梁瑞麟

（海軍駐揚(yáng)州723所軍事代表室,揚(yáng)州 225001）

0 引 言

電子偵察接收機(jī)對(duì)于現(xiàn)代作戰(zhàn)艦艇來(lái)說(shuō)有著十分重要的意義。其主要功能為:監(jiān)視本艦周圍的雷達(dá)信號(hào)態(tài)勢(shì),對(duì)威脅目標(biāo)告警；實(shí)時(shí)引導(dǎo)有源或無(wú)源干擾設(shè)備進(jìn)行干擾；輔助引導(dǎo)武器系統(tǒng)進(jìn)行攻擊,為武器發(fā)射提供敵方目標(biāo)的角度信息；在必要情況下,對(duì)于敵方雷達(dá)采用多站或單站機(jī)動(dòng)進(jìn)行無(wú)源定位。從戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的角度歸納起來(lái),其主要作用是自衛(wèi)反導(dǎo)和電磁信息監(jiān)視。

長(zhǎng)期以來(lái),和雷達(dá)相比,電子偵察設(shè)備有著距離優(yōu)勢(shì),它可以在對(duì)方雷達(dá)的作用距離之外發(fā)現(xiàn)對(duì)方雷達(dá)信號(hào)。這是因?yàn)殡娮觽刹煸O(shè)備偵察的是對(duì)方雷達(dá)的直射波,信號(hào)強(qiáng)度與距離的平方成反比；而對(duì)方雷達(dá)接收的是從目標(biāo)上反射回來(lái)的反射波,信號(hào)強(qiáng)度與距離的4次方成反比。然而近年來(lái)雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)步給艦載電子偵察裝備帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。相當(dāng)一部分雷達(dá)都采用了脈沖壓縮體制,脈沖壓縮雷達(dá)發(fā)射的脈沖功率較小,脈沖寬度很大,而平均功率較高,通過(guò)大比例的脈沖壓縮來(lái)提高雷達(dá)探測(cè)距離,同時(shí)實(shí)現(xiàn)滿意的距離分辨率；使用匹配濾波器技術(shù)進(jìn)行相干積累,雷達(dá)可以在低信噪比情況下進(jìn)行探測(cè)。而電子偵察接收機(jī)要求頻率和方位上寬開(kāi),且只對(duì)信號(hào)的脈沖功率產(chǎn)生響應(yīng),偵察靈敏度受到很大限制。加上艦艇的雷達(dá)反射截面（RCS）很大,以至于一些體制先進(jìn)的雷達(dá)比較容易發(fā)現(xiàn)艦艇,而艦載電子偵察接收機(jī)卻不容易收到該雷達(dá)信號(hào),使得電子偵察設(shè)備的偵察距離優(yōu)勢(shì)逐步喪失。另一方面,由于雷達(dá)的脈沖寬度增加和信號(hào)密度加大,電子偵察設(shè)備面臨的信號(hào)重疊概率大大增加,接收機(jī)丟失信號(hào)的概率也顯著增加。

本文試圖對(duì)目前電子偵察設(shè)備面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行分析,提出一些應(yīng)對(duì)的技術(shù)措施。

1 電子偵察設(shè)備探測(cè)距離和雷達(dá)探測(cè)距離比較

根據(jù)自由空間的雷達(dá)方程,可以得到雷達(dá)的作用距離:式中:Pt為雷達(dá)發(fā)射峰值功率；Gt為雷達(dá)天線增益；λ為雷達(dá)工作波長(zhǎng)；σ為目標(biāo)（艦船）的反射截面積；Prmin為雷達(dá)接收機(jī)靈敏度（含接收機(jī)前端的饋線損耗）。

根據(jù)偵察方程,可以得到電子偵察設(shè)備對(duì)該雷達(dá)的發(fā)現(xiàn)距離:式中:Gi為電子偵察天線在雷達(dá)方向上的增益；Pimin為電子偵察接收機(jī)靈敏度（含接收機(jī)前端的饋線損耗）。

比較（1）、（2）兩式,得到電子偵察接收機(jī)探測(cè)距離和雷達(dá)探測(cè)距離之比,即所謂（對(duì)空）超越系數(shù):

由式（3）可以看出,電子偵察接收機(jī)的超越系數(shù)C和雷達(dá)本身的發(fā)射功率Pt、Gt有很大關(guān)系,如果雷達(dá)的發(fā)射功率降低了,雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)距離也隨之降低,但是偵察接收機(jī)的探測(cè)距離降低得更多。如果雷達(dá)發(fā)射功率降低到原來(lái)的1/16,那么雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的距離將降低到原來(lái)的1/2,而偵察接收機(jī)的探測(cè)距離降低到原來(lái)的1/4。

超越系數(shù)C還與艦船的雷達(dá)反射截面σ及雷達(dá)的探測(cè)距離R2rmax有很大關(guān)系,艦船的雷達(dá)反射截面σ越大,艦載電子偵察設(shè)備的超越系數(shù)越??；雷達(dá)的探測(cè)距離Rrmax越遠(yuǎn),艦載電子偵察設(shè)備的超越系數(shù)越大。也就是說(shuō)雷達(dá)的作用距離越遠(yuǎn),越容易被對(duì)方探測(cè)到。

當(dāng)式（3）小于或等于1時(shí),電子偵察接收機(jī)的偵察距離和雷達(dá)探測(cè)距離相比就不具備優(yōu)勢(shì)。

2 關(guān)于脈沖重疊造成的丟失問(wèn)題

雷達(dá)采用脈沖壓縮技術(shù)后,為了加強(qiáng)電子偵察接收機(jī)的探測(cè)能力,提高電子偵察接收機(jī)的靈敏度是必要的。然而,靈敏度的提高會(huì)使信號(hào)密度大大增加,不僅遠(yuǎn)距離的弱信號(hào)會(huì)進(jìn)入接收機(jī),各種反射信號(hào)也會(huì)超過(guò)接收機(jī)靈敏度門(mén)限。另一方面由于脈沖壓縮體制雷達(dá)信號(hào)的脈沖寬度較大,帶來(lái)的問(wèn)題是脈沖重疊概率大大增加,容易造成信號(hào)測(cè)量錯(cuò)誤或丟失。

有必要概略地分析一下脈沖寬度、信號(hào)密度和脈沖重疊概率之間的關(guān)系。為了簡(jiǎn)化,假定周圍存在多部不同雷達(dá)的輻射信號(hào),而且各雷達(dá)的脈沖重復(fù)周期互不相關(guān)。這樣進(jìn)入接收機(jī)的脈沖信號(hào)流是時(shí)間軸上隨機(jī)出現(xiàn)的一系列脈沖寬度不同的信號(hào)。根據(jù)隨機(jī)過(guò)程理論,如果一個(gè)隨機(jī)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特性與時(shí)間起點(diǎn)無(wú)關(guān),則稱為平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程,這種平穩(wěn)無(wú)后效的隨機(jī)過(guò)程可看作是泊松過(guò)程。根據(jù)泊松分布特性,在Δt的時(shí)間區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)n個(gè)脈沖的概率為:

式中:Pn（Δt）為Δt的時(shí)間區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)n個(gè)脈沖的概率；λ為脈沖密度,即每秒鐘內(nèi)出現(xiàn)的脈沖數(shù)量。

設(shè)相鄰兩脈沖前沿之間的間隔時(shí)間為 ω,則 ω的概率分布密度函數(shù)為:

對(duì)于普通的單脈沖體制接收機(jī)而言,在進(jìn)入接收機(jī)的脈沖信號(hào)流中,如果前一個(gè)脈沖還沒(méi)有結(jié)束,后一個(gè)脈沖就到了,則后一脈沖就不被測(cè)量。設(shè)脈沖寬度為τ,相鄰脈沖前沿的間隔時(shí)間為 ω,若不考慮接收機(jī)的恢復(fù)時(shí)間,則當(dāng)ω≤τ時(shí),后一脈沖就會(huì)丟失。

也就是說(shuō),ω≤τ的概率就是脈沖丟失概率,對(duì)式（5）的脈沖間隔ω分布密度函數(shù)在0～τ的區(qū)間內(nèi)積分,就得到脈沖丟失概率為:

作為例子,假定信號(hào)密度為10萬(wàn)脈沖/s,對(duì)應(yīng)不同的平均脈沖寬度τ,表1給出了按照式（6）計(jì)算的脈沖丟失概率與脈沖寬度之間的關(guān)系。

表1 不同的平均脈沖寬度對(duì)應(yīng)的脈沖丟失概率

從表1可以看出,在信號(hào)密度為10萬(wàn)脈沖/s的情況下,當(dāng)平均脈沖寬度 τ小于 1 μ s時(shí),則脈沖丟失概率P不大于9.5%,設(shè)備尚可正常測(cè)量和分選。當(dāng)平均脈沖寬度達(dá)到4 μ s時(shí),則脈沖丟失概率P達(dá)到32%,信號(hào)處理設(shè)備很難正確進(jìn)行分選。實(shí)際上,脈沖壓縮雷達(dá)的脈沖寬度往往在10 μ s以上,有些甚至達(dá)到幾百μ s,因此脈沖重疊概率很高。

上述計(jì)算模型和實(shí)際情況可能不完全符合,但至少可以作為分析的參考。不僅如此,脈沖重疊還會(huì)造成參數(shù)測(cè)量錯(cuò)誤。前面已經(jīng)提到,如果后一個(gè)脈沖和前一個(gè)脈沖首尾相接,則會(huì)造成前一個(gè)脈沖寬度測(cè)量值變大。而且,目前廣泛采用的延遲線式瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)不能分辨同時(shí)到達(dá)信號(hào),如果2個(gè)脈沖前沿發(fā)生重疊,或者它們前沿之間的間隔很小,在這種情況下,若2個(gè)脈沖幅度相當(dāng),則頻率可能測(cè)錯(cuò)；若2個(gè)脈沖幅度相差大于10 dB,通?？烧_測(cè)量幅度較大的脈沖頻率,丟失幅度較小的脈沖數(shù)據(jù)。脈寬或頻率的測(cè)量錯(cuò)誤將會(huì)造成信號(hào)增批,脈沖數(shù)據(jù)的丟失則給信號(hào)處理造成困難,造成漏批,這些都是近年來(lái)電子偵察設(shè)備經(jīng)常碰到的問(wèn)題。

以上分析還是在假定周圍多部雷達(dá)的脈沖重復(fù)周期互不相關(guān)的前提下得到的,實(shí)際上,同種型號(hào)雷達(dá)的脈沖重復(fù)周期存在某種相關(guān)性,這將加大脈沖重疊概率。更有甚者,雷達(dá)為了反偵察,同一載體（比如一條艦船）上的多部雷達(dá)通常采取同步觸發(fā)技術(shù),即令多部雷達(dá)發(fā)射不同頻率的脈沖前沿正好對(duì)齊,這樣,常規(guī)的單一信道電子偵察接收機(jī)就難以正確測(cè)量出各雷達(dá)信號(hào)。

3 應(yīng)對(duì)的技術(shù)戰(zhàn)術(shù)措施

3.1 適當(dāng)提高電子偵察設(shè)備的靈敏度

為了適應(yīng)雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,提高電子偵察設(shè)備探測(cè)低功率雷達(dá)的能力,提高偵察靈敏度Pimin和天線增益Gi是十分必要的。目前傳統(tǒng)的寬開(kāi)式模擬接收機(jī)的靈敏度Pimin通常在-60 dBm左右,受到噪聲和帶寬的限制,再要提高困難較大,通過(guò)下面的計(jì)算可以明白其中的原因。

式（7）為寬開(kāi)式模擬接收機(jī)的靈敏度和檢波前的信/噪比的關(guān)系式:

式中:Pimin為電子偵察接收機(jī)靈敏度（dBm）；k為波耳茲曼常數(shù),k=1.387×10-23J/K；T為絕對(duì)溫度,常溫按300 K計(jì)算；B為檢波前帶寬,若B取1 MHz為單位,則kTB=-114 dBm；F為接收機(jī)前置放大器的噪聲系數(shù)；L為饋線（含濾波器、限幅器等）損耗；S/N為接收機(jī)門(mén)限狀態(tài)下的檢波前信/噪比（dB）。

按目前的技術(shù)水平,饋線（含濾波器、限幅器等）損耗L典型值為3.5 dB,接收機(jī)前置放大器的噪聲系數(shù)典型值為3.5 dB,若按照8～18 GHz頻段的帶寬10 GHz（40 dB）計(jì)算,帶入式（7）得到:對(duì)于延遲線式瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)而言,檢波前信噪比和視頻帶寬有關(guān),而后者由最小可測(cè)脈沖寬度決定。由于通常要求最小可測(cè)脈沖寬小于50 ns,接收機(jī)視頻帶寬應(yīng)當(dāng)大于20 MHz。瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)要求的保精度信噪比一般要求7～10 dB；不模糊（不出現(xiàn)粗大誤差）信噪比取決于延遲線組的配置和解模糊方式,一般要求為-1～3 dB,信/噪比過(guò)低則可能出現(xiàn)粗大誤差。若取0 dB作為靈敏度所要求的信/噪比計(jì)算,則由式（8）可以看出,寬開(kāi)式瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)的靈敏度Prmin上限的典型值為-67 dBm左右,尚不包含極化損耗-3dB和天線罩的損耗-1 dB。

至于天線增益,雖然多波束定向天線的增益較高,測(cè)向靈敏度較高,但測(cè)頻需要要全方位全截獲概率偵收,全向天線增益Gi一般在0 dB左右,難以進(jìn)一步提高。

3.2 適當(dāng)調(diào)整頻段的劃分

通常電子偵察設(shè)備的頻段劃分總是希望頻段覆蓋盡量寬,例如將2～18 GHz劃分為2～7.5 GHz和7.5～18 GHz 2個(gè)頻段,甚至 2～18 GHz 1個(gè)頻段來(lái)解決問(wèn)題,這樣設(shè)備量較小。然而,面對(duì)大量脈沖壓縮雷達(dá)信號(hào),會(huì)造成頻帶內(nèi)信號(hào)重疊概率加大的困局,將頻段適當(dāng)細(xì)分是一種有效的方法。比如說(shuō)將傳統(tǒng)的2～18 GHz寬頻帶劃分成若干個(gè)子波段,每個(gè)子波段只有 2 GHz或4 GHz帶寬,或者根據(jù)實(shí)際雷達(dá)信號(hào)的分布進(jìn)行針對(duì)性地劃分,這樣進(jìn)入一個(gè)子波段接收機(jī)的信號(hào)密度將顯著減少,脈沖重疊概率也相應(yīng)減少。而且由于每個(gè)子波段的瞬時(shí)帶寬下降,靈敏度也會(huì)相應(yīng)提高。這些子波段可以采用并行工作方式,也可以采用單機(jī)時(shí)分工作方式。前者的成本較高,截獲概率也高；后者成本較低,截獲概率也降低。

這樣做的另一個(gè)好處是提高了設(shè)備抗干擾性能。當(dāng)一個(gè)子波段受到強(qiáng)干擾,只影響該子波段的工作,其余子波段的工作并不會(huì)受到影響。

增加頻段的劃分會(huì)增加裝備的成本,但由于帶寬下降,部件性能有所提高,即使減少每個(gè)子頻段接收機(jī)的通道數(shù)量,也可達(dá)到同樣的測(cè)量精度。即為了降低裝備成本,不一定采用傳統(tǒng)的多波束比幅測(cè)向接收體制,這樣可減少接收機(jī)通道的數(shù)量,也有利于采用更加靈活的濾波措施來(lái)改善電磁兼容問(wèn)題。

3.3 采用數(shù)字信道化接收技術(shù)

近年來(lái)寬頻帶數(shù)字化接收技術(shù)發(fā)展很快。通常所說(shuō)的模擬接收機(jī)是對(duì)接收的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行放大、檢波,利用信號(hào)的包絡(luò)進(jìn)行檢測(cè),它對(duì)檢波前的信噪比有較高要求,靈敏度難以進(jìn)一步提高,而且對(duì)于重疊信號(hào)的檢測(cè)能力較差。而數(shù)字化接收機(jī)不用檢波器,將射頻信號(hào)放大、變頻到高中頻,直接進(jìn)行高速采樣、從而保留了信號(hào)的相位信息。它對(duì)信噪比的要求較低,靈敏度較高。通過(guò)對(duì)高速采樣后得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行信道化處理,是解決脈沖重疊情況下頻率測(cè)量的有效方法。目前,中等帶寬的數(shù)字信道化接收機(jī)測(cè)頻技術(shù)已經(jīng)比較成熟,瞬時(shí)帶寬達(dá)到1 GHz以上,其靈敏度可以提高到-85 dBm以上。為了實(shí)現(xiàn)寬頻帶偵收,可采用多個(gè)子波段并行工作。它是解決脈沖同時(shí)到達(dá)引起頻率測(cè)量錯(cuò)誤的有效辦法,缺點(diǎn)是成本較高。

采用數(shù)字信道化接收機(jī)測(cè)頻雖然可以解決頻率測(cè)量設(shè)備的高靈敏度和脈沖重疊問(wèn)題,若測(cè)向還采用模擬體制,仍然不能完全解決脈沖重疊的問(wèn)題。將測(cè)向天線探測(cè)的信息直接進(jìn)行數(shù)字化處理,是一種行之有效的方法。采用數(shù)字干涉儀技術(shù)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的偵察接收,在不久的將來(lái)可望運(yùn)用到艦載電子偵察技術(shù)領(lǐng)域。

此外,采用非相干積累也有利于電子偵察設(shè)備截獲信號(hào)。雖然不具備雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的先驗(yàn)信息,不可能象雷達(dá)那樣采用匹配濾波的方式進(jìn)行相干積累,但是在特定情況下,如果事先知道所關(guān)注的信號(hào)在某個(gè)頻段和某個(gè)時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn),那就可以對(duì)該頻段的信號(hào)加噪聲的包絡(luò)進(jìn)行采樣。在一個(gè)適當(dāng)?shù)臅r(shí)段內(nèi),對(duì)采樣的樣本進(jìn)行非相干疊加,然后與門(mén)限進(jìn)行比較,這種方法也可以提高探測(cè)靈敏度。

3.4 充分利用多種信息來(lái)源進(jìn)行融合

艦艇作戰(zhàn)是一種綜合體系能力的對(duì)抗。研究電子偵察接收設(shè)備時(shí)要同時(shí)考慮綜合利用多種信息來(lái)源,例如本艦的雷達(dá)探測(cè)信息和通信偵察信息,不能只考慮讓某一設(shè)備“單打獨(dú)斗”。比如,在密集的信號(hào)環(huán)境背景下,要克服信號(hào)增批問(wèn)題,單純依靠電子偵察設(shè)備的信號(hào)分選往往比較困難,若利用本艦雷達(dá)探測(cè)到的目標(biāo)信息進(jìn)行融合,很容易幫助區(qū)分真實(shí)目標(biāo)和增批信號(hào)。盡管擔(dān)心本艦雷達(dá)一發(fā)射會(huì)暴露己方目標(biāo),但是實(shí)際作戰(zhàn)時(shí),本艦雷達(dá)不可能總是保持沉默,如果敵方目標(biāo)飛向我方艦艇,將本艦雷達(dá)探測(cè)的數(shù)據(jù)和電子偵察設(shè)備偵察到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,自然可以從各種信號(hào)中判斷出真實(shí)的威脅目標(biāo)。而且利用雷達(dá)的距離信息,結(jié)合電子偵察設(shè)備偵察到的頻率方位信息,決定何時(shí)進(jìn)行無(wú)源干擾或有源干擾,這樣的效果比單純利用電子偵察設(shè)備收到的信息進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)決策要科學(xué)得多,至少可彌補(bǔ)電子偵察設(shè)備偵察得不到距離信息的缺陷。而且很多反艦導(dǎo)彈采用復(fù)合制導(dǎo),導(dǎo)彈本身不一定輻射雷達(dá)波,單純靠電子偵察接收機(jī)就不能發(fā)現(xiàn)它,相反,通信偵察有可能接收到它與發(fā)射平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)通信信號(hào),這對(duì)于提前預(yù)警是有利的。

3.5 配合艦艇的隱身設(shè)計(jì)

從水面艦艇本身的發(fā)展來(lái)看,減小艦艇的雷達(dá)反射截面 RCS,提高艦艇本身的隱身水平,是一個(gè)重要趨勢(shì)。從式（3）可以看出,若艦艇的雷達(dá)反射截面RCS減小一半,電子偵察設(shè)備的偵察距離對(duì)于對(duì)方雷達(dá)探測(cè)距離的超越系數(shù)將加大1.41倍。顯然,對(duì)方雷達(dá)不容易看到我方,我方自然就容易看到它。艦艇隱身對(duì)于其上層建筑和桅桿,包括偵察天線的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、安裝位置等也提出了很高的要求。傳統(tǒng)的多個(gè)偵察天線座自成一體,安裝在桅桿的上部或兩側(cè),這對(duì)艦艇隱身不利。艦艇的隱身設(shè)計(jì)要求減少天線數(shù)量,天線更加簡(jiǎn)潔；采用天線和桅桿共形設(shè)計(jì),外觀上看不到明顯的天線座；提高天線的匹配設(shè)計(jì),減小駐波系數(shù)和反射,這些方法都有利于提高艦艇本身對(duì)于雷達(dá)的隱身能力。

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