郭新民, 王　旭, 魏国华

(1. 北京理工大学信息与电子学院, 北京 100081; 2. 中国人民解放军92785部队, 河北 秦皇岛 066200)

0　引　言

随着战场环境日趋复杂,警戒雷达作为防卫国土安全的“卫士”,成为敌方电子战系统攻击的重点目标,以削弱甚至摧毁雷达系统的效能。因此,军方对雷达在干扰环境下的探测性能提出了更高的要求,以提高雷达的作战能力,客观评估雷达的抗干扰性能成为军方与雷达研制方共同关注的重点[1]。现役雷达的抗干扰性能通常以定性方式进行描述,没有进行定量评估,军方无法确切掌握雷达在复杂电磁环境下的真实探测性能。而军方作为雷达的使用者,必需充分掌握各雷达的真实性能才能对其进行合理的布站,使雷达间有效地配合,充分发挥各雷达的优势、弥补各自的不足,达到有效的防空警戒的目的[2-4]。因此,需要一套雷达抗干扰性能的定量评估方法以衡量雷达在干扰环境下的真实探测性能[1]。

原则上讲,在复杂电磁环境下进行大量雷达对抗试验,测取大量数据并进行处理,再基于战术应用准则提出的指标评估雷达的抗干扰性能,计算出的最终结论是最可靠的[5]。但实际上,限于试验经费、空中兵力、干扰兵力及试验空域的协调等因素的制约,对雷达进行大量抗干扰试验是难以实现的。全面、客观地评估雷达的抗干扰性能存在以下困难。第一,雷达研制方提出的性能指标往往只以一种形式说明,这种情况下用理论分析和仿真的方法来评估雷达性能是较易实现的,但将其转到一个具体的测试目标及建立测试所需的气象、海浪或地物杂波环境时则很困难,要使外场测试结果有意义,必须把雷达设计指标转化为实际的目标和环境,并且能再转换回来。第二,外场测试时,要在自然环境下对雷达施加电子干扰,以检验雷达在干扰环境下的工作性能,然而在战场环境下,雷达将对抗敌方的多种威胁或电子干扰,雷达与敌方电子战系统之间的对抗是一个动态博弈过程,包含了大量的不确定因素。随着电子技术的飞速发展,对雷达的干扰技术也在不断提高,雷达在对抗某一种干扰时表现优越,并不能说明该雷达在对抗其他干扰时同样优越。因此,要使雷达抗干扰性能的定量评估结果有意义,必须说明雷达外场测试的环境条件,包括动目标、杂波反射、气象、人为干扰、其他干扰以及企图截获雷达信号的电子支援措施等[6-7]。综上所述,定量评估雷达的抗干扰性能难度很大。

评估雷达的抗干扰性能是一个多指标综合评估的过程,其中建立雷达抗干扰性能指标体系(以下简称“指标体系”)是评估问题的重点,指标体系应能客观、全面地反映雷达的抗干扰性能[1]。文献[8-18]分别提出了指标体系,但对于不同功能的雷达,只提出了一套评估指标体系。然而在典型战场环境下,不同功能的雷达肩负的职责不同,将对抗不同样式的电子干扰,对其评估的重点也不相同。因此,用同一套评估指标体系评估不同功能的雷达在不同干扰环境下的抗干扰性能并不准确,需要对雷达抗干扰性能评估方法进行细化。本文针对岸基两坐标警戒雷达(以下简称“警戒雷达”)的抗干扰性能进行分析,针对警戒雷达在典型战场环境下对抗的有源干扰,对不同的干扰采用相对应的指标体系进行评估。现代的军用雷达通常是作为军事武器系统一个必备的组成部分,不同功能的雷达都是直接或间接为后端的武器系统服务的。因此,确定指标体系时,必须把雷达与武器系统联系起来,根据武器系统对雷达的需求,建立最终的评估指标[5]。雷达抗干扰性能的评估贯穿于从系统分析设计到外场测试整个过程的[19-21]。本文从雷达的系统设计指标与外场测试两个方面考虑,通过合理的多层结构分析,针对噪声干扰与密集假目标干扰分别构建了指标体系,综合运用层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)与专家统计分析法确定各指标权重,运用AHP对雷达的抗干扰性能进行定量评估。

1　警戒雷达抗干扰性能评估指标体系

在雷达的系统设计阶段进行抗干扰性能评估时,必须根据雷达的使命任务需求及其工作的背景环境确定雷达的各种工作方式及其性能,即必须确定一套可行的系统级技术指标,以说明雷达要实现的全部功能。因此,可以在理论上基于雷达的系统设计指标初步评估雷达的工作性能。另一方面,理论分析的方法尚未发展到足以精确预测雷达性能的程度,所以需要对雷达进行外场测试以检验系统设计指标的合理性及抗干扰技术或算法的有效性。但是,大多数雷达性能的外场测试结论具有统计特性,限于雷达探测的合作目标、干扰兵力及经费等条件的限制,不可能进行大量的雷达对抗外场测试以评估雷达性能。因此,本文基于理论分析与外场测试两方面构建评估指标体系。

1.1　理论分析

1.1.1基本技术指标

噪声干扰下的雷达作用距离[22]、测距(时延)精度及测角精度[23]的公式为

(1)

(2)

(3)

(4)

文献[23]提出用抗干扰改善因子(electronic counter-countermeasures improvement factor, EIF)来评估雷达的抗干扰性能,其计算公式为

(5)

式中,(S/J)K为雷达采取抗干扰技术后的输出信干比；(S/J)0为未采取抗干扰技术的输出信干比。由式(5)可以得出,EIF可以直观地反映雷达采取抗干扰技术后信干比改善的程度,但无法确定改善后的信干比与雷达检测目标所要求的信干比之间的关系。另一方面,由于EIF是关于灵敏度时间控制、天线的垂直方向图和目标的雷达截面积的函数,因此,当雷达受干扰时雷达采取抗干扰技术这一较短的时间内,对于低速运动的目标,上述3项参数变化较小,然而对于高速运动目标(如战斗机),上述3项参数变化较大,对EIF有一定的影响,无法准确衡量抗干扰技术对信干比的改善程度。警戒雷达的首要职责是探测威胁等级较高的敌方目标,如高速飞行的战斗机、导弹等[24],因此,EIF不适宜作为定量评估警戒雷达抗干扰性能的指标。

1.1.2抗干扰技术

警戒雷达采取的抗干扰技术对雷达在干扰环境下的探测性能有至关重要的影响。当警戒雷达处于干扰环境下,通常采取以下两方面措施进行对抗。①阻止干扰信号进入雷达系统内部。采用超低副瓣天线、自适应波束形成等技术抑制干扰信号;或采取频率捷变,迫使敌方的干扰信号拓展到极宽的带宽上,使雷达收到的干扰功率密度下降;或采取波形捷变、重频抖动等技术,增大电子战系统对雷达信号的侦收难度[25-28]。②采取信号处理、数据处理等技术抑制干扰。当干扰信号进入雷达系统内部,利用干扰信号与目标信号在时频域[29-31]、极化域[32]、回波特性、运动特性[33]等方面存在的差异,采取多普勒旁瓣对消、旁瓣匿隐、虚假点迹过滤、动目标检测(moving target detection, MTD)及动目标显示(moving target indicator, MTI)等技术进一步削弱、抑制干扰,使雷达在干扰背景下将目标信息提取出来[34-35]。

1.1.3工作体制

警戒雷达的工作体制主要有脉冲压缩(pulse compression, PC)和相控阵两种。警戒雷达的首要任务是在尽可能远的距离及时检测并跟踪威胁目标,因此,对探测距离提出了较高的需求。PC雷达通过发射较宽的脉冲信号提高发射信号能量,增大目标检测概率与探测距离,同时在接收回波信号时采用匹配滤波技术输出窄脉冲,以满足警戒雷达对远距离目标探测和距离分辨力的需求[36],因此,警戒雷达广泛采用PC体制。相控阵体制的雷达具有灵活的能量管理、波束控制及自适应阵列处理能力,具有很强的抗干扰能力和多目标处理能力。

1.2　外场测试

外场测试主要检验雷达在干扰条件下的战术性能。将雷达在干扰条件下的战术性能与系统设计的战术指标相比较,可直观地反映雷达的抗干扰性能,本文定义了下列指标:相对探测距离、相对角度分辨力、相对距离分辨力、相对角度精度、相对距离精度、真目标跟踪概率及假目标剔除概率。各指标的定义如下:①相对探测距离是雷达在干扰条件下的最大探测距离与其设计要求的作用距离的比值;②相对角度/距离分辨力是雷达设计所要求的角度/距离分辨力与雷达在干扰环境下测得的角度/距离分辨力的比值;③相对角度/距离精度是指雷达设计所要求的角度/距离精度与雷达在干扰环境下测得的角度/距离精度的比值;④真目标跟踪概率是雷达在干扰环境下跟踪的真实目标数量与雷达在无干扰环境下跟踪的真实目标数量的比值;⑤假目剔除概率是雷达在干扰环境下通过采取抗干扰技术抑制掉的假目标数量与雷达在干扰环境下未采取抗干扰技术时的假目标数量的比值。

1.3　评估指标体系的构建

在评估实践中,评估指标直接决定评估结果的可信度与评估方法的实用性[37]。不同功能的雷达肩负着不同的使命任务,在防空反导的作战过程中,雷达在对抗不同类型的电子干扰时会采取不同的抗干扰技术,因此需要根据雷达的作战用途以及对抗场景选取评估指标,同时指标体系构建时应充分把握完备性、独立性、可用性3个原则。本文充分考虑警戒雷达在典型战场下的干扰环境,对警戒雷达抗干扰性能评估指标体系进行细化。针对警戒雷达将主要面临的噪声干扰与密集假目标干扰,分别构建了评估指标体系,如图1和图2所示。

图1　警戒雷达抗噪声干扰性能评估指标体系

图2　警戒雷达抗密集假目标干扰性能评估指标体系

本文从警戒雷达的工作体制、抗干扰技术以及干扰环境下的战术性能3个方面入手,构建了评估指标体系,涵盖了国内以及部分国外引进雷达所具有的较为成熟、有效的多种抗干扰技术和工作体制,具有较好地完备性。该评估指标体系不仅理论上可行,而且具有可操作性。当警戒雷达面临不同样式的干扰时,可以选取相应的指标体系进行评估,且指标体系中各指标值均可通过本文提出的方法获取。由于舰载两坐标警戒雷达具有的抗干扰技术以及所面临的有源干扰样式与岸基两坐标警戒雷达相同,因此,本文提出的警戒雷达抗干扰性能评估指标体系及评估方法适用于岸基/舰载平台的两坐标警戒雷达。

2　警戒雷达抗干扰性能评估方法

确定指标权重的方法主要有两类:主观赋权法与客观赋权法。主观赋权法是基于专家的知识、经验与认识,通过对研究对象评估指标的重要性进行判断,进而确定指标权重,如AHP、专家统计分析法,这类方法在赋权过程中,通过采取不同的技术或算法可在一定的程度上降低赋权的主

观性,但对专家存在一定程度的依赖。客观赋权法是通过数理统计运算求解指标权重,如相关系数法和主成分分析法。这类方法虽然避免了主观及人为因素的影响,但需以大量统计数据为基础,且有时权重值并未客观反应评估指标的真实重要程度,存在一定的偏差[38]。

AHP是由美国运筹学家塞蒂教授提出的一种将定性与定量分析相结合的、系统化的决策分析方法,其把研究对象作为一个系统,按照分解、比较判断、综合的思维方式进行决策,广泛用于军事指挥、经济计划和管理、能源政策和分配等领域。雷达对抗领域的权威专家对国内雷达以及国外引进雷达采用的抗干扰技术及其实际性能有准确的认识,对国外的雷达前沿技术保持追踪和学习,积累了丰富的经验,能对雷达性能做出较为客观、准确的评价。因此,本文综合运用AHP与专家统计分析法确定指标权重,以提高赋权的准确性。

AHP将研究对象或问题分解为若干组成因素以形成递阶层次结构,进而评估系统的综合效能,主要分为以下4个步骤[39]:

步骤1根据研究的对象,建立层次结构模型。首先将研究对象或问题根据一定的准则分解为若干因素,各因素按照各自相应的准则或依据再向下分解,这样逐层分解以形成递推层次结构模型。

步骤2构造判断矩阵。权威专家根据经验和认识,利用1～9标度法对各指标进行相对重要性评估以构造判断矩阵。

步骤3求解该矩阵的最大特征值、对应的特征向量,做一致性检验[39]。如果通过检验,将特征向量归一化处理后就得到最终的权重向量;若不通过,则重新构造判断矩阵。

步骤4计算每层元素对研究对象的合成权重。

通过多位雷达对抗领域专家分别对抗干扰技术、工作体制对雷达抗干扰性能的重要性进行评分后再取均值,求得的各项指标的重要性结果如表1～表3所示。

表1　抗干扰技术对警戒雷达抗噪声干扰的重要性1)

注1): MTD表示动目标检测技术,MTI表示动目标显示技术。

表2　抗干扰技术对警戒雷达抗密集假目标干扰重要性

表3　工作体制对警戒雷达抗干扰的重要性

关于抗干扰技术重要性说明:首先假定警戒雷达在受到干扰时,能采取有效的措施使接收机和终端数据处理不饱和,否则将可能导致雷达无法有效探测、输出目标信息或者直接导致雷达终端分系统死机,此时则认为雷达的抗干扰性能为零;再者假定雷达采用的抗干扰措施都是采用很成熟的技术或算法实现的,且雷达辅助天线的数量大于或者等于干扰源的数量,当雷达同时具有MTD与MTI功能时,只考虑MTD的重要性;当雷达同时具有多普勒旁瓣对消、旁瓣匿隐、旁瓣对消中的3项或两项功能时,只取重要性最大的指标;当雷达同时具有恒虚警与杂波图功能时,只考虑恒虚警的重要性;当雷达同时具有MTD与杂波图功能时,只考虑MTD的重要性。通过上述说明,可以对评估指标体系进行优化,进而可以使雷达抗干扰试验外场测试项目减少约15%。

为降低AHP对指标权重赋值的主观性,邀请多位雷达对抗领域的专家对各指标的相对重要性进行统计分析,基于统计结果构造的判断矩阵通过一致性检验,求得权重为:A层与D层中各指标的权重均为[0.1830.817],B层与E层中各指标的权重均为[0.3900.610 1];在C层与F层中,干扰条件下的战术性能指标的权重如表4和表5所示,雷达的工作体制确定后,其对应体制的权重即为1,其余体制权重为0;抗干扰技术的权重计算公式为

(6)

式中,ωi为第i个指标的权重;μi为第i个指标对雷达抗噪声/密集假目标干扰的重要性度量。根据表1、表2及抗干扰技术的重要性说明,确定最终参与评估的抗干扰技术,如果包含第i个指标,则δi为1,否则为0。

表4　指标层C中各战术指标权重

表5　指标层F中各战术指标权重

设雷达的工作体制、抗干扰技术及外场测试得到的各指标数据为αj(j=1,2,…,n),通过加权求和得到最终的评估结果为

(7)

根据文献[40-42]与雷达电子对抗的外场试验总结,警戒雷达在受到噪声干扰时,采取自适应变频、多普勒旁瓣对消、点迹过滤等技术时,可得到抗噪声干扰的最佳效果。在受到密集假目标干扰时,采取重频抖动、旁瓣匿隐、频率捷变、点迹过滤等技术时,可达到抗密集假目标干扰的最佳效果。由于相控阵雷达具有灵活的波束控制、空间功率合成及自适应阵列处理能力,因此比PC雷达具有更强的抗干扰性能。在防空反导作战中,警戒雷达在探测由敌方电子干扰掩护下的飞机编队时,指挥员需要及时掌握威胁目标信息,要求雷达在尽可能远的距离上发现目标位置及数量,为指控中心及时提供预警信息。因此,评估雷达对抗噪声干扰的战术性能时,威力最重要,分辨力次之,对精度的要求最低。警戒雷达在对抗密集假目标干扰时需要保持对真实目标的继续跟踪,且尽可能多地剔除假目标,降低虚警。因此,评估雷达对抗欺骗性干扰的战术性能时,真目标跟踪概率与假目标剔除概率都很重要。根据以上分析,基于AHP与专家统计分析计算出的指标权重符合战场情况下指挥员对警戒雷达战术指标重要性排序的要求,抗干扰技术的重要性排序与雷达抗干扰外场试验总结一致。

本文针对国内雷达及部分国外引进雷达较为成熟且有效的抗干扰技术,给出了这些抗干扰技术的重要性度量值,评估指标体系中各技术指标值均可由此获取,各战术指标值可通过军方的雷达验收试验结果报告获取。相比传统的定性描述方式,该方法实现了警戒雷达抗干扰性能的定量评估,使军方较为全面地掌握雷达在干扰环境下的真实探测性能,便于指挥员对各雷达合理地布站使用。需要说明的是:由于指标体系中干扰环境下的各战术指标值是在特定的外场环境下测得的,因此,在使用该方法评估警戒雷达的抗干扰性能时,需要说明该雷达进行外场试验的测试环境,在此条件下使用该方法计算出的定量评估结果才有意义。若需评估、比较不同警戒雷达的抗干扰性能以便进行合理的布站,应确保参试干扰机的参数设置相同或者与雷达相匹配,确保动目标、杂波反射、气象及其他干扰等外场测试环境相同。

3　评估实例

现以某5部岸基警戒雷达为例来验证该模型,5部雷达的具体参数如表6所示。雷达探测的空中目标为民航飞机,在距雷达天线一定距离处放置一个干扰信号模拟器,其参数设置如表7所示,当飞机即将进入雷达探测空域时,干扰信号模拟器开始施放干扰,且干扰信号的带宽大于雷达的带宽,测试分辨力指标时采用两个目标信号模拟器来模拟两个目标,利用广播式自动相关监视(automatic dependent surveillance broadcast, ADS-B)系统获取飞机的真值数据信息。5部雷达的定量评估结果如表8和表9所示。为确保参试飞机飞行试验的安全,外场试验是在气象条件较好的条件下进行的,天气晴朗,微风,无其他人为干扰。各项外场测试结果均在满足规定置信度要求的基础上经多次测量取平均值确定。

表6　5部警戒雷达的技术指标和外场测试结果

表7　干扰信号模拟器的参数设置

表8　5部警戒雷达的抗噪声干扰评估结果

表9　5部警戒雷达的抗密集假目标干扰评估结果

雷达2与雷达3具有自适应变频、副瓣对消、MTD等技术以对抗噪声干扰,具有脉间频率捷变、重频抖动、副瓣匿隐等技术以对抗密集假目标干扰,采取有效的抗干扰技术后探测性能有明显的改善,在外场测试中相比其他3部雷达具有更好的性能,干扰环境下的战术性能损失相对较小,抗干扰性能相对较强;雷达1与雷达5具有自适应变频、MTD、杂波图等技术以对抗噪声干扰，具有脉间频率捷变、重频抖动、波形捷变、干扰源指向等技术以对抗密集假目标干扰，干扰环境下的战术性能处于中等水平；雷达4采用的抗干扰技术相对较少,干扰环境下的战术性能损失相对较大,抗干扰性能相对较弱。评估实例结果表明,由该方法计算出的5部警戒雷达抗干扰性能定量评估结果符合各部雷达外场测试的性能总结。

4　结　论

本文提出了一种警戒雷达抗干扰性能的定量评估方法。与现有理论方法相比,该方法对警戒雷达抗干扰性能评估进行细化,针对压制式干扰与密集假目标干扰分别进行评估,通过选取合适的战技指标分别构建了评估指标体系,并根据不同警戒雷达可能具有不同的抗干扰技术,进一步给出了评估指标体系的优化方法,可操作性更强;与外场技术方法相比,该方法可减少雷达抗干扰试验外场测试项目约15%,节省了外场试验时间,降低了外场试验组织的复杂度。评估实例结果表明,由该方法计算出的定量评估结果能客观地反映雷达的抗干扰性能,符合各部雷达参加外场测试时的性能总结。

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