还是粉丝的留言:
这个粉丝有多次留言让W君讲讲LPI雷达技术,不是特别想给大家泼冷水,但架不住大家想了解这一技术,就简单的说一下。
首先说这件事“雷达隐形这一方”并不靠谱。
说下理由:
LPI(Low-probability-of-intercept,低截获率)雷达,这个技术并不是一个单一的雷达技术,就像是隐身战机技术是一样的,是以减少反射讯号、吸波蒙皮/涂层、红外隐身、噪声控制等一系列的技术综合在一起达到“低可侦测”技术的一个复合体。
LPI也是通过了一系列的技术方式来“隐藏”雷达波的信号使自己在探测目标的同时不容易被其他的侦测器材所感知的技术。用人话说就是——隐形雷达。
在初级军迷的考量里面一些“黑科技”往往就会更有人气,毕竟自己搞不清楚的神秘存在哪来忽悠就有了大笔的流量。
在W君这边如果要一篇文章讲完,那么就得从基础来讲了,要知道LPI的事情,就得从基本的雷达原理来说了。
雷达干的是什么活?说白了,就是发出一束电磁波,然后等它撞到目标后反弹回来,通过测量回波信号的时间差和强度,来判断目标的距离、方位、速度。就跟你在山谷里喊一声“喂”,然后听回声来估算对面的山和你的距离有多远的原理是一样的。
那问题来了:你一喊整个山谷都听见了,那“敌人”怎么可能听不见?这就是雷达的原罪——它必须“自曝其身”,才能“看到别人”。所以传统雷达就是个大喇叭:声大,探测远,但也很容易被人发现。
其实这件事自从雷达出现的时候就被证明雷达是一种“愚蠢”的存在,二战初期,英国和德国双方都最先装备了雷达系统。在装备雷达系统的同时,德国就一直在琢磨着如何摧毁英国的雷达,让自己的轰炸机能够更加容易进入英伦三岛,在1940年8月13日-19日“海狮计划”前期对英国的警戒雷达系统(本土链,Chain Home)的六个雷达站点进行饱和轰炸,彻底的摧毁了一个雷达站,重创了另外五个。
导致英国的雷达警戒系统完全瘫痪。不过,这时候英国搞了一个空城计,通过不断的依靠无线电发射机发送相同频率的雷达信号,迷惑了德军,让德军认为英国有快速修复雷达的方案,而降低了雷达站的攻击优先级。
所以说,二战英国雷达的胜利并不是来自雷达技术本身而是在于情报运用的策略——兵者,诡道也。
从这件事也可以看出在二战期间,雷达就暴露出自己的致命弱点。就是咱们之前聊到的,在山谷里面喊,大家都知道你的存在。
事情的转机是这样的,在二战之后无线电的使用完成了从军到民的普及,天空中的电磁波就不仅仅是通讯的电磁波和雷达波,还有方方面面的民用信道。这时候,雷达信号就可以被隐藏在民用无线电信号的电磁波之间了。
有一个说法,Wi-Fi 6 在中国使用的时候5GHz的信号并不能使用完整,其中的一部分信道不能使用,这是因为这个些信道是我国的雷达在使用,因此要给雷达让路。
这个说法其实是对的,但是不完全,被让路的是咱们的民用天气雷达信号的频段,而非军用雷达频段。
实际上一些军用雷达的信号是可以隐蔽在普通民用无线电信号中的。这就完成了一次隐藏。这种方式有点像你在一个喧嚣的迪厅里面喊话,别人也很难注意到你是一样的。
那么在迪厅里你怎么去和别人正常的交流呢?很简单——扯着嗓子喊就可以了。二战结束后雷达兵会调整雷达的信号增益,让雷达波信号的强度稍微高于一点背景噪声的信号强度。在接收机上再调整信号的低通滤波让雷达接收机恰恰好好的能接受到一些雷达波信号,这样就形成了一个隐蔽的闭环——模拟雷达就是这样隐藏自己的,它规定了一个不确定的雷达接收能量下限。如果敌人不确定这个下限的阈值就很难发现雷达信号的存在了。这个方法在一些早期的搜索雷达和测高雷达上都有使用。
这种方法虽然有用但又不是那么有用,背景噪声是会随着民众的作息时间改变的。在一些交接的场合如果没有及时的调整增益那么雷达的位置就还会被暴露出来,同时雷达信号总是高于背景信号那么一丢丢,时间长了也是会被注意到的。——例如你在迪厅里发现身边某个人总是高声讲话,也会格外的注意那个人吧?
但随着数字技术的发展,雷达就形成了一个新的趋势,利用跳频技术把要发送的内容在多个信道内来回的转换,这时候雷达就具备了一定的抗干扰能力也具备了一定的防侦测能力。但是跳频技术也不完美,很难做主动应用,例如你可以做一个跳频警戒雷达隐蔽在民用信号中,但是很难在高空做一个火控雷达放在战斗机上,毕竟……高空无线电信号还是有一个比较干净的背景的,这时候即使是跳频技术也很容易被发现了。
那么——怎么做?
说W君这边的一个应用:《军武数据库》的文章经常被各种不同的自媒体盗用,文字、图片、视频什么的也都会被随机的拿来拿去的。但是究竟是谁拿的以及在哪篇文章中拿走的,其实W君这边都知道。
看个图:
这张图大家看起来应该不会觉得有什么问题吧?其实在图片中通过了一些算法把图片的颜色改了那么一点点,有的低位加了一个1,有的低位没有变化。于是这张图片本身就被编码了。如果我们把编码的幅度变大,例如+16,这时候图片就会变成这样:
看出网格来了吧?这其实就是盲水印技术。
干什么用的?给在图片的加入额外的编码信息,储存我们像储存的内容,例如上图蓝色箭头所指着的输出字符串。你还可以发现这张图被涂抹、变形、放大缩小,在上面一定程度的任意绘画其他图案,这个编码还是会顽强的存储在图片中。在我们需要的时候依然可以提取出来。
其实,多信道的无线电信号也是可以这样搞的,而且和操控图片中每个像素中三个字节24个位的数据不同,无线电波可操纵的东西就太多了,通常可以在LPI雷达技术中使用的“篡改”方案就很多了,例如:
电源管理和高占空比策略被广泛应用。也就是说,雷达发射器大部分时间都是处于“待机”状态,仅在必要时才开启发射,这样可以利用长积分时间来积累回波信号,同时使敌方监测系统难以捕捉到连续且规律的信号。简单来说,这就像是你在派对中悄悄说话,而绝大部分时间保持沉默,只有在关键时刻才突然开口,别人根本不容易察觉你的存在。
其次,宽带宽(或超宽带)的运用,也是LPI雷达的一大杀手锏。通过在一个极宽的频谱范围内分布发射信号,即使敌人截获了其中一小部分,也无法还原出完整的信号特征。结合频率捷变和频率选择技术,雷达系统能够在多个信道间迅速跳变,避免长时间在同一频段内暴露自己。就好比你在迪厅里与朋友交流,声音时而高低起伏、时而断断续续,别人根本听不懂你在说什么。
此外,高级或不规则扫描模式同样为LPI雷达增添了不少“隐蔽性”。传统雷达按照固定扫描模式工作,容易形成规律,被敌方系统“记住”而提前预判;而不规则的扫描方式则有效打乱了敌人的监测节奏,使得他们即使有先进的信号处理能力,也难以准确捕捉到雷达的运动轨迹。
再者,编码脉冲和相干检测技术的引入,进一步提升了雷达在弱信号环境下的探测能力。通过对每个脉冲进行独特的编码,雷达可以在回波中嵌入特定的信息,而接收机利用相干检测技术能在极低信噪比下依然准确地识别出这些编码脉冲,从而保证了探测的准确性。就好比那张盲水印图片,哪怕图片经过涂抹、变形,隐藏在其中的信息依然能够被精密的算法提取出来。
光看技术术语会有些不明白?例如F-22的 AN/APG-77雷达就具备了初步LPI功能,这个雷达上有近2000个独立的雷达信号发射和接收单元组成的相控阵阵列。在扫描目标和为机载武器提供火控指式的时候可以依靠更复杂的调制、频率、震幅变化来利用更加零散的电磁波照射目标。
这些信号隐蔽在背景噪声中例如上面的这张动图表示的就是电视机没有信号,但是W君在最下一行到数第四个像素的位置上给信号做了一个SOS的摩尔斯编码,如果我不告诉你的话,你会觉得这个信号有意义吗?
这就是LPI这层没有捅破的窗户纸。但是要注意!LPI是典型的强国欺负弱国的武器,这一点和隐身战斗机、AC-130空中炮艇一样,都是在特定环境下通过特定体系配合来做到的欺负人的武器。
为什么?其实不论是美国的AN/APG-77、AN/APG-81、咱们的JY-17A、瑞典的HARD-3D、甚至印度的乌塔姆雷达系统都不是真正的随机发送信号,也就是说雷达信号藏得再深也有一定的规律可循。
说下咱们的成果吧:
解放军陆军工程大学通信学院早在2021年就开始尝试利用卷积神经网络系统通过捕获的无线电波来识别LPI雷达信号在背景噪声中的存在。
实际上,针对LPI雷达信号在低信噪比(SNR)环境下难以识别的问题,解放军陆军工程大学通信学院在2021年就提出了一种基于多分辨率深度特征融合的LPI雷达波形识别方法。研究团队采用了增强型的Fourier同步压缩变换(FSST)来将雷达信号转化为时频图像,这种方法在低SNR环境下具有更好的抗噪声能力。随后,通过构建一个多分辨率卷积神经网络,从不同尺度提取雷达波形特征,并通过上下采样模块实现分辨率间的特征交互融合。
最终他们使用了一种称为ECOC-SVM的分类器,将各分辨率特征融合后进行分类,实测在−8 dB信噪比条件下识别准确率仍高达95.2%,大幅超越传统方法。这表明即便在极端干扰下,人工智能系统也能“看穿”LPI雷达的信号伪装。也就是说——你跳频、调制、隐藏得再精巧,我们这边的“电磁猎犬”依然能闻出你在哪儿喊“喂”。
不过,这种技术就是基于深度学习技术的卷积神经网络的训练,我们自己在搞,其实很多其他国家也都在搞,并不是什么独有的技术。目前咱们21年这篇论文被放到了IEEE上作为公开论文发表,不仅我们的雷达技术人员在引用这篇论文的内容、美国、德国的电子技术人员也从这篇论文中得到收益。
不仅如此,美国和德国学者还引入小波变换、残差网络、VAE生成建模和迁移学习等机制,使雷达识别算法能在更复杂背景中进行“波形内信息提取”,连脉冲内的调制都能“听”得出来。
这些趋势说明:LPI不是解决了被发现的问题,而是把问题转交给了深度学习算法;而“谁能把雪花里那行SOS读出来”,现在已不靠“耳朵”,而是靠GPU训练出来的电子“眼”。
那么既然LPI雷达可以被深度学习训练出来的卷积神经网络分类器识别就没有用而失去了战场价值了呢?也不尽然,既然到了神经网络这一层,就是到了拼财力的地方了。这是一个算法博弈的过程——对抗式神经网络。
当一个LPI雷达的模式信号可以被卷积神经网络识别,这时候,卷积神经网络可以提取出识别的具体内容交给另一个卷积神经网络继续学习,学习的结果用于改进LPI的发射模式。改变后发射模式的LPI雷达信号就进一步的降低了被识别出来的可能性。这就是对抗式神经网络的精髓所在。
其实最终带来的结果就是LPI的模式复杂度以指数级攀升,越来越难以检测,而为了检测LPI雷达的信号,检测设备的复杂度也会以指数级攀升。最终就到了一个双方都玩不起的境地。
但为什么开头说LPI雷达一诞生暨死亡落地成盒呢?主要的LPI技术还是要用在一个战斗机上的。但是对于防守方可就不仅仅可以用战斗机了,大型的预警机、驱逐舰的雷达阵列都可以继续安装更大尺寸更大重量大数据处理设备,用来检测LPI雷达信号的存在。所以目前看依然是守方优势的一个模式。毕竟战斗机是无法在雷达上牺牲更大的空间和重量的,会先达到极限。
但对于搞不起LPI雷达和侦测设备的小国,最终就是降维打击了,所以W君也说,这是大国欺负小国的装备。
只是对于我们来说,玩的是大国对抗,这东西必须要有,但单一的认为这玩意天下无敌就又有自我安慰的嫌疑了。