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电子战的业务类型很多,整体上可以分为电子侦察、电子干扰和电子毁伤几个大类。其中电子侦察是电子战的首要环节,是干扰和摧毁的前提条件,且从技术上对带宽性和高增益等性能的要求也最具代表性。因此,文中以典型的战场电子侦察为例,考察电子侦察接收机需要面向战场多平台、多类型、多频段、多方位以及复杂电磁背景的技术需求,如图1所示。
图1说明了电子侦察通常不是一对一的目标观测,而是对广大战场空域中各种不同用途、不同平台、不同频段、不同参数的辐射源的综合侦察问题。由于战场军民融合的电磁环境非常复杂,且雷达种类众多、工作参数多变,电子侦察想要全面掌握战场的电磁态势非常困难,核心挑战包括:
(1)未知的频率:雷达对象的工作频段从0.38~40 GHz的常用频段皆有可能,且随着3 mm波乃至THz等更高频段的雷达对象出现,频率还得进一步扩展。此外,虽然绝大多数雷达的工作带宽在MHz量级,但很多先进雷达采用了宽带跳频或宽带高分辨率成像等雷达工作模式,工作带宽可以达到数百MHz甚至数GHz,这就要求电子战设备的工作频段要尽可能全覆盖,且瞬时带宽尽可能宽,至少要大于雷达的跳频/成像带宽。
(2)未知的方位:雷达对象的空间分布可以很广泛,特别是对于战机、导弹等机动辐射源或新部署雷达,其方位是难以预知的。此外,由于电子战是被动接收雷达的信号,如果运动中的雷达不辐射信号,电子战装备侦收到的方位并非连续、难以预测。因此,电子战通常需要大空域瞬时覆盖能力,例如战斗机在高机动的空战格斗中,威胁来自全方位,此时电子战的雷达威胁告警设备通常需要360°全向覆盖。
(3)未知的时间:对侦察系统而言,作为非配合目标的雷达,其脉冲宽度、重复频率、开关机时间、波束扫描方式、扫描周期等时域参数是不可预知的,尤其是相控阵等新体制雷达,其灵活的波束扫描和猝发探测,因此不能采用时分复用的方式来截获目标,只能时域上连续侦察。
(4)未知的功率:不同辐射功率、不同距离和不同波长的雷达到电子战装备的功率密度本就差异很大,而先进体制的现代雷达又具备了一定的功率控制能力,可以在不同距离、不同扇区和探测不同目标时控制雷达的发射功率,同时雷达可以通过幅相加权等方式改变主副瓣比,甚至进行发射波束置零,造成电子战装备难以预知雷达的功率强度。
(5)未知的波形:现代体制的雷达已普遍采用数字波形生成技术,不仅脉冲间隔可以组变调整,脉内也出现了越来越多的调制类型,比如线性调频、频率分集、频率步进、相位编码等。而信号处理的最优匹配理论决定了对不同类型的波形最优匹配的信号模板是不同的,因此电子战接收机往往会面临信号处理失配、灵敏度下降等困难。
由此可见,从数学角度来讲电子战是一个在已知一定观测量和先验知识条件下对大量参数未知目标的信息反演问题。从信息论的角度来说,对象数量越多、每个对象的描述参量越多、参量的可变范围越复杂,反演的难度越大,而且呈级数增长,这成为了电子战最为根本的科学问题之一。
除了以上电子侦察固有的数学问题,近年来随着雷达技术的不断进步,新形态(如雷达网络)、新体制(如宽带调频、时空猝发、功率管理等)的威胁对象不断涌现,进一步加重了电子战的目标观测和信息反演难度。例如,有源相控阵雷达具备在时、空、频域的捷变特性和功率管理、抗干扰等措施,越来越大的带宽和时带积,不仅显著提高了雷达探测的分辨率和探测距离,而且还造成了电子战装备效能的严重下降;组网雷达通过多部雷达间的密切协同,构成了层次分明、信息关联的雷达网络,如台湾的地面雷达网(强网系统)和美国的航母战斗群,在频段跨度、辐射波形、多发多收方面进一步降低了信号的截获概率和分选聚类特征。以上因素都进一步加重了电子战,尤其是电子侦察的实施难度。
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如上所述,由于电子侦察是在时、空、频、能多域对信号的截获,而这些域是正交的,因此电子战的整体发现概率是时、空、频、能域发现概率的乘积,如公式(1)所示:
$$ {P}_{{\text{系统}}}={P}_{{\text{时}}}\times {P}_{{\text{空}}}{\times P}_{{\text{频}}}\times {P}_{{\text{能}}} $$ (1) 在时域,如果信号是时间平稳的,那么通过时分扫描是可以的。然而新体制雷达通常都不是时域平稳的,甚至是时域猝发的;早期电子侦察机采用类似示波器的“采集-缓存-软件”的处理方式,时域截获概率会显著下降。因此,目前电子侦察接收机通常都是连续工作,可以认为时域的截获概率可以达到100%。
在频域,随着跳频通信、捷变雷达、猝发探测等新体制辐射源的运用,信号在频域的平稳性不再成立,如果接收机仍然采用类似收音机的调谐模式,频域截获概率将大为降低。例如,如果跳频辐射源的跳频带宽达到1 GHz,若电子侦察接收机的瞬时带宽只有100 MHz,虽然对每个子带内的信号都可正常侦收和分析,但整个频域截获概率将只有1/10。
在空域,如果是全向天线或者宽波束天线可以同时覆盖大空域,但往往天线增益低、系统灵敏度低、侦察距离近;如果采用抛物面等窄波束天线或者相控阵波束扫描的方式,灵敏度高、侦察距离远但通常波束带宽较窄。而除了自卫告警的大部分情况下,侦察距离远更为重要,窄波束是必然的选择,但此时必须得空域扫描,空域截获概率低,若波束宽度为3°,那么对于前向90°的空域其截获概率仅有1/30。
在能量域,由于空间信道衰减的存在,雷达等辐射源达到电子侦察系统口面的信号很微弱。一般地,电子侦察对雷达信号的侦察方程可以由下式表示:
$$ {P}_{r}=\left(\frac{{P}_{t}{G}_{t}}{4\pi {R}^{2}}\right)\left(\frac{{\lambda }^{2}{G}_{r}}{4\pi }\right)\frac{1}{{L}_{s}} $$ (2) 式中:λ表示雷达信号波长;R为目标距离;PtGt为雷达等效辐射功率;Gr为接收天线增益;Ls为附加损耗,包括雷达波导损耗、天线极化损耗、大气衰减和接收馈线损耗等。可以将右式第一个括号理解为传播R距离后单位面积的雷达功率密度,它与电子战接收机无关;第二个括号理解为电子战接收机有效口面可以收集到的功率总和,它是电子战接收机的固有性质,与辐射源无关。换算为dB方式为:
$$ {P}_{r}\left({\rm dBm}\right)={P}_{t}{G}_{t}\left({\rm dBm}\right)-20\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}\left(\frac{4\pi R}{\lambda }\right){+G}_{r}\left({\rm dB}\right)-{L}_{s}\left({\rm dB}\right) $$ (3) 可以看到,即使对于主瓣发射功率1 MW的大型雷达,如果在100 km外侦察其副瓣(相对主瓣电平−30 dB),接收机口面的功率密度仅有−81 dBW/m2,以频率10 GHz的全向天线为例,进入接收机信道的能量仅有−120 dBW,非常微弱。相应地,如果电子侦察接收机的系统灵敏度为−120 dBW,那么小于此灵敏度的信号(包括辐射功率小或者传播距离远)将无法侦察到,这就对应能量域的截获概率。理论上只有通过高增益天线和超外差接收机提高系统灵敏度和能量域截获概率,但高灵敏度往往需要窄波束、窄带宽和精细时频处理,恰恰对上述时空频域的宽开相矛盾。
由上述分析可知,若时空频不能同时宽开或者系统灵敏度不够高,则系统的截获概率将只有百分之几甚至更低,严重影响了对辐射源的发现,更无从谈起测量和识别,进而直接降低了电磁态势获取的全面性和及时性。因此,高灵敏度下的时、空、频多域的全面宽开和高灵敏度成为了电子战的核心问题,也是现有技术体制面临的核心挑战所在。正是由于以上技术困难,电子战迫切需要微波光子信号处理等新的技术手段来突破瓶颈限制,提高作战效能。
Application and development of microwave photonics in electronic warfare (Invited)
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摘要:
电子战是夺取信息化战争的关键力量之一,而微波光子技术由于其宽带性、高速性、并行性、小巧性等特征与电子战能力提升的需求高度匹配,已经成功应用于信号产生、传输及处理等环节中。首先从电子战系统的作战要求和能力特征出发,分析了影响电子战效能的核心要素;进而探讨了微波光子的特点及其提升电子战能力的原因,并以光学波束形成为典型应用,分析了微波光子给电子战系统带来的能力提升优势;最后,面向电子战向电磁频谱战转型的发展需求,对微波光子的发展趋势进行了展望。
Abstract:The electronic warfare is a key force of the information war, whose capabilities can be enhanced based on microwave photonics (MWP) technology due to the broadband, high speed, parallelism, and compactness. Microwave photonics technology, as applied to electronic warfare systems, involves the signal generation, transmission, and processing. Firstly, the mission and capability requirements of electronic warfare were presented, and the core elements affecting the effectiveness of electronic warfare was analyzed. Secondly, the advantages of MWP applied to the electronic warfare were discussed in detail. Taking the optical beam forming as an example, MWP technology overcomes the beam-squinting effect. Finally, towards the transition from electronic warfare to electromagnetic spectrum warfare, the challenges and development trend of MWP were proposed.
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Key words:
- electronic warfare /
- microwave photonics /
- broadband /
- array antenna /
- signal-processing
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