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电子战研发电子战重大研究课题探讨

来源:比勒陀利亚 时间:2018/4/4

电子战旨在从电磁频谱(EMS)中尽可能获取最大的利益,同时阻止敌方获取类似的利益。这可以理解为包括所有的电磁频谱应用(如雷达、光学系统等等),同时阐述了一个重要事实,即电子战与所有的频谱应用密切有关,所有的频谱应用也与电子战密切相关。

电子战日益受到重视,电磁频谱已成为与陆、海、空、天以及赛博并重的一个作战域。电子战分为电子支援(ES)、电子攻击(EA)、电子防护(EP)几个方面。

电子战涉及系统的方方面面,从信号通过电磁频谱传输到天线和微波前端、信号检测与评估算法、信号处理硬件、到干扰机辐射控制等等。它与所有与电气、电子和计算机工程相关的领域都息息相关。

电子战发展趋势

下面概述国际电子战发展趋势,重点强调了与这些发展趋势相关的挑战,探讨针对这些挑战的潜在解决方案。

越来越多地使用商业技术

过去几十年一个显著的发展特征是,电磁频谱的商业使用得到了快速扩张。在电磁频谱领域,军事系统赶不上商业系统的发展。例如,全球在商业通信系统研发中投入的经费远远超过在电子战及其相关系统上投入的经费。这意味着预算少的军事和准军事力量、偷猎组织、走私集团、盗窃分子和海盗,都越来越多地使用通信系统和全球导航卫星系统(GNSS)接收机这样的商用系统。

从电子支援的角度来看,商业通信系统在许多情况下要比军事系统重要。大量的商业通信辐射源使得对利用这些通信系统从事犯罪活动(例如走私和偷猎)进行探测特别困难,这就促使犯罪分子大量使用这些通信系统。因此,探测和跟踪大量辐射源的能力变得至关重要。

从电子攻击的角度看,要限制敌人使用电磁频谱同时尽量减小对其他用户的影响是非常困难的。对单个辐射源或者一片非常小的区域进行外科手术式的精确干扰很有必要,因为除特定情况之外,不允许干扰商业系统运营商提供的服务。

从电子防护的角度看,商业系统并没有特定的电子防护措施,很容易受到电子攻击。当己方(例如军队和警察)出于低成本考虑而使用未改进的商业系统(例如GPS接收机和手持式对讲机)时隐患更大。因此,在不显著增加费用的情况下,研发增强商业系统反电子攻击的技术很有必要。

密集的信号环境

由于商业无线电系统的激增和网络中心战的出现,电磁频谱变得越来越拥塞。网络中心战意味着每个人和每件事都可以通过巨大的网络关联起来,这急大地增加了无线通信系统的数量,也提升了无线通信系统的重要性。

从电子支援的角度看,要从己方、中立方和敌方大量的辐射源中找出单个辐射源非常困难。问题的核心在于,增大接收机带宽只是问题的一部分,而要搞清楚现代系统接收的大量数据则更加困难。因此,迫切需要跟踪大量辐射源和隔离单个辐射源的手段。

从电子攻击的角度看,因为辐射源数量太多,要成功干扰敌方辐射源同时不影响己方和中立方(典型的商业系统)正常使用电磁频谱是非常困难的。

从电子防护的角度看,避免干扰其它系统成为日益重要的问题,特别是当许多己方部队使用不同的频率和编码方案时。自动分配频带并减小干扰(包括接收的和自身引起的)变得更加重要和日益复杂。

固有的电子防护能力

现代系统正在研发电子防护能力以提高系统的性能,电子防护能力使这些系统很难被探测和攻击。

商业通信系统将使用越来越宽的带宽,以增加用户可用的带宽。商业通信系统也越来越多地采用了干扰抑制技术来降低干扰带来的影响,同时在指定的带宽范围内增加用户的数量。功率控制技术已经至少运用了二十年,以最大程度地降低干扰带来的影响,同时提高电池的寿命。因此,当前的军事通信系统也有类似的考虑和发展。

雷达系统使用越来越宽的带宽,以获得更好的距离分辨率,同时降低干扰带来的影响。因为具备分辨目标的能力,多普勒处理因而迅速成为现代雷达系统必备的能力。

从电子支援的角度看,带宽急剧增大,必须密切监视以获得良好的探测概率。此外,若出现的信号平均功率很低,则很难被探测。

从电子攻击的角度看,噪声干扰这样的传统干扰技术,对现代系统不太有效,必须研发新的干扰技术。

弱信号

使用电磁频谱的现代商业和军事系统,一般设计成在指定的带宽范围内尽量以最小的平均功率发射信号。电池寿命、商业通信方面的干扰、电子防护以及军事系统的性能等考虑因素促成了这样的发展趋势。

在电子支援领域,成功探测这些能量极其微弱的信号是面临的最大挑战。实际上,年开始使用的全球移动通信系统(GSM)已经能够自适应控制功率,使GSM信号很难被探测,除非接收机非常靠近发射机。

从电子攻击的角度看,任何干扰都可能对其他系统造成无意影响。因此,需要将电子攻击的效果限定在特定时域、频域和空域内。

智能系统

运算能力的快速提升意味着现代系统正日趋智能化和可重构。操作人员的技能水平目前已经不像过去那么重要了,这既是一个较大的挑战,也是一个重要的机遇。

从电子支援的角度看,主要的挑战是系统的可重构性,意味着对系统的探测、分类、识别和跟踪变得非常复杂。例如,根据提供的服务以及自身需要,现代移动设备可以自动改变频段和调制样式。随着一部移动电话从GSM-切换到DCS-,再到通用移动通信系统(UMTS),再到LTE系统,可能再到WiFi网络,要持续对其进行跟踪显然是一个较大的挑战。

从电子攻击的角度看,电子系统能够及时对干扰做出响应,很难被影响。例如,即使简单的功率控制也是一个重大挑战,因为设备可以仅仅通过增强发射功率来克服噪声干扰的影响。然而,认知干扰的可能性在于形成智能地干扰单一辐射源的能力。此外,事实上用户从来没有认识到自动化系统带来的机遇,它可以使设备在用户不知晓的情况下发挥近似最佳的性能。例如,通过电子攻击将系统从安全的宽带调制模式切换到简单的窄带调频(FM)模式,或者甚至是调幅(AM)模式,可以简化从该系统截获信号的过程。

从电子防护的角度看,系统根据所处环境作出自动响应的能力,可能会极大增强系统的互操作性和鲁棒性。高频(HF)通信系统已经具备了这种能力,当系统检测到可用频段中某一部分闲置时,接着会利用这些闲置的频段发射信号。

数据量

现代宽带系统意味着其将产生大量的数据,要处理这么大量的数据是一个较大的挑战。

从电子支援的角度看,挑战主要与宽带系统接收的数量非常庞大的辐射源有关。此外,辐射源具备快速转换频率和调制样式的能力则意味着一个辐射源可能会在不同频率被探测到多次并且具有不同的调制样式。筛选并分辨这些数量庞大的数据是一个较大的挑战。另外,需要迅速完成这些工作,确保及时产生输出信号。

从电子攻击的角度看,数字射频存储器(DRFM)系统允许的信号接收与干扰发射之间的延迟很小,所以快速的数据处理能力必不可少。

对无辐射目标的探测

电子支援接收机的主要问题是不能探测无辐射目标。而一部分人反对这种说法,他们认为电子支援系统能阻止敌方发射信号已经非常有意义,因为可以使敌方无法使用电磁频谱。

然而,雷达或无源相干定位(PCL)领域已经出现了只使用接收机探测目标的手段。无源相干定位实际上类似于一部双基地雷达,电台和电视广播信号、卫星信号等机会辐射源就像是雷达的发射机。无源相干定位系统本身不发射电磁波,因此比传统雷达更难探测。

无源相干定位系统目前面临的一个主要挑战与机会辐射源的特征有关,这意味发射的信号对雷达而言并不理想。更为复杂的是,接收机需要大的动态范围,因为直接从发射机进入到接收机的信号强度远远大于从目标反射的信号强度,所以需要找到克服这个问题的办法。对无源相干定位系统而言,由于缺乏目标RCS的精确模型,动态范围问题变得更为复杂。

便携性

电子战系统越来越趋于小型、轻便、廉价、便于携带。它可以用于车载和便携式系统中,能够在任何作战行动中按照最新需求配置模块化系统。一个很好的例证是,用来对抗无线电控制简易爆炸装置(IED)的干扰机成为地面车辆的标配设备,其便携式系统则越来越多地配备给步兵分队。不过,需要强调的是,传统设备中的电子战(例如无线电和数据链防护)也将变得越来越重要。

这种趋势导致了很多与设备研发诸多方面相关的挑战。例如,需要小型天线和电池以减轻系统的尺寸和重量,需要提高数字信号处理和射频系统的功率效率以采用更小的电源和电池。需要强调的是,因为便携式系统的部件密度非常高,有效散热也是一个挑战。

电子战研究课题

本文提出了以下一些具体的电子战研究课题旨在解决上述问题。

.系统

虽然理论分析有用,但是检验一个概念需要根据试验进行验证。

建议研究的课题如下:

·开源雷达:研制基于开源硬件的开源雷达系统。这种系统既可以用来训练,也可以用于研究。

·开源干扰机:与开源雷达系统类似。

2.信号探测

现在,电磁频谱中的信号具有较低的功率,并且通常持续时间较短。此外,许多信号占有一定的带宽。

建议研究的课题如下:

·GSM信号探测:能否探测到极其微弱的GSM信号?

·UMTS信号探测:能否探测到极其微弱的UMTS信号?能否同时探测多个用户?

·LTE信号探测:能否探测到极其微弱的LTE信号?能否同时探测多个用户?

·跳频信号探测:能否探测到快速转换频率的信号并从其它信号中分离出来?

3.电子防护

由于电磁频谱的重要性,因此提升系统对抗人为干扰和无意干扰的能力是极为重要的。

建议研究的课题如下:

·脉冲重复间隔(PRI)抖动和参差:PRI抖动和参差对性能的影响有哪些?有没有提高抖动和参差技术的可能性?

·脉冲编码:能否通过多普勒容限实现正交编码?

·GNSS电子防护:GNSS系统在电子干扰情况下能不能稳定运行?

·低截获概率(LPI)和低探测概率(LPD)雷达:能否在不显著影响系统性能的基础上,改进通信系统使雷达信号变得极难被侦察?

·LPI/LPD通信系统:能否在不显著影响系统性能的基础上,改进通信系统使其极难被探测?

4.辐射源个体识别(SEI)

辐射源个体识别是识别发射机的唯一方法,即使它们的功能和工作模式相同,也可以监视某一特定发射机的活动。

建议研究的课题如下:

·发射机之间的不同特征:功能和模式相同的发射机,它们之间的区别是不是足以进行指纹识别?

·研发分类器:能否研制可以区分功能和模式相同的发射机之间的细微特征的分类器?能否实时进行处理?能否自动添加新型发射机?

5.认知系统

认知无线电是已经研究了许多年。最近,人们已经开始研究认知雷达和认知干扰机。

建议研究的课题如下:

·认知无线电:能否实现自适应于战场环境的无线电系统?

·认知雷达:雷达能否通过自适应特定的目标来实现性能的优化?能否实时处理?

·认知干扰机:能否研制一部自动响应新威胁的干扰机?

6.数据处理

现代电子系统产生海量数据,意味着存储、发送和处理这些数据变得更加重要,也极具挑战性。

建议研究的课题如下:

·压缩感知:压缩感知在电子战系统中有用吗?

·次奈奎斯特采样:能否采取一种有效的途径,以低于奈奎斯特采样的速率进行采样?

·稀疏数据处理:能否在不降低系统性能的基础上,忽略某些样本?

7.多输入多输出(MIMO)系统

多输入多输出(MIMO)通信和MIMO雷达是近年来备受







































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