二次雷达系统询问旁瓣抑制新方案

王 波

(中国西南电子技术研究所,成都610036)

1 引 言

二次雷达(SSR)系统采用询问-应答协同工作方式,能实现测向、定位、信息传输等功能,在军事上和航空管制上起着重要的作用[1]。

二次雷达系统中,存在旁瓣干扰等内部干扰[2]。为消除旁瓣干扰,二次雷达系统的询问天线通常设计为和、差双通道天线,采用询问旁瓣抑制(ISLS)技术,使应答机只在相对于和波束峰值的预置方位区域内进行应答,对来自旁瓣区域的应答进行抑制。询问旁瓣抑制技术的目的是消除旁瓣干扰,减少应答机占据和多点应答[3],提高系统的方位分辨力、多目标处理能力和抗干扰能力。

目前,二次雷达系统采用和(□)、差(Δ)双通道分时发送询问脉冲的方式来实现旁瓣抑制功能[4]。询问信号中专门设有一个脉冲或一段信号由 Δ通道发出,□通道发出的信号为等幅同相输出,形成□方向图;Δ通道发出的信号为等幅反相输出,形成Δ方向图。应答机收到询问信号后,提取□、Δ信号电平信息。若询问信号由询问天线主瓣发出,应答机提取的□信号电平应比Δ信号电平高,否则视为询问天线旁瓣发出的信号。应答机将根据□、Δ信号电平的比较值,只对主瓣询问信号进行应答,丢弃旁瓣询问信号。

在□、Δ双通道天线方向图中,□通道信号旁瓣比Δ通道信号电平高的地方称为穿刺点。穿刺点的存在触发应答机的误应答[5],造成应答机占据,影响系统的识别性能和抗干扰能力。询问天线根据极化方式、方位/俯仰覆盖范围、总效率、差通道对和通道的覆盖率等指标要求进行设计,一般在天线总效率高的条件下很难达到差通道对和通道的方向图全覆盖,因此需要在各指标间予以权衡。目前,国外现役装备的询问天线差通道对和通道覆盖率要求未提100%,典型的设计要求值为大于95%、98%等。此外,现有二次雷达系统的询问有效方位波束宽度完全取决于询问天线和、差方向图的设计,若不改变询问天线的设计,系统的询问有效方位波束宽度不可变。为满足不同平台对系统方位覆盖范围的不同要求,只能重新设计不同型号的询问天线,大大增加了设计成本和管理、保障难度。所以,需寻求一种解决方案,弥补现有询问旁瓣抑制技术的不足,同时能灵活调节询问有效波束宽度,达到消除旁瓣干扰、提高系统平台适应性的目的。

针对上述目的,本文提出了新型询问旁瓣抑制技术方案,采用和、差、全向三通道分时发送询问脉冲的方法,有效消除了目前二次雷达系统的旁瓣穿刺现象,提高了系统的询问旁瓣抑制能力。同时,采用在询问信号中增加波束调节因子的方法,使应答机能根据询问信号的3个通道信号幅度以及该波束调节因子进行计算,重新生成和、差、全向信号调整后的电平值,在提高系统抑制询问旁瓣干扰能力的同时,实现询问有效波束宽度的灵活调节,使系统在不改变询问天线设计的情况下,通过参数设置即能满足不同平台的需求。

2 新型ISLS方案设计

2.1 三通道ISLS处理

为了提高系统的抗旁瓣干扰能力,实现询问天线主瓣外其他通道信号对和通道信号的全覆盖,在不大幅增加询问天线设计难度且不降低询问天线指标的前提下,设计询问天线为三通道天线,增加一个全向控制通道(Ψ),并在询问信号中增加一个与差通道完全相同的信号由Ψ通道发出,这样形成和、差与全向控制波束三通道的方向图,示意图如图1所示。

图1 三通道天线水平方向示意图Fig.1 Three-channel antenna pattern in azimuth

询问天线和方向图的旁瓣(不包括主瓣任一边上的第一旁瓣)和后瓣电平一般比主波束(和差等增益点)的电平低20 dB以上,可根据□通道旁瓣增益来确定Ψ通道的增益,以确保在旁瓣穿刺处Ψ通道发送的信号比□通道发送的信号电平高,抑制询问天线旁瓣引起的应答信号。

询问信号由□、Δ、Ψ三通道分时发送,应答机收到询问信号后,提取相应的□、Δ、Ψ信号电平,进行三通道询问旁瓣抑制处理,如果询问信号同时满足下列条件,即□信号电平>Δ信号电平和□信号电平>Ψ信号电平,则应答机认为该询问信号有效,进行应答;如果不能同时满足上述条件,应答机认为收到的询问信号无效,不进行应答。

□、Δ、Ψ三通道ISLS处理方法是在硬件设计中增加一个全向控制通道、在软件设计中增加全向控制通道信息,使全向控制通道与和、差通道共同用于抑制旁瓣干扰,有效地解决了双通道天线旁瓣穿刺的问题。

目前,大多数平台上的二次雷达系统配置的是询问应答一体机,可利用现有的系统资源,将询问天线和应答天线组合形成□、Δ、Ψ三通道询问天线,不需另外设计三通道询问天线,采用新的信号格式,即可实现新型询问旁瓣抑制技术方案。

2.2 波束调节因子

二次雷达系统广泛应用于军事和航空管制方面。军事应用中,设备安装的平台多,如坦克、舰船、战机上,如果针对不同的平台设计多型设备,会增加设计周期、成本和资源浪费,加大管理和维护的难度。此外,平台要求加装的设备体积小、重量轻,而设备天线尺寸越小,其主波束越宽,方位分辨力越低,很难同时满足平台加装要求和询问方位覆盖范围指标要求。

因此,为满足不同平台对询问方位覆盖范围的不同需求,并解决天线尺寸受限时询问有效波束宽度受限的问题,采用了通过询问信号发送波束调节因子的方式,使应答机在执行ISLS处理时,能以加权系数的方式分别对Δ天线图和Ψ天线图各点的电平进行调整,从而改变□-Ψ天线图的交叉点位置,以及□-Ψ天线图的覆盖范围,使询问有效波束宽度增大或减小,实现询问方位覆盖范围的调节。

实现询问机旁瓣抑制范围自动调节的关键环节是在软件设计中增加波束调节因子信息,包括Δ波束调节因子和Ψ波束调节因子。应答机从询问信号中提取波束调节因子后,根据其数值分别对接收到的Δ、Ψ信号电平进行调整,使Δ、Ψ信号电平在实际值的基础上增大或减小。然后进行询问旁瓣抑制处理,比较□信号与调整后的Δ、Ψ信号电平,确定该询问信号是否为询问有效波束(主波束)发出。同时满足下列条件时,即□信号电平高于Δ信号电平调整值和□信号电平高于Ψ信号电平调整值,应答机可以应答。

通过使用波束调节因子,可将询问有效波束宽度变窄或变宽。图2为使用调节因子使询问有效波束宽度变窄的示意图。

图2 调整询问有效波束变窄的示意图Fig.2 Diagram of making the effective beam width narrower

本方法可在不更改设备状态的前提下,方便快捷地通过参数设置调节系统的询问方位覆盖范围,满足不同平台对询问方位覆盖范围的不同需求,具有很强的实用性。

2.3 系统信号格式设计

2.3.1 ISLS域设计

如表1所示,在询问信号中ISLS域内分配一个Ψ通道ISLS控制字段,询问机先发送□信号,然后依次发送Δ信号和Ψ信号。

表1 询问信号定义Table 1 Definition of interrogation signal

询问机每次发送询问信号时均携带波束调节因子,应答机自动根据从询问信号中提取的调节因子和□、Δ、Ψ通道信号电平,实施新型ISLS处理,从而实现各询问机有效方位波束宽度变窄或变宽的要求。

2.3.2 波束调节因子取值与定义

由于波束调节因子是用于在ISLS处理中调节询问有效波束宽度,是应答机关于询问信号有效性的判断条件,因此有必要采用具有纠错功能的编码方式。

一般情况下,在系统设计时应根据本系统的信号格式和平台需求来确定波束调节因子的取值范围和定义,其对信号电平的调整可用等步进或变步进方式实现。

一般而言,Δ波束调节因子和Ψ波束调节因子均至少用2 b来表示。表2和表3分别列出了在询问天线各通道馈入信号功率相同时Δ波束调节因子和Ψ波束调节因子的取值和定义的示例,以供参考。

表2 Δ波束调节因子(2 b)取值及定义示例Table 2 Values and definitions of Δ beam control factor(2 b)

表3 Ψ波束调节因子(2 b)取值及定义示例Table 3 Values and definitions of Ψbeam control factor(2 b)

2.3.3 新型ISLS处理流程

应答机从询问信号中提取的波束调节因子和各通道信号电平后,根据表2和表3中的规定对获取的Δ、Ψ通道信号电平进行计算,得到调整后的Δ、Ψ通道信号电平值,以进行新型ISLS处理,处理流程如图3所示。

图3 ISLS处理流程Fig.3 Flow chart of ISLS processing

从波束调节因子定义和ISLS处理流程可看出,在靠近□方向图主瓣的区域里,起主要决定作用的为Δ波束调节因子;在远离□方向图主瓣的旁瓣区域里,起主要决定作用的为Ψ波束调节因子。

3 结束语

本文提出的新型询问旁瓣抑制技术方案,采用□、Δ、Ψ3种波束发送询问信号,使询问主波束外的Δ、Ψ方向图对□方向图的覆盖率达到100%,消除了二次雷达系统的旁瓣干扰,解决了目前□、Δ双通道定向询问天线的穿刺问题;并采用波束调节因子调节询问有效波束宽度,通过使用询问信号发送波束调节因子的方式灵活改变询问有效方位覆盖范围,解决了询问天线在尺寸受限时主波束宽度指标受限的问题,可在不改变天线设计的前提下,满足不同用户的不同需求。

本方案具有简便、实用的特点,已成功应用于国内某型二次雷达系统,外场试验结果表明系统的旁瓣覆盖率达到100%。同时,通过波束调节因子的设置,使同一型设备能满足多种平台不同的询问方位覆盖范围要求,大大降低了天线设计难度,减少了设备型谱。

[1]钟琼,吴援明,黄成芳.二次雷达系统干扰等问题的解决方法[J].电讯技术,2005,45(2):138-142.ZHONG Qiong,WU Yuan-ming,HUANG Cheng-fang.Solutions to Some Problems in a Secondary Surveillance Radar System[J].Telecommunication Engineering,2005,45(2):138-142.(in Chinese)

[2]何华武.新型协同式敌我识别系统技术研究[J].电讯技术,2002,42(5):15-19.HE Hua-wu.Techniques of a New Cooperative IFF System[J].Telecommunication Engineering,2002,42(5):15-19.(in Chinese)

[3]张宁.敌我识别器多点应答问题的研究[J].武器装备自动化,2003(4):7-9.ZHANG Ning.Research on Problems of Multipoint Response for Rooster[J].Armament Automation,2003(4):7-9.(in Chinese)

[4]郭慧峰,李青山,甘德云,等.基于旁瓣抑制的雷达敌我识别干扰技术[J].火控雷达技术,2009(2):19-23.GUO Hui-feng,LI Qing-shan,GAN De-yun,et al.RIFF Jamming Technique Based on Sidelobe Suppression[J].Fire Control Radar Technology,2009(2):19-23.(in Chinese)

[5]张祥志,贾畅宇,刘湘伟.雷达敌我识别干扰方法研究[J].电子对抗,2010(4):1-5.ZHANG Xiang-zhi,JIA Chang-yu,LIU Xiang-wei.Investigation of Radar IFF Jamming Methods[J].Electronic Warfare,2010(4):1-5.(in Chinese)