曹蘭英， 郭明明， 羅美方

(中國航空工業(yè)集團公司雷華電子技術研究所， 江蘇無錫 214063)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭面臨著復雜的電磁環(huán)境、多樣化的目標環(huán)境以及多變的背景環(huán)境，其中復雜電磁環(huán)境是戰(zhàn)場環(huán)境最為突出的特征，給雷達探測和電子戰(zhàn)都帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。

雷達面臨的復雜電磁環(huán)境主要指敵方電子戰(zhàn)設備施放的有源干擾，這些干擾信號作用于空間、時域、頻域、能量域，形成的干擾場景越復雜、干擾樣式越多、干擾功率越大，對雷達威力、精度、分辨率及目標識別等能力的削弱越明顯[1]。

電子戰(zhàn)設備面臨的復雜電磁環(huán)境主要是指敵方雷達發(fā)射的電磁信號，雷達輻射源數(shù)量越多、頻帶范圍越廣、功率管理越敏捷、波形調(diào)制形式越復雜、抗干擾措施越靈活，電子戰(zhàn)設備進行有效干擾的難度越高[2-3]。

可見，雷達與電子戰(zhàn)的對抗是一個動態(tài)博弈的過程。

近年來，隨著新型干擾樣式的不斷開發(fā)，以及干擾參數(shù)的靈活化和智能化演進，雷達面臨的干擾信號變得更加密集、復雜，保持或提升抗干擾效果面臨著更加嚴峻的挑戰(zhàn)。與此同時，數(shù)字陣列雷達技術的發(fā)展、雷達空/時/頻/極化多維低截獲措施的綜合運用，以及干擾智能化識別能力的不斷提升，也在進一步削弱電子戰(zhàn)設備的干擾效果[4]。

未來，作戰(zhàn)樣式的體系化變革，分別對雷達和電子戰(zhàn)的反對抗和對抗能力提出了更高要求。體系化作戰(zhàn)具備“分布、智能、協(xié)同、時變”的特點，具有戰(zhàn)場態(tài)勢實時共享、作戰(zhàn)資源綜合管控、戰(zhàn)術決策自主高效等能力，極大地加快了OODA環(huán)的運行速度。相應地，雷達和電子戰(zhàn)系統(tǒng)必須具備在更高的信息自由度條件下，合理利用多樣化資源，做出更快抗干擾與干擾決策的能力[5]。

可見，隨著新技術的發(fā)展和作戰(zhàn)樣式的變化，雷達與電子戰(zhàn)的博弈將會愈演愈烈[6]。因此，設計一種能夠準確感知環(huán)境，并能夠根據(jù)環(huán)境變化動態(tài)調(diào)整工作方式的雷達與電子戰(zhàn)系統(tǒng)，是適應未來強博弈作戰(zhàn)環(huán)境的必然趨勢。

具備閉環(huán)反饋、全局優(yōu)化、自適應處理等特點的認知技術為上述系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了有效途徑。

1 認知雷達與電子戰(zhàn)

認知思想最早起源于軟件定義無線電技術領域， Mitola于1999年首次提出了基于智能化頻譜共享技術的“認知無線電”[7]，隨后Haykin教授于2006年提出了“認知雷達”的概念[8]，美軍從2008年開始將認知概念引入電子戰(zhàn)裝備中。自此，認知雷達與認知電子戰(zhàn)成為新體制射頻技術的研究熱點。

1.1 認知雷達

2006年，加拿大Haykin對認知雷達的結構設計、信號處理方式等進行了描述。2010年，Guerci和Wicks從不同的視角討論了認知雷達基本結構和關鍵技術[9-10]。2014年，Guerci提出了具有認知功能的全自適應雷達(CoFAR)[11]，融合了雷達自適應處理和動態(tài)環(huán)境場景特征，是具有代表性的具有智能化思想的雷達，其架構組成如圖1所示。

圖1 CoFAR框圖

總結來說，認知雷達具有認知能力和重構能力兩個基本特征，包含以下三種要素[12-13]：對環(huán)境信息進行感知學習與智能處理、根據(jù)處理結果對發(fā)射進行反饋與調(diào)整、對場景與目標信息進行保存與學習。

因此，認知雷達系統(tǒng)的核心應該包含匹配發(fā)射、自適應接收與處理、全局反饋優(yōu)化、知識記憶與學習四個部分，如圖2所示。其中匹配發(fā)射是指認知雷達根據(jù)電磁環(huán)境、雜波場景、目標特征，在發(fā)射端自主調(diào)整工作模式，進行波束自適應形成、波形優(yōu)化設計、極化自適應調(diào)整等處理；自適應接收與處理是指在接收端自主選擇信號處理和數(shù)據(jù)處理方法，學習場景特征，并做出決策；全局反饋優(yōu)化是指系統(tǒng)內(nèi)部形成閉環(huán)，將處理端的決策反饋到發(fā)射端；知識記憶與學習是指在上述工作過程中，不斷進行知識提取與存儲，更新先驗知識庫。

圖2 認知雷達基本結構

可見，認知雷達與傳統(tǒng)雷達最顯著的區(qū)別在于雷達本身形成了一個閉環(huán)，發(fā)射端能夠根據(jù)處理結果和反饋信息實時調(diào)整，以便與外界環(huán)境達到最佳匹配[14]，從而提高雷達的目標探測和抗干擾能力。

1.2 認知電子戰(zhàn)

從2008年開始，美軍先后開展了“行為學習型自適應電子戰(zhàn)”和“自適應電子戰(zhàn)”項目，正式為認知電子戰(zhàn)拉開序幕。目前提出的典型認知電子戰(zhàn)理論有美國喬治亞技術研究所(GTRI)開展的CORA項目、土耳其下一代無線通信實驗室于2015年提出的認知電子對抗系統(tǒng)架構(CECM)以及基于OODA作戰(zhàn)環(huán)的認知電子戰(zhàn)等，具體如圖3所示[15]。

(a) CORA

(b) CECM

(c) 基于OODA環(huán)的認知電子戰(zhàn)圖3 典型認知電子戰(zhàn)理論

同樣地，認知電子戰(zhàn)也具有認知能力和重構能力兩個基本特征，包含以下四種要素[16]：對復雜電磁環(huán)境中的輻射源信號進行學習和威脅等級分析、根據(jù)輻射源信號特征及威脅等級對干擾發(fā)射進行反饋與調(diào)整、對場景與目標信息進行保存與學習、對干擾效果進行動態(tài)評估。

因此，認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)的核心主要包含偵察、智能決策和干擾三個部分，如圖4所示。其中，偵察單元能夠進行輻射源接收、檢測、測量和信號特征分析，通過信號分選識別、信號定位，對個體屬性及個體行為特征進行威脅等級評估；智能決策單元是認知電子戰(zhàn)的核心，根據(jù)威脅等級評估和干擾效果評估結果選擇最佳干擾波形和最佳干擾能量分配方法，預評估干擾效果。

圖4 認知電子戰(zhàn)基本結構

可見，認知電子戰(zhàn)與傳統(tǒng)電子戰(zhàn)的最大區(qū)別也在于電子戰(zhàn)本身形成了一個閉環(huán)，能夠根據(jù)對外部環(huán)境的感知結果，優(yōu)化資源分配方式和控制策略，根據(jù)獲得的信息自適應決定干擾波形，提高電子戰(zhàn)的實時干擾能力。

1.3 雷達和電子戰(zhàn)的認知博弈

認知雷達通過對不同干擾類型的認知，實現(xiàn)干擾分類和識別，并根據(jù)干擾的變化采用不同的抑制手段進行對抗。但是，認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)裝訂的干擾樣式種類繁多，并且能夠根據(jù)需求靈活變換和組合干擾樣式，使得雷達總存在被干擾的可能。

認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)能夠?qū)W習環(huán)境和目標信息，動態(tài)評估干擾效果，在線優(yōu)化干擾策略。但是，當遇到能夠自適應調(diào)整發(fā)射波形、自主設計抗干擾措施的認知雷達時，其干擾效果也會大打折扣。

因此，在認知雷達與認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)的博弈中，雙方擁有的招數(shù)是對等的，任何一方都不可能長期占據(jù)壓倒性優(yōu)勢，雙方將在對抗中不斷發(fā)展。

2 射頻一體化認知對抗

隨著新技術的發(fā)展，戰(zhàn)場環(huán)境越來越復雜，對射頻系統(tǒng)的綜合能力要求也愈來愈高，各自獨立的電子設備逐漸不再滿足現(xiàn)代戰(zhàn)場快速、多變、高效、實時的作戰(zhàn)要求。

考慮到在雷達和電子戰(zhàn)系統(tǒng)的工作過程中，己方電子戰(zhàn)設備對敵方干擾信號的認知結果能夠?qū)走_的抗干擾決策起到很好的輔助作用，同樣地，己方雷達對敵方目標的測量結果也能夠?qū)﹄娮討?zhàn)設備的干擾決策起到很好的輔助作用。因此，探索通過共用射頻孔徑的方式對雷達與電子戰(zhàn)進行一體化設計，實現(xiàn)探測資源與電子戰(zhàn)資源的共享，以提升裝備的綜合作戰(zhàn)效能。

在雷達與電子戰(zhàn)一體化認知對抗系統(tǒng)中，系統(tǒng)架構設計與調(diào)用策略設計是兩大關鍵技術。

2.1 系統(tǒng)架構設計

雷達與電子戰(zhàn)一體化認知對抗系統(tǒng)架構主要包含綜合孔徑、綜合射頻、一體化信號處理、綜合數(shù)據(jù)處理、任務管理、發(fā)射激勵生成等模塊，各模塊間通過認知反饋實現(xiàn)互聯(lián)互通[17]。具體結構如圖5所示。

圖5 一體化認知對抗系統(tǒng)架構

其中，綜合孔徑模塊是實現(xiàn)射頻一體化認知對抗的核心，通過接收任務管理模塊的指令，進行孔徑資源配置與波束自適應形成，需要具備靈活的重構與資源配置能力，以滿足不同工作模式的需求。

綜合射頻模塊負責射頻信號的發(fā)射與接收，想要實現(xiàn)真正的射頻一體化，需要采用統(tǒng)一的通道設計，但是目前的器件發(fā)展水平還不夠，未來有望在微波光子學等技術發(fā)展成熟后得以實現(xiàn)。

一體化信號處理模塊、綜合數(shù)據(jù)處理模塊負責計算與數(shù)據(jù)處理，任務管理模塊根據(jù)數(shù)據(jù)處理結果做出系統(tǒng)決策，包括發(fā)射激勵、孔徑配置、信號與數(shù)據(jù)處理方式等。

2.2 調(diào)用策略設計

針對調(diào)用策略設計，需要完成一體化對抗系統(tǒng)的工作模式設計，以及不同工作模式下雷達與電子戰(zhàn)的資源分配策略設計。一體化對抗系統(tǒng)的工作模式主要涵蓋探測模式、干擾模式與協(xié)同工作模式[18]。

探測模式下，系統(tǒng)主要完成目標探測和無源偵收，雷達與電子戰(zhàn)功能可同時實現(xiàn)，即在每個掃描波位上，交替進行有源探測和無源偵收，實現(xiàn)雷達探測和威脅告警。該模式下，天線掃描波位的控制，以及不同波位上有源探測、無源偵收的時間分配，是需要解決的重點問題。在一體化認知架構中，通過場景特征提取與分析，完成系統(tǒng)對態(tài)勢的精確感知；通過知識輔助與決策技術，完成基于態(tài)勢感知結果的波位控制與時間分配；通過知識學習與記憶，完成知識的積累與更新；通過全局反饋技術，實現(xiàn)系統(tǒng)的在線優(yōu)化與改進。

干擾模式下，系統(tǒng)主要完成無源探測以及對敵方雷達的有源干擾。該模式下，無源探測與有源干擾的優(yōu)化調(diào)度、無源探測算法與有源干擾策略的優(yōu)化設計是需要解決的重點問題。在一體化認知架構中，認知決策技術輔助系統(tǒng)實現(xiàn)無源探測與有源干擾的優(yōu)化調(diào)度；認知截獲與認知處理技術輔助系統(tǒng)實現(xiàn)對電磁環(huán)境的全面、準確感知，認知決策與認知干擾技術輔助系統(tǒng)實現(xiàn)干擾策略的優(yōu)化選擇以及對目標的精準干擾。

協(xié)同模式下，系統(tǒng)需要同時具備目標探測、無源偵收和有源干擾能力。由于上述任務均需占用雷達天線陣面，且適用頻率也可能會存在沖突，因此需要更加細化與智能的時間管理與頻率管理。在一體化認知架構中，基于認知處理結果，通過認知決策對探測、偵收和干擾功能進行時間和頻率管理。在干擾階段，系統(tǒng)根據(jù)偵收信號的認知處理結果，進行頻點、干擾波形、干擾功率等干擾策略選擇，對目標進行認知干擾；在探測階段，根據(jù)雷達回波的認知處理結果，進行掃描波位、頻點、發(fā)射波形、處理策略等選擇，甚至可根據(jù)需求，選擇探/干一體化波形，同時實現(xiàn)探測與干擾。

3 體系化認知對抗

分布式作戰(zhàn)、網(wǎng)絡中心戰(zhàn)等新型作戰(zhàn)概念的提出，極大地推動了雷達與電子戰(zhàn)的協(xié)同化、網(wǎng)絡化發(fā)展。因此，在開展射頻一體化認知系統(tǒng)研究的同時，應同步開展體系化認知對抗技術研究，充分利用認知技術，采用協(xié)同、分布式、開放的體系架構，發(fā)展多功能、網(wǎng)絡化、多源融合的認知對抗能力，實現(xiàn)多種射頻對抗系統(tǒng)的協(xié)同工作[19]。

3.1 體系架構設計

體系化認知對抗是指將作戰(zhàn)能力部署到多個平臺上，平臺間通過信息共享、任務綜合、資源優(yōu)化和自主協(xié)同，形成具有強敏捷性和韌性的作戰(zhàn)系統(tǒng)[20]，實現(xiàn)對抗效能最大化，通用化體系架構如圖6所示。

圖6 體系架構

因此，體系化認知對抗系統(tǒng)應具備跨域分布、高效協(xié)同、自主智能等特點。

· 跨域分布

體系內(nèi)的作戰(zhàn)單元，分布在空、陸、海、天、電磁、賽博等不同的作戰(zhàn)域，根據(jù)任務需求進行自適應跨域組合，形成具有自適應調(diào)整能力的作戰(zhàn)體系。

· 高效協(xié)同

作戰(zhàn)單元以完成同一作戰(zhàn)任務為目標，依托網(wǎng)絡技術在時間、空間上相互配合，實現(xiàn)多種功能的有機組合；通過多層次、多維度信息融合，實現(xiàn)各作戰(zhàn)單元間探測資源、干擾資源、打擊資源的共享與優(yōu)化配置，形成“1+1>2”的效果。

· 自主智能

智能化技術的發(fā)展，不斷提升作戰(zhàn)平臺、信息系統(tǒng)以及決策系統(tǒng)的智能化水平，使作戰(zhàn)系統(tǒng)具備在對抗環(huán)境中自我進化的能力。該能力主要包括體系架構的自主調(diào)整，平臺任務的自主分配，以及作戰(zhàn)單元的自主感知、自主干擾、自主攻擊等。

3.2 關鍵技術

體系化認知對抗涉及飛控、制導、探測感知、電子對抗、效能評估等多個方面，本文主要針對探測感知與電子對抗，分析體系化認知對抗系統(tǒng)的關鍵技術。

· 戰(zhàn)場態(tài)勢感知與認知

態(tài)勢感知是體系作戰(zhàn)中任務規(guī)劃的前提，利用信息處理、信息融合、知識挖掘等技術處理各平臺獲取的探測信息，實現(xiàn)對戰(zhàn)場環(huán)境態(tài)勢的認知與理解，并通過態(tài)勢評估，發(fā)掘指揮決策所需要的信息[21-22]。其中，異構傳感器信息融合、多源信息知識挖掘與表示、態(tài)勢評估與輔助決策等技術是戰(zhàn)場態(tài)勢感知與認知的關鍵技術。

· 體系化認知電子對抗

電子對抗主要涉及作戰(zhàn)體系中的電磁情報偵察、信息對抗、系統(tǒng)協(xié)同。電磁情報偵察是指對威脅輻射源信號的偵察、分析與辨識；信息對抗是指通過情報偵察結果采取相應的對抗措施，包括電子攻擊、電子支援、電子防護等；系統(tǒng)協(xié)同是指電子戰(zhàn)系統(tǒng)之間、電子戰(zhàn)系統(tǒng)與雷達、通信、火力打擊等其他系統(tǒng)之間的協(xié)同。其中，電磁環(huán)境綜合認知、對抗效果實時評估與反饋、對抗資源動態(tài)優(yōu)化配置等是體系化認知電子對抗的關鍵技術。

4 結束語

認知技術為新體制雷達和新體制電子戰(zhàn)裝備的研制提供了新的設計思路，其閉環(huán)反饋、全局優(yōu)化、自適應處理等特點，能夠為雷達與電子戰(zhàn)系統(tǒng)的智能化發(fā)展、射頻系統(tǒng)的一體化發(fā)展提供技術支撐，也是未來射頻裝備進行體系化作戰(zhàn)的必備能力。本文在介紹認知雷達與認知電子戰(zhàn)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，深入分析了射頻一體化認知對抗系統(tǒng)的發(fā)展需求，提出了通用化的認知架構，并對未來體系化認知對抗進行了展望，為未來射頻系統(tǒng)的發(fā)展方向提供思路借鑒。