飞行器射频隐身技术研究综述

时晨光, 董 璟, 周建江, 汪 飞

(南京航空航天大学雷达成像与微波光子技术教育部重点实验室, 江苏 南京 210016)

0 引 言

隐身、反隐身是当前军事对抗的基本特征和未来发展趋势。随着无源探测系统探测性能的不断提升,飞行器的生存能力和突防能力受到了严重威胁与挑战。无源探测系统能够在不辐射电磁波的条件下探测到有源电子设备发射的电磁信号,且现有的无源探测系统的探测距离已经远大于飞行器的探测距离,这对飞行器的生存和突防带来了极大挑战[1]。因此,飞行器如何在完成作战任务的条件下,保证自身不被敌方截获已经成为急需研究和解决的问题。

飞行器射频隐身技术是指机载雷达、数据链、高度表、电子对抗等机载有源电子设备通过降低自身射频辐射特征,以抵御敌方无源探测系统的截获、分选、识别、跟踪的技术,从而降低截获接收机对飞行器的截获概率和截获距离,提高飞行器自身的生存能力和突防能力。射频隐身技术不是一种单一的技术手段,而是多种技术的高度融合。

在当前射频隐身技术研究中,美国占据着主导地位。根据已公开的资料,从20世纪70年代开始,美国最先着手进行射频隐身技术的相关研究。1973年,美国启动了“Have Blue”项目,开展低截获概率(low probability of intercept,LPI)雷达系统的试飞实验,并将不同型号雷达的射频隐身性能进行评估对比。实验结果显示,采用射频隐身技术的雷达被无源探测系统截获的概率更低。20世纪80年代,美国完成了第一套机载LPI雷达实验,实验中使用的是法国的幻影飞机Cyrano雷达系列,隐身后的雷达具有9个发射波束、320 MHz信号带宽以及-55 dB天线副瓣电平。实验结果表明,拥有射频隐身性能之后的雷达,被无源探测系统截获的距离大大降低,约为不采取射频隐身技术之前截获距离的1/100。在这一阶段,美国还没有掌握射频隐身技术。

20世纪80年代后期,电子信息和信号处理技术得到了飞速发展,射频隐身技术也随之取得了较大发展。美国在B-2隐身轰炸机上装备了APQ-181相控阵雷达,该雷达具有5级功率控制和发射波形选择功能,其射频隐身特性优于传统机载雷达。这说明美国已部分掌握了射频隐身技术。

20世纪末21世纪初,美国对F-22和F-35战斗机进行系统更新,将射频隐身技术应用于机载雷达、机间数据链、导航、敌我识别、电子对抗等机载电子设备上,综合一体化隐身理论得到了应用。F-22隐身战斗机上装备了“多功能先进数据链”,该数据链系统具有6付点扫描波束切换智能天线,能够采用窄波束“锁链模式”发射,使其射频隐身性能得到进一步提升。F-35战斗机装备的AN/APG-81机载雷达,实现了电子对抗和有源相控阵雷达的高度融合与飞行器射频隐身能力自动化。这也标志着美国已经完全掌握了射频隐身技术,并具备作战能力,将多种射频隐身雷达及数据链系统应用到实际战场环境中。

我国在射频隐身技术的研究方面起步较晚。21世纪初,我国研究人员开始对飞行器射频隐身技术进行研究[2]。飞机射频隐身技术除了射频隐身雷达之外,还包括数据链、导航、电子对抗等有源电子设备的射频隐身。文献[1-5]对射频隐身技术的发展与应用进行了讨论,说明了我国深入开展射频隐身技术研究的必要性和迫切性。

本文对飞行器射频隐身技术进行综述,阐述了射频隐身技术基本概念和研究现状,介绍了射频隐身技术的基本原理和实现途径,归纳评述了射频隐身技术领域的研究成果,基于现有成果的总结和分析,针对当前射频隐身技术发展存在的问题,对飞行器射频隐身技术的未来发展趋势进行了展望。

1 飞行器射频隐身技术的基本原理及实现途径

飞行器射频隐身技术有多种实现途径,其中主要的有最低辐射能量控制、低副瓣天线、射频隐身信号波形设计、射频信号最大不确定性设计、多传感器协同与管理等[6-12]。下面主要介绍这5种技术途径的基本原理。

1.1 最低辐射能量控制

当机载雷达和数据链等机载有源电子设备在作战中使用足够的辐射功率和辐射时间进行工作时,可以实现先敌发现、先敌打击、先敌摧毁,但是这也会使敌方的无源探测系统很容易的截获到我方飞行器辐射的电磁信号,从而对其生存能力构成威胁,并影响到我方作战任务。因此,在保证实现飞行器任务的条件下,需要根据作战环境和作战需求进行最低辐射能量控制,使机载有源电子设备始终辐射最低能量。降低辐射功率,可以降低敌方无源探测系统的截获距离;缩短辐射时间,能够有效降低敌方无源探测系统的累积截获概率。

1.2 低副瓣天线

对于大口径高功率相控阵雷达,其针状主波束只占实体空间立体角的千分之几到万分之几。一般情况下,主瓣照射截获接收机平台的概率很低。即使截获接收机采用宽口径、宽频段工作方式,也基本上依靠天线的副瓣对目标进行截获。因此,天线副瓣电平的大小将直接影响机载相控阵雷达射频隐身性能的优劣。

1.3 射频隐身信号波形设计

为了降低敌方无源探测系统的截获概率,提高有源电子设备的射频隐身性能,峰值功率低、频带宽的连续波信号是最佳选择。然而,连续波雷达的发射信号及其噪声会漏入接收机,使得连续波难以应用于飞行器平台。因此,需要采用大时间带宽积的发射信号,通过频率跳变、相位调制、多相编码能实现雷达发射波形的多样性,尽可能减少单位带宽的频谱密度,从而降低信号被分选识别的概率,提高飞行器的射频隐身性能。

1.4 射频信号最大不确定性设计

信号的不确定性与截获接收机的时频处理方法有关,通过对射频信号进行最大不确定性设计,能够有效抵御敌方无源探测系统的分选、识别。例如,采用工作时间、脉冲重复频率、频率、码片速率等波形参数的不确定性设计以及雷达波束的空间随机扫描等技术,可使敌方难以预测下一次信号发射的时间和波形特征。

1.5 多传感器协同与管理

多传感器协同与管理也是实现飞行器射频隐身的主要技术手段之一。对平台上的各个传感器进行时域、空域和频域的综合管理,通过多平台间数据链实现战场综合态势感知与信息融合,在满足飞行器任务性能要求的条件下,对各机载传感器的辐射功率、辐射时间、工作频率、波形参数等进行优化控制,以降低被敌方无源探测系统截获的概率。

2 飞行器射频隐身技术研究现状

随着机载电子信息技术快速发展,飞行器射频隐身性能得到了显著提升。下面主要针对射频隐身性能指标体系、最低辐射能量控制、低副瓣数字波束形成、射频隐身信号波形设计、多传感器协同与管理等5个方面的主要研究进展情况进行评述。

2.1 射频隐身性能指标体系

科学的表征飞行器射频隐身指标体系是开展飞行器射频隐身技术研究的基础。飞行器射频隐身表征参量分为飞行器射频目标特征参量和飞行器射频隐身性能参量[13]。飞行器射频目标特征参量只与飞行器自身的射频性能有关,飞行器射频隐身性能参量不仅与飞行器自身的射频性能有关,还与敌方无源探测系统的性能参数有关。目前,已公开发表的飞行器射频隐身性能参量主要包括截获因子、截获圆等效半径、截获球等效半径、截获概率。飞行器射频目标特征参量主要包括射频辐射强度和信号波形特征不确定性。

最早进行飞行器的射频隐身指标体系相关研究的是美国的施里海尔,1985年其在国际雷达会议发表了《Low Probability of Intercept Radar》[14],该论文首次提出了施里海尔截获因子的概念。施里海尔截获因子定义为无源探测系统的截获距离与雷达目标探测距离之比,公式如下:

(1)

式中,RI表示无源探测系统的最大截获距离;RD表示雷达的最大目标探测距离。当截获因子小于1时,说明无源探测系统的截获距离小于雷达目标探测距离,则雷达信号不易被截获,称其具有射频隐身性能;当截获因子大于1时,表明雷达信号容易被截获;当截获因子等于1时,系统处于临界状态。因此,截获因子越小,对雷达的生存就越有利。

2005年,美国的Wu[15]提出了使用截获圆等效半径(circular equivalent vulnerable radius,CEVR)对射频隐身性能进行评估的方法,其数学表达式为

CEVR=

(2)

式中,(Pr/N0)revd为截获机接收到的信噪比;(Pr/N0)reqd为截获接收机满足一定发现概率要求时所需要的输入信噪比;Area为满足条件(Pr/N0)reqd<(Pr/N0)revd的圆形面积。在该圆形面积内,雷达发射机所发射的信号很容易被敌方截获接收机所截获,称该圆形区域为易受攻击面积,从而可计算出截获圆的等效半径CEVR。2007年,来自澳大利亚的Dishman[16]将经典CEVR推广到三维空间,提出了截获球体积的等效半径来评估雷达的射频隐身性能。这两种表征方式和施里海尔截获因子相比计算量较大,实际应用十分困难。

美国的Lynch[1]于2004年提出使用截获概率评价飞行器的射频隐身性能,并给出了相应的计算公式,如下所示:

Pi=

(3)

式中,PF为截获接收机调谐到发射机频率的概率;PD为在照射和调谐适当的情况下,发射机被探测到的概率;AF为天线波束覆盖面积;DI为截获接收机密度;TOT为发射机对截获接收机的照射时间;TI为截获接收机的搜索时间。

由Lynch所提出的截获概率的计算公式可以看出,截获接收机密度越大,截获概率越高;截获接收机搜索时间越短,截获概率越高。通过降低发射机主瓣波束宽度、减少驻留时间,可以有效降低截获概率。

2010年,杨红兵等学者[17]对施里海尔截获因子进行了研究和改进,提出采用信号截获率来表征射频隐身性能的方法。该方法通过将施里海尔截获因子和截获概率相结合,可以表示为

(4)

式中,α为施里海尔截获因子;P{X=i}为雷达在n次扫描中被截获到i次的概率。当施里海尔因子大于1时,截获接收机的截获距离大于飞行器的探测距离,此时飞行器的射频隐身性能主要取决于无源探测系统截获机载雷达所需的照射时间;当截获因子小于1时,飞行器的探测距离大于截获接收机的截获距离,此时飞行器的射频性能主要由雷达天线扫描捷变方式以及截获因子共同决定。

2012年,李寰宇等学者[18]提供了一种新的射频隐身评价指标研究思路,提出根据天线波束覆盖范围内所有截获接收机的联合截获概率对飞行器射频隐身性能进行评估,联合截获概率的表达式如下:

(5)

式中,N为在波束覆盖范围内的截获接收机总数;Pi为第i个截获接收机的截获概率。

2014年,汪飞[19]、时晨光等学者[20-21]针对雷达信号的抗分选性能,提出了安全信息量的概念。安全信息量的定义是从无线通信中的安全容量引入的,表征了典型场景和条件下雷达信号的抗分选性能。安全信息量的物理模型如图1所示,图中X、Y、Z分别表示雷达发射机、雷达接收机和截获接收机。

图1 安全信息量物理模型示意图Fig.1 Schematic diagram of security information physical model

同年,时晨光等学者[22]将施里海尔截获因子推广到雷达组网系统,所得到的表达式为

(6)

式中,Pt为组网雷达系统发射功率;SNRnet为组网雷达系统接收机灵敏度;N为雷达个数;Cnet和Cint分别为与雷达组网和截获接收机有关的系统常数。

2014年,陈兴凯等学者[23]针对火控雷达组网抗分选问题,提出了通过实时判断跟踪精度是否满足要求来控制各雷达间隔开机状态的方法,该方法能够提高自身辐射信号的不确定性,从而达到提升其抗分选能力的目的。

2016年,宋文彬等学者[24]构建了传感器协同射频隐身性能评估系统,给出了传感器协同级的射频隐身性能评估指标,并对射频隐身性能评估指标的主要影响因素进行了分析。2017年,何召阳等学者[25-26]从信号的极化域、波形域和能量域对射频隐身性能评估方法进行研究,提出了不依赖敌方探测设备的、基于自身辐射源特征的评估方法,仿真结果验证了该方法的有效性。同年,王经商等学者[27]提出了一种低截获波形射频隐身性能评估方法,该方法考虑到实际作战环境的影响,通过相对熵和波形截获因子加权构建波形射频隐身表征因子。仿真结果表明,该评估方法能够有效度量低截获信号波形的射频隐身性能。

2018年,曾小东[28]提出基于层次分析法的射频隐身性能量化评估方法,该方法可以用于单系统的射频隐身性能评估,也适用于对多个系统之间的射频隐身性能进行比较。同年,王亚涛等学者[29]提出了基于数字仿真的截获概率计算方法,并给出了动态场景下单传感器和全机截获概率的计算方法。王谦喆等学者[30]对机载航电系统设备在波形域、能量域、极化域的射频隐身指标进行了构建,并建立了基于机载航电系统自身工作状态和辐射参数的射频隐身性能评估方法,仿真结果验证了该方法的实用性。

2020年,杨诚修等学者[31]对航空集群在突防场景下的射频隐身性能评估方式进行研究,选取了4个隶属度参考点,将正态波动犹豫模糊集(normal wiggly hesitant fuzzy set,NWHFS)加权相关系数作为定量评估指标,并由此确定射频隐身性能排序。在此基础上,其对空战模式下航空集群的射频隐身性能评估方式进行了研究[32],选取5个评估因子,将NWHFS分数函数作为评估指标,由此进行射频隐身性能排序。该算法充分发掘决策者的潜在偏好,将主客观信息有效结合,使得评估结果更加科学。

2.2 最低辐射能量控制

最低辐射能量控制是实现飞行器射频隐身的主要技术途径之一。机载雷达、数据链、高度表、电子对抗等有源电子设备针对不同的作战环境和任务要求,通过机载射频管理系统自适应控制发射机的发射功率,使得机载雷达、数据链、电子对抗等采用低峰值功率发射,最大限度地减少发射时间,从而降低敌方无源探测系统的截获距离和截获概率。

机载雷达工作时,通过最小化机载雷达辐射的能量,有助于改善雷达的射频隐身性能,提高雷达在战场上的生存能力。2011年,张贞凯等学者[33]首次提出了基于射频隐身的相控阵雷达搜索方法,利用带精英策略的非支配排序遗传算法对雷达搜索模型进行了优化。该模型能够在保证较好检测性能的同时减少雷达辐射能量消耗。2012年,基于交互式多模型(interacting multiple model,IMM)跟踪算法和协方差控制思想,该团队提出了能自适应控制采样间隔和发射功率的机载相控阵雷达设计方法[34]。同年11月,该团队又基于功率控制思想提出了相控阵雷达功率分级准则,根据目标距离和雷达反射截面(radar cross section,RCS)对雷达辐射功率进行自适应控制,可以有效降低雷达的截获概率[35]。

2013年,刘宏强等学者[36]提出了单目标跟踪条件下的机载雷达辐射功率与辐射间隔自适应控制策略,所建立的优化模型在满足给定目标跟踪精度约束的条件下最小化截获概率。仿真结果表明,所提出的优化策略在跟踪时间超过30 s后的雷达截获概率低于传统方法。

2014年,张杰等学者[37]提出了射频隐身条件下相控阵雷达的搜索控制参量优化设计方法,分别从最小化截获概率和最大化探测距离两个角度建立数学优化模型,对驻留时间和波位间隔等参数控制进行了优化设计。

2015年,刘宏强等学者[38]针对单次辐射条件下相控阵雷达的射频隐身性能优化问题,以最小化截获概率为优化目标,给出了辐射时间和辐射功率实时控制方法。仿真表明,战斗机可使用最短驻留方法或者最小功率方法实现单次辐射下的截获概率最小化。

多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)雷达作为一种新体制的探测模式,也越来越受到研究者的关注。2013年,蔡茂鑫等学者[39]对MIMO雷达的射频隐身性能评估问题进行研究,提出了一种MIMO雷达截获概率模型,分析了时域、空域、频域、功率域等因素对截获概率的影响。同年,廖雯雯等学者[40]提出了面向射频隐身性能优化的MIMO雷达目标跟踪算法,该算法能够在满足跟踪要求的前提下自适应控制MIMO雷达波束驻留时间、采样间隔、子阵数目、发射功率等参数,优化系统的射频隐身性能。仿真结果表明,在目标跟踪效果相当的条件下,MIMO雷达的射频隐身性能优于传统的相控阵雷达。

2014年,杨少委等学者[41]在考虑截获因子和搜索帧周期的条件下,提出了面向射频隐身性能优化的MIMO雷达目标搜索算法,建立的优化模型如下:

(7)

式中,P表示截获概率;Kn,ηn,tB,n,Tf,n分别表示第n个子区域的雷达子阵划分个数、信号占空比、波束驻留时间和搜索帧周期;Rt,n为给定的第n个子区域的跟踪起始距离;NB,n表示搜索第n个子区域所需要的波位数。该算法在满足一定目标检测性能以及时间资源的约束下,对MIMO雷达子阵划分个数、占空比、波束驻留时间等参数进行自适应调节,实现系统射频隐身性能的提升。同年,Panoui等学者[42]基于博弈论框架研究了多基地MIMO雷达网络的分布式功率分配技术,在满足一定的信干比的条件下,实现总发射功率最小化。

2015年,李寰宇等学者[43]提出了在满足时域、空域、频域等多域需求下的射频隐身性能表征方法,该方法基于联合截获威胁,提高了雷达在搜索过程中的搜索速度。同年,张贞凯等学者[44]提出了基于交互式多模型粒子滤波(interacting multiple model particle filter,IMMPF)跟踪方法的雷达辐射能量控制策略,根据预测的克拉美-罗下界对雷达辐射功率进行控制,仿真表明该算法具有良好的跟踪精度和射频隐身性能。之后,该团队在2016年又提出了一种基于IMM和信息滤波的雷达功率控制方法[45],对单目标进行跟踪时,能够节省更多的功率资源,并具有良好的跟踪精度。

2016年,刘东颖等学者[46]以最小化无源探测系统截获概率为优化目标,采用非线性规划遗传算法对组网雷达辐射功率和驻留时间进行联合优化。研究结果指出,与仅优化辐射功率方法相比,所提算法的组网雷达射频隐身性能得到了大幅提升。

2018年,高智敏等学者[47]以降低截获概率为优化目标,分别针对单目标跟踪和多目标跟踪两种情况,提出了雷达辐射实时控制方法,该方法相对于传统的功率最小化方法,可获得更低的截获概率,但不足之处是当多目标跟踪时间超过一定界限时,无源探测系统对雷达的截获概率会变大。同年, Shaghaghi等学者[48]将机器学习引入多信道多功能雷达资源管理问题中,通过使用分支定界算法求解任务调度问题的最优解,并利用机器学习降低计算复杂度,达到时间等资源利用最大化,所建立的优化模型如下:

(8)

同年,Christiansen等学者[49]提出了一种面向目标航迹更新的自适应雷达辐射间隔控制框架,该方法能够使得雷达在目标状态可预测的情况下,以最少的辐射资源工作。当目标机动或跟踪误差变大时,雷达资源利用率也随之增加。

2018年,时晨光等学者[50]研究了频谱共存环境下基于分层博弈的多基地雷达分布式功率分配算法,该算法以无线通信基站为博弈领导者,以多基地雷达中各雷达节点为博弈跟随者,各雷达节点和通信基站工作于同一频段并以辐射功率为单位支付给通信基站相应的费用。而通信基站则通过调节单位辐射功率价格,控制多基地雷达的总辐射功率,从而满足预先设定的目标探测性能和多基地雷达对通信基站干扰功率约束等条件。

2020年,文献[51]构建了基于Stackelberg博弈的有人机/无人机混合集群辐射功率控制模型,在满足给定目标探测性能要求和辐射功率资源约束的条件下,将有人机和各无人机分别作为博弈领导者和博弈跟随者,以达到最小化无人机集群总辐射功率的目的。文献[52]则提出了基于多目标跟踪的组网雷达目标分配与资源管理联合优化算法,对雷达-目标分配、各雷达驻留时间和信号带宽等参数进行联合优化,同时提升多目标跟踪精度和组网雷达射频隐身性能,所建立的优化模型如下:

(9)

2020年,王奕杰等学者[53]对目标时延估计中基于射频隐身的雷达通信联合系统功率分配问题进行了研究,在满足给定目标时延估计精度和通信基站服务质量约束的条件下,通过优化正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)信号各子载波上的功率分配,最大限度地降低雷达系统的总功率消耗。同年,余思伟等学者[54]以后验克拉美-罗下界作为表征目标跟踪精度的衡量指标,提出了雷达驻留时间和辐射功率控制算法,该算法在保持一定目标跟踪精度的前提下,最大化雷达采样间隔、最小化驻留时间,从而减少目标跟踪过程中雷达的总辐射能量。

2020年, Ghoreishian等学者[55]给出了针对扩展目标的分布式MIMO雷达最优检测器,由此推导了分布式MIMO雷达目标检测概率和虚警概率。在此基础上,分别建立了正交频率分集和相位编码两种发射波形情况下分布式MIMO雷达的射频隐身功率分配模型,并采用凸优化算法对上述模型进行了求解,仿真实验验证了所提算法的优越性。

2021年,赫彬等学者[56]提出了一种基于博弈论的多基地雷达功率分配和波束形成联合优化模型。该模型以给定信干噪比为约束条件,以最小化多基地雷达系统的发射功率消耗为优化目标,对各雷达功率和发射波束进行联合优化设计。仿真结果表明,相比现有算法,该算法能够获得更少的功率消耗和更优的雷达间干扰抑制能力。

数据链是实时传输与处理传感器、指控和武器系统之间格式化信息的综合信息系统[57-58],提高数据链的通信速率和数据链射频信号的射频隐身性能是当前研究的热点问题。同时,研究具有良好射频隐身能力的数据链也具有十分重要的理论和现实意义。

2013年,杨宇晓等学者[59]提出了3种基于位置关系和信号强度的射频隐身数据链功率控制方法,并对非合作功率控制下的射频隐身性能参数进行了分析。仿真结果表明,所提出的3种控制方法均可提升数据链的射频隐身性能,其中合作功率控制方法能得到最优射频隐身性能。2014年,该团队又提出一种基于最大条件熵的射频隐身数据链猝发通信模型[60],利用该模型自适应生成的发射规划,能够有效提高数据链的抗分选能力,且对战场威胁环境具有良好的适应能力。

2015年,刘淑慧[61]对机载数据链在能量域、时域、空域等域的隐身综合控制技术进行了研究,并对该技术在经典电子战环境下的射频隐身性能进行了评估。同年,谢桂辉等学者[62]以降低数据链的截获概率和提升数据传输速率为优化目标,提出了一种基于射频隐身的通信波形参数优化模型。仿真结果表明,在相同的通信速率下,优化后的数据链能够获得更低的被截获概率。

2016年,白迪等学者[63]构建了一种数据链自适应多目标优化模型,该模型综合考虑了各个波形参数对射频隐身性能的影响,使用现场可编程门阵列平台实现自适应调制。仿真结果表明,所生成的通信波形与美国的Link16数据链相比具有更好的射频隐身性能。

2018年,李国梁[64]对美军机载数据链的种类、性能和发展趋势进行了总结,对美军早期机载数据链和新型机载数据链进行了介绍,并结合5G和物联网对机载数据链的未来发展趋势进行了展望。

电子对抗是敌对双方为降低对方电子设备的使用效能、保护已方电子设备的使用效能所采取的行动和措施。在当今及未来的高技术战争中,电子对抗正在扮演越来越重要的角色,并在战略攻防中起到重要作用。

2015年,王睿甲等学者[65]对压制性干扰和欺骗性干扰的射频隐身特性进行了分析,提出了一种基于射频隐身的自卫电子对抗功率管控方法。该方法通过控制干扰发射功率,保持恒定的信干比和压制系数,从而对雷达系统实施干扰。仿真结果表明,该方法能够有效改善电子对抗系统的射频隐身性能。

2016年,汪涛等学者[66]对美军战斗机电子战能力进行梳理,从美军主力战斗机电子战系统及其电子战能力、以及美军战斗机电子战发展的主要特点等方面进行了分析,具有较好的参考价值。

2017年,王玉冰等学者[67]为了实现机载火控雷达的工作模式识别,提出了一种基于网格搜索和K折交叉验证的最小二乘支持向量机优化算法。该算法使用网格搜索方法进行参数优化,利用K折交叉验证实现性能评估,仿真结果表明,该算法对速度搜索、单目标跟踪、搜索范围和扫描跟踪模式的识别精度达到97%。

2018年,蒋平虎等学者[68]基于国外新一代机载电子战系统的发展情况,从机载对抗系统性能、射频隐身干扰技术、快速定位能力等角度出发,对机载电子战技术发展方向进行了探讨和预测。同年,时晨光等学者[69]针对雷达通信联合系统,提出了3种基于射频隐身的多载波雷达压制干扰功率分配准则,在达到一定压制干扰性能的情况下,通过优化噪声干扰功率分配,最小化干扰机的总发射功率,并通过仿真实验验证了3种准则的有效性。

2020年,徐宇恒等学者[70]引入了信息熵理论,对基于动态序列贝叶斯网络的空中作战意图识别算法进行优化。在假设的空战场景下,优化后的算法能有效地实现作战意图识别。同年,胡朝晖等学者[71]建立了基于隐身条件的双机协同电子战功率分配多目标优化模型,该模型以截获概率和干扰效果作为决策指标,有效解决了电子战环境下双机协同功率分配问题,同时在空战过程中,实现了对敌发现概率的压制。裴云等学者[72]对雷达与电子干扰之间的博弈情况进行研究,从隐身与干扰、隐身与电子战等方面进行讨论,并对战斗机隐身与电子侦察干扰间对抗、协同、促进的博弈关系进行了总结。

2.3 低副瓣数字波束形成

相控阵雷达天线设计的好坏将对飞行器射频隐身性能造成直接影响。通过特定的数字波束形成算法,在保证雷达任务要求的条件下,控制发射波束主副瓣功率,自适应地降低无源探测系统方向的发射天线增益或形成波束零陷,可进一步提高雷达系统的射频隐身性能。

2007年,胡梦中等学者[73]解决了一维、二维、三维天线阵的超低副瓣多波束形成问题,通过该方法可以得到低旁瓣波束且易控制波束大小和方向。2010年,刘姜玲等学者[12]提出了一种以正交信号作为激励的阵列天线形式,分析了该模型的射频隐身性能,给出了等效阵列天线方向图,并通过仿真实验验证了该模型的可行性。

2010年,Lawrence[74]提出了一种基于LPI的相控阵雷达发射波形形成方法,通过加权合成一系列低增益波束来形成原始的高增益波束,随着峰值发射增益的降低,电子支援措施(electronic support measure,ESM)截获距离显著减小。该方法可在不影响目标探测性能的情况下,提升系统的战场生存能力和LPI性能。

2013年,王文钦等学者[75]提出了一种基于距离-角度依赖的线性频率分集阵列(frequency diversity array,FDA)天线自适应波束形成方法。该方法对扇区外干扰,特别是距离相关干扰具有良好的压制性能。

2013年,张贞凯等学者[76]根据目标RCS大小和目标距离设计了雷达主瓣发射功率。同时,基于面阵宽带信号发射模型,利用约束最小方差准则产生权矢量,在截获接收机方向形成发射波束零陷。研究结果表明,所得到的发射波束能在满足目标探测性能要求的条件下获得较低的截获概率。

2014年,李文兴等学者[77]基于最小方差响应无畸变波束形成思想提出了一种新的数字波束形成零陷展宽方法,该算法将对角加载技术与投影变换相结合,能够对强干扰信号进行有效抑制,且算法运算复杂度低,在低快拍情况下依然具有良好的稳定性和鲁棒性。同年,Abdul等学者[78]提出了一种混合认知相控阵雷达的低截获发射阵列波束形成设计方法。

2015年,杨少委在文献[79]的基础上,提出基于射频隐身的正交波形MIMO雷达发射波束形成算法[80],并利用最速下降法进行求解,优化后天线副瓣水平得到了降低,同时有利于提高MIMO雷达的射频隐身性能。同年,王文钦[81]提出了一种用于FDA雷达的自适应射频隐身波束形成方法,该方法不需要额外的扫描时间,兼具FDA雷达和认知雷达的优点,且发射波束拥有良好的低截获特性。

2016年,胡柏林[82]对频率分集雷达天线方向图的角度-距离依赖特性进行分析,探讨了一种FDA雷达抗空间分布干扰方法。该方法利用自适应波束形成技术和稳健波束形成技术,在特定空间位置设置零陷,仿真结果验证了FDA雷达可以有效地抑制空间分布的干扰源。同年,Huang等学者[83]以提升FDA-MIMO雷达发射信号的低截获性能为目标,提出了一种FDA-MIMO雷达阵列加权设计方案,即最小化目标位置处信号能量,最大化接收机处信号能量。仿真结果表明,FDA-MIMO雷达发射信号的接收概率得到提高,且与传统雷达发射信号相比拥有更好的低截获性能。

2018年,熊杰[84]研究了多种基于频控阵的低截获雷达发射波束设计方法,利用频控阵的距离依赖特性,控制波束方向图在空间的能量分布,使得目标处所接收到的能量最小,而雷达接收机处所接收到的能量最大,从而提升目标处雷达的射频隐身性能。

2020年,Chen等学者[85]将四维天线阵列理论与数字波束形成技术相结合,利用四维变量来扩展检测维度,增加信号的不确定性,该方法将MIMO天线和四维天线的优势相结合起来,具有良好的目标检测性能和射频隐身性能。

2.4 射频隐身信号波形设计

射频隐身信号波形设计的实质是在满足雷达性能要求和作战任务条件的基础上,设计具有射频辐射峰值功率低、信号时频域不确定性大的机载雷达信号波形。增强发射信号波形的射频隐身性能,即提高信号波形的抗检测、抗分选识别性能。采用复杂编码将信号波形在时频域上进行扩展,是降低被无源探测系统截获的有效途径,复杂编码也能够让发射信号难以被无源探测系统识别,从而增强了信号的抗分选识别性能。从现有的研究成果来看,主要的设计研究方向有伪随机编码连续波信号波形设计、频率跳变波形设计、相位编码波形设计、混合波形设计等。

2001年,孙东延等学者[86]将三相编码与线性步进调频相结合,设计出了一种比传统方法截获概率更低的混合雷达波形,有效地解决了多普勒频移敏感性与目标距离/速度分辨率等问题,同时使用线性步进调频技术,使信号的抗截获能力得到了较大提升。

2002年,程翥等学者[87]得出大时间带宽积是低截获概率信号的必备特征之一,并据此提出了一种具有LPI性能的雷达信号。2003年, Sun等学者[88]将超宽带信号和随机信号相结合,设计了一种宽带随机混合信号,提高了目标检测性能和参数估计能力;另外,由于该信号具有随机特性,有利于提升其射频隐身性能。

2006年,张艳芹等学者[89]将Taylor四相编码和线性调频结合起来,提出了一种组合调制雷达信号。该信号具有“图钉型”模糊函数,且其调制形式复杂,即使敌方截获了接收机也很难对其进行解压,从而拥有较好的射频隐身性能。

2008年,林云等学者[90]对步进频率信号的多普勒性能进行了分析,利用其高距离分辨率特点,提出了一种参差脉冲重复间隔步进频率信号,该信号消除了目标与雷达相对运动时二次附加相位项的影响,并拥有良好的距离分辨率和射频隐身性能。

2009年, Kassab采用基于交替投影和连续快速傅里叶变换的快速编码技术,在文献[91]和文献[92]所提方法上进行改进,设计了一种恒模类噪声的稀疏频率雷达信号[93]。产生的类噪声雷达信号具有一定LPI特性,同时该技术可用于快速改变发射波形,具有抗杂波、抗干扰和适应快速变化电磁频谱环境的能力。

2011年开始,杨红兵等学者[94-96]对射频隐身信号波形设计方法进行了研究。首先,提出了具有较高目标分辨能力的对称三角线性调频连续波信号[94],并采用施里海尔截获因子对其射频隐身性能进行评估。结果显示,该信号具有较大的时间带宽积,且施里海尔截获因子小于1,并小于常规脉冲多普勒雷达信号,因此具有良好的射频隐身性能。在此基础上,提出了一种基于噪声调制的对称三角线性调频连续波雷达信号[95],并给出了该信号的产生原理和实现流程,仿真结果表明,噪声调制连续波雷达信号具有优良的射频隐身性能,并可通过调整高斯噪声信号功率和带宽提升其射频隐身性能。之后,该团队又设计了Costas/相移键控(phase shift keying, PSK)射频隐身信号波形和5种不同的频移键控(frequency shift keying, FSK)PSK雷达信号波形[96],并对其功率谱密度进行了分析和仿真。研究结果表明,Costas/PSK组合信号的射频隐身性能优于Costas信号。

2012年,向建军等学者[97]等对二相编码信号和步进频率信号等典型LPI雷达信号进行了分析,提出了基于脉内二相编码与脉间步进频率的复合调制雷达信号,通过在步进频率信号的每一个码元内进行二相码扩谱,保证每个发射脉冲都具有大带宽。该信号调制形式复杂,且发射信号与雷达接收机之间能进行良好的带宽匹配,提高了输出信号的信噪比,从而获得了较好的射频隐身性能。

2014年,Galati等学者[98]对伪随机波形及其信息率进行了分析,并针对信息速率随波形随机性变化而变化的情况,对伪随机波形的低截获特性进行评价。仿真结果表明,在实际工程中,需要结合具体应用场景对低截获性能和峰旁瓣比进行权衡设计。

2015年,Luo等学者[99]提出了一种脉冲压缩低截获波形旁瓣抑制算法,该算法主要通过对协方差矩阵进行修正来改善最优滤波器性能,并对频率跳码进行处理。结果表明,该算法能够对高频旁瓣进行有效抑制。

2016年,杨宇晓等学者[100]以跳频周期为设计对象,提出一种基于混沌序列的射频隐身跳频周期设计方法,该方法可实现跳频序列周期的随机变化,从而提高跳频系统的低截获性能。

2017年,Kamble等学者[101]提出利用多相调制技术来优化LPI雷达目标检测性能的混合波形设计方法,并对设计出的4相、8相和16相等多相编码信号进行仿真分析。结果表明,随着码相位数的增加,信号的自相关特性得到了改善。同年,为同时实现低距离旁瓣和高多普勒容限,Feng等学者[102]提出了单模线性调频合成波形设计算法,并采用交替投影相位控制方法对所建立模型的目标函数进行优化设计,所得到的波形具有和随机噪声类似的射频隐身性能,且具有较低的旁瓣电平。

2019年,付银娟等学者[103]提出非线性调频Costas复合调制雷达信号,该信号采用脉间Costas频率编码和脉内非线性调频,兼有非线性调频信号和Costas信号的优势,具有理想的“图钉型”模糊函数和较低的旁瓣电平。仿真结果表明,该信号的射频隐身性能优于传统线性调频信号、Costas信号和线性调频Costas信号等。之后,该团队又提出了脉间复合调频与脉内多相编码的复合调制雷达信号[104],所设计的信号增加了时频复杂度和相位随机性,且具有大的时宽带宽积,与非线性调频Costas信号相比,具有更强的保密性和更好的自相关性能,是一种性能良好的射频隐身波形。同年,顾兵[105]基于多相编码信号的复杂性及正交信号的互相关低峰值特性,提出了对抗转发式欺骗干扰的雷达波形优化设计方法。该方法将经过遗传算法优化得到的子脉冲信号按一定的方式拼接成完整的雷达发射波形,增加了被截获所需时间,且具有抗转发干扰能力。

2018年,时晨光等学者[106]提出了面向射频隐身的雷达通信一体化系统最优OFDM波形设计方法,在保证一定目标参数估计互信息阈值和数据传输速率阈值的条件下,通过优化OFDM发射波形,最小化一体化系统的总辐射功率。仿真结果表明,所提方法能够以较低的复杂度实现雷达通信一体化系统的波形设计问题,并有效地提高了其射频隐身性能。2019年,文献[107]针对杂波与有色噪声环境,提出了对抗压制干扰的分布式MIMO雷达射频隐身波形设计算法。文献[108]则研究了频谱共存环境下面向射频隐身的最优OFDM雷达波形设计问题,假设经目标散射到达通信基站的雷达信号可被通信基站接收并处理,采用克拉美罗下界作为目标时延估计精度的衡量指标,在满足一定目标时延估计性能要求的情况下,对雷达OFDM波形进行优化设计,实现雷达辐射功率的最小化。仿真结果表明,通信基站作为双基地雷达接收机,能够进一步提升雷达系统的射频隐身性能。

2020年,杨宇晓等学者[109]提出了一种基于四维超混沌系统的射频隐身跳频通信设计方法。该方法将低维混沌扩展至四维,增加了系统复杂度。仿真结果表明,在有限精度条件下,该方法有效地消除了系统的短周期现象,且截获概率与常规跳频信号相比降低了30%以上。

2.5 多传感器协同与管理

多传感器协同与管理是提升飞行器射频隐身性能的重要技术手段之一。通过机载射频控制管理系统对飞行器上的有源/无源传感器进行协同与综合管理,并通过多平台间信息融合进一步降低有源传感器的射频辐射,从而提升飞行器的射频隐身性能。在当今信息化战争中,可将多平台传感器通过特定的协议与通信网络链接成一个整体,根据各传感器提供的先验知识以及战场局势的变化,实现多传感器协同与综合管理,获得更多、更新的战场态势感知信息。

2007年,王建明等学者[110]对ESM引导下的雷达目标搜索时间进行了分析,提出了舰载雷达与ESM协同目标搜索方法。仿真结果指出,基于ESM引导的协同探测方法能够大大减少雷达搜索目标所需的次数,并且有效提高了目标角度测量精度。

2011年,Kemkemian等学者[111]分别针对单平台和多平台组网等情况,研究了ESM和机载雷达协同探测机制。研究表明,在更大作战范围内,多平台传感器协同可实现单平台传感器无法达到的性能,能够获得更高的定位精度、更远的探测距离和更优的隐蔽性。同年,熊久良等学者[112]提出了基于组网的红外/雷达协同间歇跟踪算法,将火控雷达和红外传感器所获得的目标信息进行互补,降低了火控雷达的开机时间,提高了其射频隐身性能和战场生存能力,但是红外传感器和火控雷达的不同配置方式会对整体作战效果产生一定影响。

2011年,吴巍、王国宏等学者针对面向辐射控制的多传感器协同目标跟踪问题进行了研究[113-115]。文献[113]通过比较目标跟踪过程中距离估计信息熵和距离测量熵来对雷达辐射进行实时控制;之后基于目标跟踪过程中的预测协方差,分别提出了ESM间歇量测下机载雷达/ESM协同跟踪与辐射控制算法[114]和机载雷达、红外传感器、ESM协同跟踪与辐射管理算法[115],并对目标运动状态进行融合滤波。研究表明,上述方法有助于提高飞行器的射频隐身性能。

2012年,薛朝晖等学者[116]以双机编队为例,研究了机载雷达与红外协同资源管理问题,提出了以无源传感器为主、有源传感器为辅的协同资源管理策略,并通过独立的控制因子实现对有源雷达的辐射控制,易于工程实现。仿真实验表明,控制因子越大,目标跟踪误差越大,雷达开机次数越少,其射频隐身性能就越好。

2013年,Narykov等学者[117]针对单目标跟踪场景,提出了多雷达系统时间资源管理与传感器选择联合优化算法,以最小化多雷达系统的时间资源消耗为目标函数,以给定目标跟踪误差为约束条件,对下一时刻的雷达传感器选择与所需时间资源进行优化设计。研究结果显示,与单雷达系统相比,所提算法能在保证相同目标跟踪精度的条件下,获得更低的时间资源消耗。

2014年,周峰等学者[118]提出了主动雷达辅助的被动雷达协同目标探测跟踪模式,充分发挥了二者的互补优势,同时引入模糊理论,对主动雷达的工作状态进行实时控制,提高了主动雷达的射频隐身性能。同年,张贞凯等学者对文献[119]中的IMMPF算法进行了改进,提出了一种面向射频隐身的传感器选择方法[120],该方法根据目标运动状态的不确定性和目标的机动性,分别采用累积残差协方差和信息增益来实时确定雷达开机时刻,从而保证目标跟踪性能。

2015年,吴卫华等学者[121]基于地心地固坐标系的IMM和概率数据关联方法,提出了杂波环境下机载雷达辅助无源传感器对机动目标的跟踪算法,该算法考虑载机实时飞行姿态和地球曲率等因素,选取综合预测协方差的迹作为控制变量来对雷达的开关机状态进行控制。仿真实验表明,该算法能够有效降低有源传感器的辐射能量,提升其生存能力,而目标跟踪精度并未受到明显影响。

2017年,武龙等学者[122]构建了干扰环境下基于机载多传感器协同探测的雷达跟踪系统,该系统能够在目标跟踪精度低于期望值时运用支持向量机和卡尔曼滤波算法实现对目标的持续跟踪,解决了有源压制干扰条件下目标航迹丢失的问题。同年,饶世钧等学者[123]对舰载多传感器协同探测资源调度模型进行了研究,给出了资源调度准则和算法的实现步骤,并结合经典预警探测任务进行了仿真实验,结果验证了该模型的有效性与合理性。

2018年,乔成林等学者[124]以降低目标跟踪过程中有源传感器被敌方截获的风险为目标,提出了多传感器协同目标跟踪与辐射控制算法。该算法使用隐马尔可夫模型滤波器推导各传感器的长时辐射风险,采用改进分支定界方法获得了优化的传感器调度序列,降低了多传感器系统的辐射风险,提高了己方的射频隐身性能。同年,刘钦等学者[125]从编队作战的实际需求出发,提出了编队多传感器搜索空域协同分配算法,综合考虑空域覆盖、扫描时间、检测概率等参数影响,对不同空域所需的雷达搜索资源进行协同分配,从而在满足早期预警和编队防空等任务要求的条件下,提高了传感器资源的利用率,减少了有源传感器的射频辐射。

2019年,针对多目标协同识别跟踪问题,庞策等学者[126]提出了基于多智能体分布计算的多传感器管理算法,能够有效识别目标,及时发现并停止对虚假目标的跟踪。赖作镁等学者[127]研究了基于马尔可夫决策过程的多传感器协同辐射控制策略,同时采用概率方法,建立了多拍连续引导信息与累积被截获概率、累积发现概率之间的函数关系,实现了不同作战任务性能约束下的机载雷达射频隐身性能优化。通过仿真实验,表明相对于经验控制策略,所提策略得到的雷达辐射时间大大减少。同年,针对多任务场景,徐公国等学者[128]建立了基于部分可观马尔可夫决策过程的多传感器协同调度模型,并提出了一种自适应多种群协同差分进化算法对上述模型进行求解。仿真表明,所提算法能够在多任务需求下实现多传感器资源的合理调度,且具有良好的目标检测和跟踪性能。

2020年,王俊迪等学者[129]提出了多机协同探测相控阵雷达短时任务分配算法,建立了短时任务条件下工作时间最短的相控阵雷达资源配置模型,并将优化模型简化为线性规划问题进行求解。同年,闫实等学者[130]基于深度强化学习方法,对量化后的目标威胁度进行评估,并采用深度Q网络实现机载雷达系统对不同目标的资源分配。仿真实验显示,相较于已有算法,所提算法能够缩短任务用时,并实现已方飞行器生存能力的最大化。严俊坤等学者[131]则针对异构雷达网中的异步多目标跟踪问题,提出了两种最优异构资源分配方案,分别为给定多目标跟踪贝叶斯克拉美-罗下界要求下最小化雷达网络的总辐射资源消耗及给定辐射资源下最小化多目标跟踪误差。针对多目标跟踪场景,时晨光等学者[132]提出了一种面向射频隐身的组网雷达辐射功率与信号带宽联合分配算法,通过对雷达节点选择、辐射功率和信号带宽进行优化分配,在保证一定目标跟踪精度的条件下,降低了组网雷达射频辐射资源消耗,提高了其射频隐身性能。

3 飞行器射频隐身技术的发展趋势

飞行器射频隐身技术是当前国内外都极其重视的军事技术之一,已成为电磁战中重要的一环。射频隐身技术涉及到多种技术的综合应用,需要系统性的技术积累和支撑。同时,射频隐身技术研究是一项复杂且艰巨的任务,需要耗费巨大的人力、物力、财力。虽然各国科研工作者不断研究出一系列新成果,但该领域仍然存在着一些尚待解决和完善的地方。当前飞行器射频隐身技术的发展趋势主要表现为以下几个方面。

3.1 飞行器集群协同射频能量控制

随着军事装备技术的飞速发展,单一飞行器作战将很难满足未来作战要求,飞行器集群协同作战[133-135]已成为当今及未来战争的主流。单个飞行器平台不仅搭载有雷达,还会有各种高度表、数据链、电子对抗、卫通等有源传感器。一旦涉及飞行器集群协同作战,集群的射频辐射源数量便会急剧增多,被敌方无源传感器截获的风险也会大大增加,其射频隐身性能也会大打折扣。因此,迫切需要对各平台的射频辐射资源、工作模式、传感器协同管理等进行联合控制,使得在满足不同作战任务要求的条件下,实现各平台辐射能量最小化,从而达到提高射频隐身性能的目的。

3.2 飞行器集群射频隐身性能评估

在已公开的文献中,对于射频隐身性能的评估指标多是针对单平台飞行器的情况,而对于飞行器集群射频隐身评估指标则研究较少。各飞行器平台发射信号是否相参及是否满足时间、空间、相位同步,将直接影响到系统射频隐身性能的优劣。因此,下一步需结合各平台发射信号相参形式、同步情况以及不同传感器工作模式,对飞行器集群射频隐身评估指标进行研究,并根据建立的射频隐身性能评估指标体系,对飞行器集群的射频辐射资源、集群协同工作模式等进行进一步管控。

3.3 基于战场边界条件的飞行器射频隐身技术研究

飞行器射频隐身技术想要实现工程化应用,需要拥有良好的运行环境、实时的软件算法以及优良的硬件条件。一方面,射频隐身技术要能够适用于低信噪比、强杂波、恶劣气象条件等复杂作战环境;另一方面,在不同的作战环境下对集群各平台工作模式进行转换,还要保证优化控制方法的准确性、稳健性和实时性。因此,下一步的飞行器射频隐身技术研究必须结合战场边界条件,以实战需求牵引飞行器射频隐身技术的发展。

3.4 飞行器雷达通信一体化射频隐身技术研究

随着射频设备数量的不断增加和高速数据传输要求更高的带宽需求,机载雷达、战术数据链等射频传感器模块化程度低、体积大、成本高、电磁干扰严重,越来越难以适应现代化智能作战平台的设计要求。可以说,当今飞行器已经成为了会飞的传感器。在有限的平台体积和孔径资源下,实现多传感器、多功能融合的综合射频技术,将雷达与通信进行有机结合并共享资源,是解决上述问题的有效途径。因此,如何通过信号共享、资源共享与动态组合等技术,降低雷达通信一体化系统的电磁干扰和辐射能量,并形成对敌作战优势,开展飞行器雷达通信一体化系统射频隐身技术研究势在必行。

4 结束语

随着现代无源探测系统发展的日益完善,飞行器在现代作战环境下的生存能力受到了严峻威胁。飞行器射频隐身技术是有效提高飞行器生存能力和突防能力的重要手段。随着科技的发展以及无源探测系统的更新换代,射频隐身技术研究将会面临更加复杂的挑战。本文对射频隐身技术的基本概念和研究现状进行阐述,介绍了射频隐身技术的实现途径,对当前射频隐身技术的国内外研究成果进行评述,最后基于已有的研究成果,针对现有射频隐身技术发展问题,对飞行器射频隐身技术的发展趋势进行了展望。