学术: 侦干探通一体化现状与关键技术研究

军鹰资讯2021-06-23 13:37:39

来源: 学术plus

今日荐文的作者为中国空间技术研究院西安分院专家马定坤,匡银,杨新权本篇节选自论文侦干探通一体化现状与关键技术研究,发表于《中国电子科学研究院学报》第11卷第5期。


1. 引言



侦干探通一体化技是研究微波主被动成像探测、电子信号高灵敏度宽带侦察、信息高效互通与高速分发、电磁频谱灵巧多样化干扰的一体化机理、方法和技术等。该项技术是利用电子侦察、信息对抗、微波遥感和通信传输这四个技术领域的相近特点,通过解决侦干探通一体化机理、可重构宽频段天线体制、超宽带低噪复用信道技术、异源异类信息融合处理的理论与方法等四个科学技术问题,实现侦察、干扰、探测、通信四种功能在系统架构、天线设计、信道复用、数据处理、信息融合等层面的一体化。

 

设备精简是一体化最初的设计目的,也是最直接的优势体现。尤其空基、天基平台对于设备的重量和功耗提出了更严格的要求。作战平台在复杂的电磁环境中,实现电子侦察、干扰、微波遥感和通信的一体化能够提升武器平台的利用率,缩短作战响应时间。干探通一体化平台就可以适应不同环境下任务要求,根据空间任务实时调整,确保各项任务高效完成。

 

侦察、干扰、探测、通信是未来信息化战争中的重要组成要素,侦察与通信、干扰(或武器打击)一体化所能体现出的优越性已经受到了各国的高度重视,它将是未来军事电子信息技术的必然发展趋势。虽然这些功能在一体化方面存在着很多问题,但因为一体化后可带来的巨大优势,对未来军事电子技术的发展具有十分诱人的前景。随着科学技术的发展和关键技术的相继突破,侦察、干扰、探测、通信一体化设备必将会带来革命性的进步。 


2. 国外一体化研究现状



侦干探通一体化技术改变了传统各类系统独立设计的思路,采用模块化、开放式、可重构的射频传感器系统体系架构,结合功能控制与资源调度算法、软件,实现雷达、电子战与通信、导航、识别等多种功能。一体化技术能够显著提高系统利用效率,快速应对新的应用需求,动态分配系统资源,降低传感器数目及生产成本,受到世界各国的普遍重视。从现阶段的文献资料来看,目前国外在战斗机空基以及海基雷达上都很好地实现了综合一体化系统。

 

2.1. 空基一体化

空军方面,世界上目前一体化程度最高、最典型的当属美国的第四代战机F22和F35。美国F22战斗机实现了信号与数据处理的模块化、开放式设计,大大减小了航电系统的重量、体积和成本,提高了飞机的隐身性能。F-22机载的AN/APG-77雷达采用有源相控阵技术,同时产生多个波束,来完成搜索、跟踪、电子干扰、通信等功能。

图 1  F-22机载AN/APG-77 AESA雷达工作模态


2005年,美国几家公司进行F-22机载AN/APG-77 AESA雷达宽带通信系统演示验证工作,试验中,AN/APG-77 AESA雷达与一台通信调制解调器相联,数据传输波形采用改进的通用数据链(CDL)波形,传输72Mbit的合成孔径雷达图像数据仅需3.5 s,传输速率为274 Mb/s,而采用Linkl6数据链传输相同数量的数据,则需要48 min,过去对于如此大数量的雷达图像数据,都是在飞机着陆后进行卸载。另外雷达确定目标的位置后,可以通过认知无线电技术感知目标的工作参数,然后作为一个干扰源对敌方终端进行攻击。相控阵技术特别是数字阵技术的发展为雷达、通信一体化的实现,乃至将来的雷达、通信、电子对抗一体化的实现提供了技术基础。

F35战斗机利用联合先进攻击机技术(JAST)计划的研究成果,采纳了源于“宝石柱”等计划的设计思想,即“宝石台”计划。新的有源多功能阵列(MFA)可支持雷达、通信和电子战,并将JSF成本减少30%,所采用的综合孔径技术极大减小了天线数量,重量减少50%。

 

图 2   “宝石柱”计划RF结构图


基于联合攻击技术(JAST)的JSF航空电子计划,其目的是为2010~2040年装备部队的新型战机开发一种可供雷达、电子战和电子通信系统公用的多功能一体化天线。为此,JAST计划办公室启动了多功能一体化射频系统(MIRFS)概F-35战斗机系统正是基于MIRFS研制,该系统集雷达、通信、导航和电子战功能于一身,共享天线和处理器等硬件。其工作于8-12GHz频段,完成对空中搜索与跟踪、空对地攻击作战、合成孔径雷达测绘、空中交通管制和一些通信功能。其花费相当于F-22飞机的50%-60% 的费用,而达到与F-22飞机相同的射频功能。研究结果表明:采用ISS(综合传感器系统)系统,成本为原来1/2,重量为1/2,功耗为2/3,可靠性提升3倍。

2.2. 海基一体化

在海基一体化方面,宙斯盾系统无疑是一个最典型的代表,宙斯盾系统属于能够探测、跟踪和摧毁敌方战机、导弹、水面舰艇和潜艇的攻防兼备的舰载防空综合作战系统。该系统能够以本舰为中心,3-6s时间内对数百个目标进行探测、跟踪、分类评估和攻击,立体防御的空间达到320-480km。


宙斯盾系统的SPY-1D雷达由相控阵天线、信号处理机、发射机和雷达控制及辅助设备组成。它能完成全空域快速搜索、自动目标探测和多目标跟踪。该雷达工作在S波段,对空搜索最大作用距离约为400千米,可同时监视400批目标,自动跟踪100批目标,同时引导拦截12-18批目标。雷达分为四个子阵面,采用单一发射机方式(驱逐舰)减少占用体积。


图 3  宙斯盾SPY-1D的雷达外观


作战状态下,操作人员首先用SPY-1D雷达对全空域进行扫描,发现目标后自动转入跟踪状态,同时决策系统会进行敌我识别、威胁评估和拦截武器的合理配置方案选择,并将数据传递到武器控制系统,武器控制系统会根据数据自动进行拦截程序编写,之后将程序发送到武器发射系统,该系统会按照程序自动发射拦截导弹,而后系统自动装填新的弹药。发射的导弹按照预设程序飞行,并由SPY-1D雷达以低速数据率向拦截弹发送修正弹道数据,当导弹进入末端飞行阶段,转由火控雷达(AN/SPG-62)照射引导。导弹爆炸后,SPY-1D雷达会做出毁伤效果评估,以确定是否需要再次拦截动作。

3. 国内一体化研究现状


国内关于侦干探通一体化电子战系统的研究起步较晚,处于起步阶段,还不具有较为成熟技术。在技术和设备上对比国外要落后许多。随着电子战影响力度的日渐增强,我国也越来越重视电子战系统的信息化、一体化、智能化的研究,许多文献也提出了一些理论指导建议。


就目前可以查阅到的文献而言,我国关于综合一体化电子战系统的信号处理的研究主要还在于仿真模型层次,也有不少的研究成果。

  • 蔡晨曦基于COTS产品实现了超级计算机结构通用软件化雷达信号处理系统,具有出色的可重构性、可扩展性等。

  • 蒋留兵等采用FPGA以及并行处理技术实现了具有良好通用性的电子战综合试验模拟系统信号处理机。

  • 杜子妮利用DSP以及FPGA的特点,实现了雷达电子战通用数字信号处理模块的设计方法,具备可靠灵活、可编程性强、可扩展性好等特点。

  • 邹顺等对机载雷达电子战一体化的技术进行研究并提出了基于相控阵技术的实现方案。

  • 李宁等研究了软件化雷达在通用的雷达并行信号处理系统中的架构设计和实现方案。

  • 史鸿声基于PowerPC高速通用的处理器以及RapidIO串行接口实现了雷达通用处理机的设计。

为了实现侦干探通一体化电子战系统的信号处理机的实时性和通用性,国内外相关研究人员做了大量研究和验证,积累了充分的经验,为实现一体化的信号处理机提供了理论指导和技术支持。


4. 一体化实现途径与关键技术



借鉴软件无线电的思想,侦干探通一体化硬件平台以射频处理、ADC/DAC、DSP/CPU以及通用处理器为基础,部件并用总线。用软件无线电实现的一体化硬件平台采用总线连接,且总线可任选,如PIC和VME总线等,另外也可采用交换网络等其他形式的连接。软件无线电的软件组成对象应与硬件和协议栈各层相结合。采用应用编程接口(API)支持层,能支持应用程序的再利用,即采用相同API层接口标准的应用程序,可以在不同的软件无线电系统中应用。一体化系统结构如下图所示。

图 4  侦干探通一体化系统组成


4.1. 共用信号设计技术


干扰机发射的干扰信号只有部分能量进入雷达接收机,其余能量则未得到利用,且干扰信号作用于敌方处于运动状态的雷达和雷达平台时,也会产生回波,其中就含有雷达及其平台的距离和速度信息。因此,对干扰信号的回波也可加以利用。如果对雷达和干扰信号不作常规意义的区分,将干扰信号与雷达探测信号等同处理,那么通过接收雷达平台反射回来的干扰信号并进行分析处理,就可探测和定位雷达平台,从而实现雷达与干扰信号的共用。这种共用信号既要满足干扰的要求,又要满足雷达探测定位的要求。


4.2. 共用孔径及其波束控制技术


共用孔径技术是一种新的相控阵天线技术,它利用宽带多波束技术将多个天线的功能结合到一个孔径中,完成电子侦察、干扰、目标探测和通信的功能,完成目标跟踪、控制、干扰、欺骗,或满足其他作战要求,是侦干探通一体化系统及其它电磁功能集成到一个硬件设备上的重要技术基础。


相控阵天线能够形成多波束,且波束控制容易,但以往相控阵用于波束控制的移相器只能工作在单个频率上,改变频率会导致波束移动,故将其用于多个波束和多个频率时会产生混乱。因此,用相控阵天线实现共用孔径及其波束控制时,必须研究新的控制方法 ,如采用增量实时延迟法控制共用孔径波束。该法对所有的频率进行延迟处理,利用数字合成器,可在远场获取形成每个波束所需的精确时延。由此,可使整个共用口径产生一个非常窄的波束,与由移相控制系统产生的波束一样,换可用动态配置口径的粉盒部分获得宽波束或特殊形状的波束。


4.3. 源信息处理与多数据融合技术


数据融合技术是一门新的数据处理技术,又称为多传感器数据融合技术或多传感器信息融合技术。它可对多种类、多信息源和多平台传感器所获取的信息自动地进行检测、相关、估计、分析,以便快速、准确、连续、全面地提供战场态势信息。雷达与电子战之所以要一体化,就是为了适应现代战争环境需要,将各种有源和无源传感器有机结合,以扩展在日趋复杂的电磁环境下获取信息的数量和质量,提高对威胁目标识别的可信度,为进攻和防御提供所需的精确信息。因此,数据融合技术是现代军事领域的重要技术之一,是实现侦干探通一体化的重要保障和核心技术。


4.4. 功能的调配和柔性组合技术


一体化系统设计强调所搭建的电子信息系统的系统框架和各功能模块应具有广泛的适应性、扩展性、可重用性和集成性,即应具有“柔性”。只要按一定的规则对系统框架和功能模块进行调配和柔性组合,就可组合出完成所需特定功能的电子信息系统。


柔性组合过程中需要大量不同的功能模块,因此一体化的系统框架是可变的,应具有良好的柔性。柔性系统框架包含以下几类:基本模型类、组合模型类和应用模型类


  • 基本模型类是组成整个系统模型的基本单元,是按照不同功能建立的模型;

  • 组合模型类由实例组成,支持仿真模型的开发;

  • 应用模型类是实际环境的系统运行模型,基于实例的算法要适应实际环境中结构和接口的变化,并具有相应的扩展性。


柔性系统框架主要研究框架的结构、柔性接口、各组成单元间的关系和模型库(组件库)管理。柔性系统框架的模型类可以进行重用,它们经过实例化后生成具有层次化结构的新的模型类。功能模型接口是可变的,可变的模型接口可以减少组合模型对子模型的依赖程度,保证了模型的独立性和可重用性,为自顶向下和自底向上的系统框架设计提供基础。


4.5. 功能软件化与信号处理模块技术


基于信号处理硬件平台的统一设计,其A/D变换应尽量靠近天线,而将尽可能多的系统功能,如侦查、干扰、探测、通信等功能用软件来实现。功能软件化将A/D变换尽量向射频端靠拢,而将中频以后全部进行数字化处理,使系统功能可由软件来控制,系统的功能更新换代变成了软件版本的升级,开发周期与费用大为降低。由于功能软件化至少在中频以后进行数字化处理,通过软件就可很方便地完成宽带天线监控、系统频带调整、信道监测与自适应选择、信号波形在线编程、调制解调方式控制及信源编码与加密处理等,系统监控更加方便。不同功能系统都基于相同标准的硬件平台,将软件分解成为功能相对独立、界面清楚、接口性能良好的软件模块开发,只要加载相应的软件就可完成不同系统之间的互联。


信号处理模块是一体化系统的处理核心,完成对天线、信道送来的通信信号、雷达信号及敌我识别信号等的各种处理,包括对已知信号的解调、参数测量,对未知信号能完成信号调制体制识别等。目前,数据采集、缓存、预处理及解调、海量存储器等信号处理模块的功能实现已基本统一到总线、AD转换器、FPGA、DSP、E2PROM芯片等硬件上,对这些硬件的统一模块化设计和调度管理成为一体化信息处理的关键。信号处理模块的统一设计一定要紧密结合任务需求,通过功能分析与分解,科学合理地划分硬件电路模块,使其具有特定的功能,并有良好的通用性、互换性和接口界面,能在模块间建立良好的通信机制,并做到动态分配,使信号处理的效率达到最佳。


4.6. 高速信号处理技术


雷达电子战一体化系统工作模式多样,信号形式变化复杂,带宽较大,为了满足复杂战场态势感知的实时性以及大容量的回波信号处理工作的要求,必须研制高速信号和数据处理机。


由于收发波束的形成都是基于数字信号的,所以就会受到信道传输能力、信号处理能力等一些瓶颈的限制。宽带数字波束形成首先要根据系统要求来确定指标,波束形成的数目和结果与信号带宽、数据传输能力以及通道补偿都相关。特别是对于宽带信号,不仅数据处理容量大,数字波束形成时,多路通道的幅相一致性直接影响波束形成的副瓣,因此通道均衡处理技术是宽带数字波束形成的关键。


除了以上介绍的6个关键技术之外,实现侦干探通一体化一体化还涉及到多方面的关键技术,如总体设计技术、系统资源调度技术、数据传输总线技术、模块化技术等等。

5. 一体化技术的优势


侦干探通一体化电子战系统的主要功能是主动探测、目标定位、通信、目标引导和压制干扰。侦干探通一体化不只是减少载荷的体积、质量和能耗,也不只是侦查、干扰、探测、通信功能的简单相加。更重要的是,侦干探通一体化可以使它们取长补短,提高各自的性能,增加新的功能,从而提高作战的能力。实现侦干探通一体化的主要优点如下:


(1)提高雷达的作战性能

在接收机灵敏度和雷达辐射功率相同的条件下,侦察机的作用距离远大于雷达,可先于雷达发现目标。因此,电子战系统可为雷达作目标指示,使其能更快地搜索到目标,减少系统的反应时间。


 (2)改善干扰的效果

雷达可测量目标的距离,而一般的电子战系统只能提供目标的到达角、到达时间、频率和脉冲等参数,不能测量目标的距离。因此一体化使电子战系统多了一维信号分选、识别参数,可大大降低虚警,增加信息的可靠度,且可利用雷达提供的目标信息,实现自适应干扰。


(3) 利于干扰效果的判断

单凭干扰机很难准确判断干扰效果。一体化后,可允许电子战系统利用雷达提供的目标距离和航迹等信息,判断干扰效果,以便选择最佳干扰样式。


(4)降低系统复杂度、提高设备的利用率

侦查、干扰、探测和通信系统的原理相同,均包括电磁波的发射、接收过程。两者的子系统也有如天线、发射机、接收机、信号处理器等部分设备重复。侦干探通一体化还可以提高硬件设备的利用率,减少电子设备的制造和维护成本,提高作战飞机的综合作战能力。

6. 小结


侦干探通一体化是在现代复杂电子战环境下提出的新要求。一体化不仅能保证系统功能的完整性,而且可加强系统中各种功能,使电子战能力更加突出,从而可以提高系统的作战效能。但目前侦干探通一体化还面临着许多技术难题。为此需要加强对有关关键技术的研究。