设置等；在数字处理端通过软件配置，采取不同的侦察处理流程，以重构不同的电子侦察任务。

2 小型化电子侦察载荷总体架构设计

通过对典型作战应用场景和作战使用方式进行分析，高集成小型化电子侦察载荷需要在SWaP 受限条件下具有更高的电子侦察效能，主要包括以下几方面能力：

1）多任务：满足电子情报侦察、电子支援侦察以及雷达告警侦察的作战使用要求，具备数字干涉仪侦察、数字阵列侦察、数字和差比幅接收以及全向告警侦察等多种工作模式；

2）多功能：工作频段宽，瞬时带宽大，可以同时侦收雷达、通信、数据链、IFF、塔康等多种电子信号；

3）边缘实时处理：宽带电子侦察载荷接入天线后，单侦察节点即可实时按需生成情报，并将侦察结果和重要的侦察过程数据全部存入载荷内，便于事后分析；

4）支持分布式协同工作：若搭载平台具备数传通信能力，则多侦察节点即刻进入协同侦察模式，实施对重点辐射源协同定位；

5）使用方式灵活：满足小型无人机、空飘球以及微纳卫星平台挂载要求，具有通过大飞机投送、单兵携带等多种部署方式。

小型化电子侦察载荷功能组成如图3 所示，主要由宽带射频接收通道、采集预处理模块和综合数据处理模块3 部分组成。

图3 高集成小型化电子侦察载荷组成

宽带电子侦察载荷工作时，根据任务使命选择不同的侦收天线接入设备。宽带射频接收通道可以接收多路30 MHz～40 GHz 频段范围内的宽带射频信号，对不同波段的射频信号分别经过不同的接收链路后，送入采集预处理模块。在采集预处理模块中首先对多路信号进行高速数字采集，然后对采集的多路数字信号进行实时侦察预处理，这里侦察预处理程序可以根据侦察任务实时重构为干涉仪侦察、DBF 侦察或和差比幅侦察等。采集预处理模块形成的脉冲描述字（PDW）流送入综合数据处理模块，依次进行测向、分选、识别、目标编批等处理，生成电子情报产品。当宽带电子侦察载荷工作在多节点协同侦察模式时，综合数据处理模块还需要与搭载平台进行信息交互，以实现协同定位处理。

3 主要关键技术

3.1 宽带电子侦察载荷的微系统集成技术

微系统具有高集成度、微小型化、低功耗、高可靠性、高效率等优点。微系统技术上的新材料、新方法、新工艺等技术变革必将给电磁频谱战装备的研发和制造带来颠覆性影响，微系统技术是实现电子战装备小型化、研制超宽带多通道电子侦察载荷的重要手段。微系统有三种典型的实现路径，分别是片上系统（SoC）、系统级封装（SiP）和基于封装的系统（SoP），其中SoC 是芯片级的集成，SiP 是封装级的集成，而SoP 是系统级的集成。多功能芯片是SoC，基于封装基板和多功能芯片的高密度集成构成SiP，若干个具有特定功能的SiP 及其他辅助元器件与系统母板集成构成SoP，而SoP 再与系统软件结合最终构成了面向用户的微系统产品。宽带电子侦察载荷可以通过将分立元器件芯片化、多功能模块器件化、多组件系统模块化等多重手段提高集成度，集成路径如图4 所示。

图4 微系统集成示意图

宽带电子侦察载荷集成架构如图5 所示，主体由宽带射频接收SiP、多通道采算一体数字SiP、高算力数据处理SiP 等3 种异构封装器件组成，通过在同一块PCB 板上集成来实现各种电子侦察功能。

图5 宽带电子侦察载荷集成架构

为了实现宽带电子侦察载荷的高集成小型化，需要开展多种形式的微系统集成技术研究，包括多功能专用芯片研制、宽带多通道射频SiP、采存算一体数字SiP、数模混合SoP 集成等。

3.2 低功耗高效率侦察处理架构研究

高集成小型化电子侦察载荷采用数模混合高集成设计，所有的计算资源都集成在一个数字微系统中，与传统的板卡集成方式不同，高集成设计中计算资源和功耗必然有限，需要开展低功耗高效率侦察处理架构研究，解决有限算力下实时信号处理需求。

图6 为一种“频谱稀疏感知+自适应信道化”的电子侦察处理架构，利用信号在频域上的稀疏性，在频谱感知基础上自适应构造带通滤波器进行滤波处理，从而减少信道数量并节省大量FPGA 处理资源。针对频谱稀疏感知需求，研究基于单比特的宽带频谱实时感知技术，处理数据量减少一半，从而FPGA 的资源消耗也降低一半。针对自适应信道化需求，研究基于递归算法的时频滤波器实现信道化滤波技术，利用递归算法实现时频滤波中的傅里叶变换，通过递归算法的“记忆”效应减少信号滤波处理中的重复计算，与FIR 滤波器算法相比所需FPGA 资源更少。

图6 基于频谱感知的信道化处理方案

3.3 动态自组织电子侦察技术

集群自组织电子侦察系统将大量功耗较低、体积较小、质量较轻、价格低廉的小型宽带电子侦察载荷散布于被侦察对象的地域附近，通过网络化协同，实现多个基本电子侦察节点的连通性、互操作性，以分布式协同方式来监视敌方通信链路和雷达系统工作状态。

宽带小型化电子侦察载荷体积小、质量轻，其持续供电困难，在能量不足的情况下默认为失效状态，失效的节点自动退出无线传感网。此外，抵近的侦察载荷同样存在因被摧毁而退网的可能。因此，自组网电子侦察系统的网络形态是动态变化的，需要各侦察节点的空间配置能够时刻保证对重点目标的有效监视。自组网电子侦察系统没有确定的指控中心，网内任何节点都可以作为用于系统控制的网络中心。在无确定的网络中心条件下，自组网电子侦察系统网内各节点如何在统一的指控机构决策下协同工作需要重点研究。

美军“狼群”系统是一种典型的动态自组织系统，它可动态、自主配置网络，同时能根据实际作战需求重新指派任务，其作战应用示意如图7 所示。在攻击目标时，“狼群”系统也可自行建立子网，对关键节点进行干扰、监听乃至赛博入侵。每个“狼”的使用都是非常灵巧，即使某一个“狼”因受损而无法正常工作，也不会大幅削弱整个网络的工作能力。“狼群”系统在完成组网后会从中选出一个节点作为充当通信网关的簇头节点（“头狼”），其余的节点则开始对周围电磁环境进行监测，并通过测量信号到达接收机的时间差或频率差，快速将敌方信号从众多电磁信号中检测出来，然后制定出完成任务的最佳侦察与干扰策略。最后，“头狼”将这些信息上报给更广范围的战场网络。

图7 “狼群”系统作战应用示意图

4 结束语

数模混合微系统集成、低功耗高效率侦察处理架构设计以及动态自组织电子侦察等关键技术的突破，可大大降低宽带多通道侦察接收机的体积、质量和功耗，有效提升装备工作频段、瞬时带宽、动态范围和平台适应性，大幅提升实时处理和多节点协同侦察能力。可应用于小型无人机、空飘球等平台，以及便携式、抛洒式使用方式下的网络化前出式电子侦察装备，有效提升电磁频谱泛在感知能力。