李波波 幸涛
摘 要：电子战环境日益复杂，从以前的信号信息的简单提取，到如今的包括雷达信号主/副瓣信息在内的精细化测量与分析，对雷达侦察系统的功能性能和战场感知能力提出了更高的要求，文章提出了一种新方法，它以侦察报文数据为分析对象得到雷达方向图，以此评估雷达信号主/副瓣侦察能力，此方法进一步挖掘了报文数据，提炼出更多的有效信息，进一步实现辐射源指纹识别，促进评估系统的真实性能。
关键词：雷达侦察;副瓣侦察;试验与评估
中图分类号：TN971;E933 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）23-0054-05
Evaluation on Reconnaissance Capability of Radar Reconnaissance System Based on Message Data
LI Bobo1，XING Tao2
（1.The 27th Research Institute of CETC，Zhengzhou 450047，China;
2.Military Representative Office of Air Force Equipment Department in Zhengzhou，Zhengzhou 450047，China）
Abstract：Along with the electronic warfare environment is increasingly complex，from the previous simple extraction of signal information to the fine measurement and analysis including the information of radar signal mainlobe/sidelobe at present，the higher requirement on the function performance and battlefield perception ability of radar reconnaissance system is put forwarded. This paper proposes a new way，which gets the radar directional diagram by detecting message data as analysis objects，and evaluates the reconnaissance ability of radar signal mainlobe/sidelobe on this basis. This way further digs message data，extracts more useful information，and further realizes radiation source fingerprint identification to promote the real performance of evaluation system.
Keywords：radar reconnaissance;sidelobe reconnaissance;test and evaluation
0 引 言
基于雷达的电子战（Electronic Warfare，EW）系统已成为现代战争中不可或缺的要素。电子战中，任何一方都希望己方雷达在有效探测对方目标的同时，尽可能不被对方侦察和截获，以占据战争的主动权并提高自身的生存机会，在雷达探测到对方目标的同时，对方截获到雷达波的可能性小。随着雷达天线技术的更新升级，使得雷达发射的波束更窄、副瓣更低以及信号功率管理控制更精确，从而大大提高了雷达侦察系统对雷达信号的侦察难度[1]，尤其是对副瓣信号的侦察。在复杂和高密度的电磁环境中，要求电子侦察设备能准确地进行信号识别、分选，精确地估计频率、方位及其他技术参数，确定辐射源的位置、活动频率和威胁等级[2]。
军事代表室和二十七所在军民融合领域长期合作。双方合作共同进行了某某机载雷达侦察系统的试验与评估，双方在其试验设计过程中总结了新的评估方法，通过对获取的侦察报文数据进行处理，分析得到相应测量结果并从中分选出主瓣和副瓣信号的结果，评估机载雷达侦察系统的雷达信号主/副瓣侦察能力和性能，特别是副瓣侦察。侦察报文数据的持续时间长、信息内容丰富，而且报文数据量相对信号全脉冲采集要小，易于分析，同时，分析侦察报文能够更直观的了解信号侦察的全过程和其他侦察信息。在此将部分的成果进行总结、归纳，为后期其他对抗系统的试验评估提供新的方法。
1 雷达辐射与雷达侦察系统
1.1 雷达天线辐射特性
几乎所有的雷达天线都是有方向性的，并以某种方法在角度上扫描波束。通常辐射方向图的纵坐标表示归一化的作为角度函数的增益，主波束在0°，主波束之外的方向图的剩余部分是旁瓣区域（即副瓣或旁瓣），如图1所示。
雷达信号的辐射特性跟雷达发射天线有关，不同类型的雷达天线，其辐射方向图大体一致，图2为某相控阵天线辐射方向图的仿真示意图，旁瓣辐射是来自天线的辐射而非由主瓣辐射出的辐射。天线的最高副瓣通常是邻近主瓣的第一副瓣。由波导喇叭馈电的典型的抛物反射面天线可能具有-23～-28 dB的峰值副瓣。专门设计的阵列天线，-40～ -50 dB的峰值副瓣是可能的。小于-50 dB的峰值副瓣有时候叫作超低副瓣[3，4]。
1.2 雷达侦察系统
无源侦察定位指的是侦察设备不向被探测目标发射无线电信号，只通过接收电磁波信号对目标做出侦察定位的一项技术，它是电子对抗的一个重要组成部分。由于没有向目标发射信号，无源定位不同于雷达，不会首先暴露自己，也不会招来诸如反辐射导弹这样的进攻性武器的攻击，因而，从一开始就成为一项受人关注的技术。通过无源定位综合其他的侦察设备，一方面使侦察设备发挥更好的功效，另一方面解决单个侦察设备在一定意义下无法解决的问题。无源定位使用的是电子侦察接收机，它不发射信号，只有在目标处有无线电信号发射时，它才能接收信号，并以此作为全部处理、产生定位结果的基础。
雷达侦察信号分选与识别是雷达对抗中一个重要的组成部分，它处理的信号是雷达接收机送来密集交叠的脉冲流。信号分选指的是从这种随机交叠的脉冲流中分离出各个雷达脉冲列并选出有用信号的过程;信号识别是指通过信号分选，然后对分选出来的脉冲进行特征参数提取，识别出空间中各种不同体制的雷达以及它们的参数。随着技术的发展，信号的分选和识别已经没有严格意义上的区分，往往在对雷达信号分选的同时就实现了对雷达的识别;反之信号的识别结果反馈到分选中，又提高了分选的效率和准确率。因此，分选与识别已经不再是两个独立的过程，也不仅仅是简单的串行关系。要实现雷达侦察信号的分选与识别，首先要对雷达脉冲信号进行特征参数提取。雷达脉冲信号参数主要分布在时域、频域和空域上。
现代电子支援侦察接收机对这种交错脉冲串进行处理，以识别每个脉冲的脉冲描述字，包括它的中心频率、振幅、脉宽、到达时间以及到达角。此后该脉冲描述字在一个脉冲分选处理器中进行处理，将该脉冲串提取出与各辐射源相对应的脉冲重复间隔，然后与存有已知雷达类型的辐射源数据文件进行比较，产生按威胁特性分类的辐射源清单。
2 数据处理基本方法
2.1 坐标转换
2.1.1 大地坐标系转换为大地直角坐标系
假设空间一点目标在大地直角坐标系中的坐标为（X，Y，Z），在大地坐标系中的坐标为（L，B，H），则在已知目标的大地坐标时，求解目标的大地直角坐标公式为[5]：
（1）
式中：L为经度;B为纬度;H为大地高程;为子午椭圆的第一偏心率，e1=8.181 919 084 262 2× 10-2;N= ;a为地球参考椭球的长半径，a=6 378 137.0 m;b为地球参考椭球的短半径，b=6 356 752.0 m。
2.1.2 大地直角坐标系转换为测量直角坐标系
假设空间一点目标在大地直角坐标系中的坐标为（X，Y，Z），在测量直角坐标系中的坐标为（x，y，z），且测量站观测天线中心点在大地直角坐标系和大地坐标系中的坐标分别为（X0，Y0，Z0）和（L0，B0，H0），则在已知目标的大地直角坐标时，求解目标的测量直角坐标公式为：
（2）
其中，
（X0，Y0，Z0）为测站测量天线中心的大地直角坐标;（L0，B0，H0）为测站测量天线中心的大地坐标（经度、纬度和大地高程）。
2.2 误差分析方法
参考GJB-4345-2002的“脉冲信号的测量能力”数据处理模型，假设样本量为n，具体分析方法为：
（1）当测频误差用绝对值表示时，按式3计算第i个频率点的测频误差Δfi：
Δfi=fci-fzi （3）
其中，Δfi为设备第i个频率点的测频误差，单位为MHz;fci为设备第i个频率点终端显示的射频信号频率，单位为MHz;fzi为射频信号源第i个频率点输出信号频率，单位为MHz;i为频率测试点（i=1，…，n）。
比较全部Δfi的值，其最大值即为用绝对值表示时设备的测频误差Δf。
（2）当测频误差用均方根值表示时，按式（4）计算设备的测频误差σf：
（4）
其中，σf为设备的测频误差，单位为MHz;fci为设备第i个频率点终端显示的射频信号频率，单位为MHz;fzi为射频信号源第i个频率点输出信号频率，单位为MHz;i为频率测试点（i=1，…，n）。
另外，此模型同样适用于分析脉冲信号的脉冲宽度、脉冲重复周期等其他参数测量能力。
3 雷达的主/副瓣侦察性能分析与评估
3.1 主/副瓣侦察性能分析
本章节主要对多种类型雷达模拟辐射源的侦察报文进行处理，类型包括地面预警雷达、目标指示雷达、导弹制导雷达、机载预警雷达和机载火控雷达，给出相应主瓣侦察和副瓣侦察的分析评估结果。
评估性能的主要指标有：雷达类型、频率覆盖范围、主/副瓣最大侦察距离以及相应的信号参数测量精度（频率、脉宽、重复周期等）、测向精度等;此外，本文使用机载雷达侦察系统的惯导数据和模拟辐射源位置数据，通过坐标转换计算得到辐射源相对侦察系统载机的方位、距离等测向、定位基准，辐射源的脉冲信号参数作为分析测量精度基准。
3.2 对地面雷达侦察
通过解析某地面预警雷达的侦察报文数据，给出部分的信号幅度与侦察时间的二维曲线图，如图3所示，从图中可以看出，信号幅度在时间域上有较为明显的周期性规律，本文对报文数据中的信号幅度数据依据一定原则进行统计分析，进而得到基于侦察报文数据的雷达方向图，分析原则有：
（1）选取多组信号幅度峰值为主瓣信号。
（2）计算相邻幅度峰值对应的侦察时间差，作为扫描周期样本。
（3）对比扫描周期样本，剔除侦察时间差超出±30%的异常值，计算平均值得到雷达扫描周期。
（4）根据雷达扫描模式，以样本信号幅度峰值为中心，相邻幅度峰值间的侦察数据时间换算为相应的雷达扫描方位。
此外，侦察数据上报的信号幅度为非连续的离散值，从而统计得到的雷达方向图相对实际方向图会存在一些误差，但不影响其分析的正确性。
通过对侦察数据的处理，得到雷达方向图如图4所示。对比雷达天线辐射方向图仿真结果，我们能够看到报文数据由于上报策略的原因在精度上产生了一些误差，但我们仍能从变化的曲线中区分出雷达信号的主/副瓣信息。此外，从统计结果曲线上，我们看到除了主瓣信号引起曲线的幅度起伏外，相近位置存在不明原因的起伏，随后，作者通过勘察雷达辐射源附近的地形地貌，找到了引起幅度曲线出现异常起伏的原因，即雷达辐射源附近存在高度较高、外形平滑、金属构架的建筑物，在雷达扫描过程中雷达波照射到建筑物时，建筑物对雷达辐射的高功率信号造成了反射，且建筑物反射面和载机的连线，与雷达波入射方向成一定夹角θ，反射的雷达波指向载机航线方向。因此，作者对雷达辐射源、建筑物和载机飞行航线的位置进行模拟对比，雷达照射建筑物方向与载机方向的方位差，和方向图内起伏位置与主瓣的方位差相同，分析结果印证了作者的设想，如图5所示。
将雷达方向图转为极坐标图，得到极坐标下的雷达方向图，如图6所示，其中，实线代表载机航线，虚线代表雷达波传播方向。，从图中能够直观地看到雷达主/副瓣信号和建筑物反射引起一定方位上的信号幅度起伏。
下文对侦察报文数据率进行统计分析，如图7、图8所示，图7是按距离区间统计相应数据率的占比，图8是从整个报文数据中统计相应数据率占比的统计结果。能够看出，主/副瓣侦察距离均大于300 km，侦察报文数据的数据率明显呈增大趋势，各距离区间相比较，1 s以下的数据率占比逐渐下降，6 s以上数据率占比逐渐升高。随着侦察距离的增大，数据率随之增大。
得到雷达方向图后，将报文数据按雷达主瓣和副瓣进行分类，通过对比基准数据，本文分别得到雷达侦察系统对此地面预警雷达扫描周期为10.1 s，主/副瓣侦察相应的频率精度为0.31/0.35 MHz、脉宽精度0.05/0.10 μs、重复周期精度0.80/0.90 μs、测向精度为1.5/1.9°，最大侦察距离>300 km。
3.2 主/副瓣侦察能力评估
本文通过统计雷达侦察系统对地面雷达的侦察结果，并进行汇总和统计，如表1所示，得到系统而直观的分析结果。
通过统计分析结果，能够评估此侦察系统的侦察能力，此系统具备对不同类型雷达信号的侦察能力，此机载雷达侦察系统能够测量雷达的扫描信息，雷达信号的参数测量精度和辐射源测向精度较高，同时信号测量能力、测向精度、副瓣侦察距离等满足指标要求，主瓣侦察性能略好于副瓣。尤其，通过创新的方法能够从侦察数据中得到相应雷达的方向图，从中清晰的辨别和分选雷达信号的主瓣和副瓣信息，使得分析雷达的主/副瓣信号变得更为直观和高效，也增加了分析、评估的准确性，同时得到侦察系统对应信号主瓣、副瓣的侦察性能。
另外，随着侦察距离的增大，对雷达信号的侦察出现漏脉冲现象，数据率随之增大。不同频段的雷达信号侦察分析结果进行横向对比，随着雷达信号频率的升高，空间等因素造成雷达信号传播的衰减增大，使得侦察到的信号幅度和分析得到的方向图误差变大，分析和评估难度也随之增大。
4 结 论
量化和有效地评估雷达侦察系统的雷达信号主/副瓣侦察能力，成为研究侦察系统试验中的新方向，同时，此方法能够应对周期性扫描的雷达侦察。若侦察系统具备副瓣侦察能力，能够实现在更大的距离上进行侦察，则能大大丰富系统的应用场景、提高其生存能力，尤其是环境中低信噪比雷达信号的接收与分选。
创新的方法以侦察报文数据为基础，分析得到雷达方向图，评估雷达信号主/副瓣侦察能力，挖掘报文数据的同时，提炼出更多的有效信息，丰富地评估系统的真实性能。经分析此方法是有效且可行的，另外，如果评估对其他频段或类型的雷达，只需获取相应的侦察数据，即可对其侦察能力进行详细评估。
参考文献：
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作者简介：李波波（1988—），男，汉族，河南焦作人，工程师，硕士，主要研究方向：雷达与电子对抗系统研究与评估。
