相控阵技术对电子情报侦察影响研究

摘 要：针对相控阵雷达技术引起的射频信号复杂多变的问题，提出一种基于对雷达射频信号进行动态信号级仿真的雷达侦察数据分析方法。对典型相控阵雷达系统应用的相控阵雷达技术进行了分析,并运用Matlab 7.0仿真工具软件对相控阵雷达射频信号进行了实时信号级仿真，获得了射频信号模型，分析了相控阵技术对电子情报侦察的影响。

关键词：相控阵;电子情报;侦察;雷达射频信号

中图分类号：TN95文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2009)05-042-05

Influences Studying of the Phased Array Technique to Reconnoiter the Electronic Intelligences

WANG Zhigang,WANG Jiantao,YANG Chengzhi

(Aviation University of Air Force,Changchun,130022,China)

Abstract：To investigate the problem of complexity and diversity of the radio frequency signal caused by phased array radar,the analytical method analyzing the reconnoitered data of the radar radio frequency signal on real-time signal simulation is present in this paper.The phased array technique used in typical phased array systems is analyzed.The radar radio frequency signal is simulated by Matlab7.0 on real-time signal model.The model of radio frequency signal is obtained.The influence on reconnoiter of electronic intelligences caused by the phased array technique is analyzed.

Keywords：phased array technique;electronic intelligences;connoiter;radar frequency signal

0 引 言

现代电子技术在军事斗争及武器装备的广泛应用，使得争夺电磁频谱的主动权，即制电磁权，成为现代化信息战争的最明显特征。制电磁权的基础为电子情报的侦察与分析。传统的电子情报处理方法为计算机与专家系统相结合的半自动处理方式，全自动处理的情报虚警率较高。对于相控阵雷达的高变化，伪随机变化射频信号，此种方法速度低、精度差，已经无法满足现代信息化战争对电子情报的需要。利用仿真工具对相控阵雷达进行信号级仿真，能够获得电子情报侦察接收机的实际接收信号模型；能够有效提高电子情报处理的分析速度和精度，尤其相控阵雷达的多变发射的方式、伪随机变化的射频信号发射参数对于电子情报侦察的影响，此方法效果较好。

1 影响电子情报因素分析

1.1 电子情报的意义与内容

广义的电子情报是指从感兴趣的信号截获的信息，其信号为任何非通信辐射信号。狭义的电子情报特指对雷达系统发射的信号进行观测的结果，目的是获得有关雷达的各类信息。文中的电子情报即指后者。电子情报的价值在于能够及时提供有关威胁系统（如引导飞机或导弹飞向目标的雷达）的信息，也能够提供有关防御系统的信息和为电子进攻提供重要的情报。电子情报依据用途可分为两大类：雷达电子侦察情报和电子支援情报。雷达电子侦察情报是指根据侦收到的雷达装备的射频信号经过信号处理和数据处理所获得的雷达装备信息。电子支援情报通常是指地方雷达所处战斗态势和电子攻击样式的情报。

电子情报的生成流程如图1所示。

图1 电子情报生成流程

电子情报的生成可分为五个步骤：

(1) 电子情报接收机对侦收到的雷达射频信号进行测量，获得雷达系统全脉冲数据；

(2) 对雷达系统全脉冲数据进行分选和处理，获得雷达系统辐射源数据；

(3) 对雷达系统辐射源数据进行脉内分析和识别获得基于雷达工作样式的雷达电子侦察情报；

(4) 基于已有的雷达原理信息，利用仿真模型作为工具，对雷达电子侦察情报进行雷达系统内部工作机理研究，以求达到对辐射源进行个体识别的目的；

(5) 应用雷达系统内部工作机理研究获得的雷达战术情报获得电子支援情报；最后，将获得的雷达支援情报直接应用于反辐射打击，电子压制等电子进攻作战，此部分是电子支援情报应用的一个重要部分。

1.2 电子情报侦察方程

文献［1］中指出，在自由空间中，电子情报接收机接收到的雷达发射信号电平可由下式进行描述：

SE=PtGTEGEλ2(4π)2R2ELTLE

其中：SE为电子情报接收机处的信号电平；GTE为电子情报接收机方向上雷达发射天线增益；GE为雷达发射天线方向上的电子情报接收机接收天线增益；RE为从雷达发射天线到电子情报接收机天线的距离；λ为雷达波长；LT为雷达发射机到天线的射频损耗；LE为电子情报接收机从天线到接收机前端的射频损耗。

进行分析可以得出影响电子侦察接收机接收端信号功率的主要因素有：电子情报接收机直接测量的雷达系统全脉冲数据为信号到达时间，信号到达角，信号载频、信号脉宽、信号幅度。文献［2］中指出接收机的最主要参数接收机灵敏度的定义为：接收机及输入端需要的最小信号功率。仅有在接收功率大于灵敏度时接收机才可以截获射频信号。因此，在信号环境、信号调制和侦察系统本身的适应能力等外界条件不变的情况下，从信号本身的角度考虑，测量参数主要取决于电子情报接收机处的信号功率。

1.3 相控阵雷达仿真模型应用于电子情报侦察影响研究

由于相控阵雷达采用能够快速扫描和自适应控制的雷达天线同时配合固态雷达发射技术和软件化雷达技术使得相控阵雷达拥有许多传统雷达不具备的特点，主要有：能够执行多目标搜索、跟踪与多种不同种类雷达作战任务；能够实现雷达系统最优化工作方式管理；能够实现高搜索数据率和跟踪数据率；能够实现空间滤波能力和自适应空时处理能力;能够实现大功率孔径乘积与可变功率孔径乘积；能够实现天线孔径与雷达平台的共形；能够实现低可探测搜索，自适应反干扰接收等多种电子反对抗技术；能够实现雷达、电子对抗和通信设备多种装备的射频系统共用功能。

由于相控阵雷达具有许多传统雷达不具备的特点，因此传统的通用雷达系统已无法满足电子情报侦察的影响研究的需要。基于以上相控阵雷达的各特点，可以得出以下应用于电子情报侦察的影响研究的相控阵雷达仿真模型的具体技术要求：

(1) 仿真模型应为一基于作战效果的自适应仿真系统。

(2) 仿真模型应可以对系统所处状态进行管理与控制。

(3) 仿真模型应具有高搜索数据率和跟踪数据率。

(4) 仿真模型应具有实现空间滤波能力和自适应空时处理能力。

(5) 仿真模型应能够模拟低可探测搜索，自适应反干扰接收等多种电子反对抗技术。

2 应用于电子情报侦察影响研究的相控阵雷达仿真模型

2.1 应用于雷达截获信号的影响研究的相控阵雷达仿真系统

基于电子情报侦察的影响研究的相控阵雷达仿真模型的具体技术要求，重新设计相控阵雷达仿真系统，如图2所示。

图2 相控阵雷达仿真模型基本结构图

对相控阵雷达仿真的目的是获得相控阵雷达自适应变化的射频信号。依据此目的可对相控阵雷达系统进行等效。由雷达反对抗控制系统、发射系统和发射天线系统组成相控阵雷达仿真系统的发射链路。由接收天线系统、接收系统、信号处理系统和数据处理系统构成相控阵雷达仿真模型的接收链路。录取控制系统作为控制系统连接接收与发射系统。由于仿真的目的为获得相控阵雷达的射频信号,因此对于接收链路可以将其等效为对录取、控制系统内雷达工作参数表变化的影响。设仿真开始时，雷达的接收信号为零，按照预设参数发射理想信号。当接收系统接收到目标回波后，则依据回波信号选择最优的发射参数进行发射，依据此方法可以得出相控阵雷达仿真系统的仿真技术重点为相控阵天线线阵和阵列综合技术及发射数字波束形成技术。

2.2 线阵和阵列综合技术的仿真

泰勒线源综合法是一种十分有效的描述理想状态下天线线阵和阵列方向图的方法。更为重要的是经过改进的n参数修正方法能够有效抑制副瓣和约束零点位置。因此n参数泰勒线源综合被广泛应用于相控阵雷达天线的发射波束。

Taylor n参数分布线源综合法能够有效约束波瓣图零点的位置，同时可对副瓣进行有效的抑制。Taylor用sinc(πφ)作为基本函数，通过调整近区零点位置，形成方向图：

F(φ)=sinc(πφ)∏nn=11－φ2(σφn)2〗∏nn=1(1－φ2n2)

式中:φn为方向图的零点位置;当1≤n≤n时,

φn=A2+(n－1/2)2;

当n≥n时,φn=±n;σ为波束扩展因子，此参数的作用在于使前n个旁瓣能平滑过渡到1/U包络,

σ=n/A2+(n－1/2)2;n表示有n个旁瓣受到控制。

2.3 发射数字波束形成技术的仿真

多波束天线具有探测范围大、数据录取率高、覆盖空域大等诸多优点，因此在雷达发射波束中得到了广泛应用。发射数字波束形成是将传统相控阵发射波束形成所需要的幅度加权和移相从射频部分放到数字部分来实现，从而形成发射波束。

空域内一点射频能量为：

E(u)=∑iAiWiFi(u)

式中：Ai为第i个阵元辐射能量;Wi为第i个阵元的权系数;

Fi（u）为第i个阵元的天线图函数。

采用最大输出信噪比准则能够有效抑制天线、馈线系统带来的射频噪声，因此被广泛应用于发射波束控制领域内。最大输出信噪比准则的准则内容为：

设第i个阵元所感应的复振幅为：

xi=sde－j(i－1)βd

式中：βd为所需信号的复振幅，βd=2πdsin θdλ。

加权输出为：

ys=∑Mi=1Wisde－j(i－1)βd=MsdWHa(θd)

W=［W1,W2,…,WM］T

a(θd)=1M［1,e－jβd,…,e－j(M－1)βd］T

阵列输出的信号功率为:

pt=MSd2WHa(θd)aH(θd)W

2.4 相控阵雷达系能量管理技术的仿真

相控阵雷达由于其全系统均可实现捷变，以此必须利用反馈和最优化技术对雷达工作状态进行管理选择最有效的工作方式。对相控阵雷达发射的能量进行管理，能够使发射能量达到最大利用率。

传统雷达的扫描方式为一定角度内的均匀扫描和对某一批目标的连续跟踪,无法解决瞬时探测范围与跟踪精度之间的矛盾，而相控阵技术能够有效解决此矛盾。相控阵技术采用数字形成多波束的方法获得最大的能量利用。设雷达天线在扫描时,每个波束位置要驻留N个脉冲,则单位仰角波束内的辐射能量密度为：

dEdφ=NEφV=N(Ptτ)φV

式中:φV为仰角波束宽度。

立体空域里的总能量为：

E=2πθHEr=(ptτ)NGmax1.45Rnmax∫φmaxφminRn(φ)dφ

当n=0时,为等能量分布，所用能量最大：

E0=(ptτ)NGmax(φmax－φmin)1.45

能量管理的原则如下：

以指定空域为约束条件使得能量节约因子最大。经分析可以得出制约能量节约因子的参数包括：天线增益、仰角功率、波束驻留时间。

3 相控阵技术对雷达截获信号的影响分析

3.1 空间某点雷达截获信号射频模型

由于线性调频信号能够有效解决距离分辨率和多普勒分辨率两者兼顾的问题，因此相控阵雷达的发射信号多采用线性调频信号，本文中也采用线性调频信号作为仿真模型信号。线性调频信号可用下式进行表示：

s(t)=A0exp［j2π(fc+bt)t］， 0≤t≤τ

0，其他

对相控阵雷达的射频信号进行仿真,仿真结果如图3~图11所示。

图3~图9中横坐标为时间（μs）；纵坐标为归一化处理后的信号幅度（V）。

图10~图11中横坐标为天线方向与正北方向夹角的正弦值；纵坐标为归一化后的天线功率谱。

图3 普通射频信号：载频1 250 MHz，脉冲重复周期4 000 μs，

脉冲宽度1 100 μs

图4 由1,2,3,4号脉冲组成的多脉冲射频信号

图5 1号脉冲:载频1 215 MHz，脉冲重复周期4 000 μs,

脉冲宽度400 μs

图6 2号脉冲:载频1 300 MHz，脉冲重复周期4 000 μs,

脉冲宽度400 μs

图7 3号脉冲:载频1 325 MHz，脉冲重复周期4 000 μs，

脉冲宽度400 μs

图8 4号脉冲:载频1 400 MHz，脉冲重复周期4 000 μs，

脉冲宽度400 μs

3.2 结论

(1) 运用已有的信号规律描述侦察到的相控阵雷达信号是十分困难的。图4中的信号是实际射频信号，由于其采用的多脉冲技术，四个脉冲相叠加使得侦察时将其误认为是相位编码信号，使得判断失误。

(2) 比较图9~图11可以发现，由于发射波束的高速随机性位置转换，其发射天线的主瓣驻留时间缩短至普通天线驻留时间的1/10 。因此使得利用侦测主瓣侦察方法的作用距离大大降低。

图9 多脉冲射频发射信号

图10 相控阵天线图

图11 普通天线图

(3) 比较图9~图11可以发现相控阵天线的副瓣已达到-40 dB，即使在不使用自适应零点对正技术的情况下，仍然很难侦测到天线的副瓣。因此对于侦测雷达天线副瓣的侦察方法影响较大。

3.3 相控阵技术对电子情报侦察的影响

(1) 相控阵雷达技术的广泛应用使得雷达射频信号的变化速度大幅度提高，变化形式多种多样。应用已有的信号变化规律已经很难详细说明雷达射频信号的特点。

(2) 相控阵技术在天线电子扫描方面的广泛应用，使得发射波束变化迅速且波束宽度极窄。因此，使得依靠对雷达发射天线主瓣的侦察的方法的作用距离大幅度下降。

(3) 相控阵技术和自适应线阵综合技术使得天线获得比传统天线低很多的天线副瓣，使得依靠侦察副瓣方法的侦察设备侦察效果大幅度下降。

参考文献

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