識別二次雷達自適應抗干擾措施研究

康振梅

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引 言

識別二次雷達設備為敵我雙方交戰(zhàn)時用于分辨敵方、友方的一種特殊設備，要求反應靈敏、應答準確。如果詢問、應答設備被電磁信號干擾，不能及時正確地詢問、應答，影響了火控設備對敵我方的判斷，很容易造成戰(zhàn)場誤傷或貽誤戰(zhàn)機。傳統(tǒng)的識別二次雷達系統(tǒng)應答設備采用全向天線接收、全向天線應答發(fā)射,在全向接收詢問信號的同時也會接收到外部干擾信號，影響應答設備正常工作。全向發(fā)射的應答信號也易被截獲/轉(zhuǎn)發(fā)，還會造成對周邊其他詢問平臺信號占據(jù)或串擾干擾。詢問、應答任意一方受影響都會造成功能失效。本文從分析系統(tǒng)內(nèi)外干擾入手，針對干擾及信號被截獲轉(zhuǎn)發(fā)后對系統(tǒng)影響，提出一種合理有效的措施以提高識別二次雷達系統(tǒng)對抗內(nèi)外干擾的能力。

1 系統(tǒng)干擾分析

識別二次雷達系統(tǒng)在戰(zhàn)場環(huán)境下會受到系統(tǒng)內(nèi)外干擾信號影響而降低使用效能。常見的干擾方式有敵方有意大功率壓制干擾、掃頻式干擾、占據(jù)式干擾、截獲轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾、系統(tǒng)內(nèi)部串擾等等。

大功率壓制干擾及掃頻式干擾采用大功率發(fā)射機對應答設備實施干擾，在一定作用距離范圍內(nèi)導致應答設備處于接收飽和狀態(tài)，不能正常響應我方詢問平臺給出既定的應答信號，應答設備所處平臺被誤判為敵方或不明，在嚴酷激烈的戰(zhàn)場環(huán)境中我方誤傷摧毀的概率高。

占據(jù)式干擾是敵方在截獲到我方詢問平臺的詢問信號后，在短時間內(nèi)以極高的重復頻率轉(zhuǎn)發(fā)，使干擾范圍內(nèi)的應答設備被占據(jù)，應答設備在完成限定次數(shù)的應答處理后則對我方平臺的詢問不予應答，功能失效。

應答設備收到干擾機詢問信號后無法判別是否己方詢問，會應答發(fā)射大量應答信號，造成對我方詢問平臺的串擾，降低我方詢問平臺的識別檢測概率，從而導致對我方多個平臺設備的識別錯誤。應答設備在對高重復頻率的干擾詢問信號應答時會暴露自身平臺的信息，易被敵方平臺檢測識別進而被摧毀，喪失生存戰(zhàn)斗能力。圖1為占據(jù)干擾及串擾戰(zhàn)場示意圖。

截獲轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾是指在敵我雙方交戰(zhàn)過程中，采用全向天線的應答設備用于響應我方詢問的應答信號不僅被己方詢問設備接收，也被敵方平臺偵收設備截獲。截獲的應答信號在加密時隙內(nèi)可被直接轉(zhuǎn)發(fā)用于響應我方詢問設備的詢問，造成對敵方目標的誤判，認敵為友，貽誤對敵機的火力打擊，如圖2所示。

2 應答設備自適應波束設計

傳統(tǒng)的識別二次雷達應答設備采用單一信道的全向天線，在全向接收詢問信號時無法抑制外部空間固定方位壓制、占據(jù)干擾，也不能根據(jù)詢問平臺方位自適應定向應答。針對以上問題本文提出了一種采用小型相控陣天線的應答設備，采用陣列信號DOA估計技術(shù)、自適應濾波及自適應波束形成定向應答技術(shù)實現(xiàn)對干擾信號的抑制，同時降低了應答信號被截獲轉(zhuǎn)發(fā)的概率，提升了系統(tǒng)抗干擾性能。

2.1 設計思路

針對空間固定方位壓制干擾和高頻次的欺騙詢問信號，應答設備可以用接收波束自適應濾波技術(shù)在干擾方向形成零深，抑制干擾信號，應答設備可以繼續(xù)接收處理其他方位的詢問信號，提升了應答設備的生存能力。為降低應答信號被截獲概率，應答設備可根據(jù)陣列信號DOA估計得到的詢問來波方位進行自適應調(diào)整發(fā)射波束，自適應形成特定波束指向詢問方應答發(fā)射，大大降低其他方位敵方平臺截獲應答信號的概率。系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)組成

識別應答設備是被動響應設備，需快速實時響應詢問方的詢問給出應答信號，確保我方平臺的正確識別。為確保應答設備的實時性要求，應答設備應采用獨立天線、信道和信號處理單元。結(jié)合平臺實際安裝要求，本方案中天線采用空間占用相對小的8陣元圓環(huán)數(shù)字相控陣天線，覆蓋360°全方位。

自適應抗干擾應答設備分為天線及處理主機兩部分。處理主機實現(xiàn)綜合控制、自適應波束控制、信號處理等功能。天線由天線輻射單元、T/R組件及數(shù)字收發(fā)模塊組成。處理主機的自適應處理單元根據(jù)天線接收的空間信號自適應調(diào)整波束參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)抗干擾及輻射隱蔽效果。圖4為設備組成框圖。

2.3 系統(tǒng)工作原理流程

識別二次雷達應答設備工作流程如圖5所示。

2.3.1 干擾抑制

如果空間有干擾時分為兩種情況：

(1) 干擾信號方向與詢問來波方向一致，則干擾信號勢必影響對詢問信號的正確解碼。但是，該情況基本不會出現(xiàn)，敵方和我方平臺不會來自同一方位，該情況不予分析。

(2) 干擾信號與詢問信號方向不一致，則天線接收的信號經(jīng)下變頻送至DBF模塊進行比幅測向。當收到的信號特征被判別為干擾信號后，則DBF根據(jù)干擾來波方向進行自適應加權(quán)。方向圖在干擾方位形成波束零深，對干擾信號進行抑制，保證其他方位詢問信號能夠正常接收處理。應答設備在接收詢問信號時自適應干擾抑制工作示意圖如圖6所示。

2.3.2 自適應波束定向應答

應答設備常態(tài)處于接收狀態(tài)。天線輻射單元接收全方位空間信號，經(jīng)T/R組件下變頻至中頻后送數(shù)字收發(fā)模塊進行采樣、濾波，經(jīng)電-光轉(zhuǎn)換后通過光纖通道送至艙內(nèi)轉(zhuǎn)換為電信號后進行自適應波束形成處理，為每路信號加權(quán)獲取全向信號進行詢問信號解碼處理。同時，對收到的8路信號進行DOA測向獲取詢問信號來波方向；在詢問譯碼成功后信號處理進行應答編碼，自適應DBF模塊根據(jù)詢問信號方位及詢問信號能量信息進行自適應功率控制和自適應波束加權(quán)。加權(quán)后的基帶信號上變頻后經(jīng)天線輻射后空間合成為定向應答波束。此時應答信號波束指向詢問來波方向，應答信號功率根據(jù)詢問平臺參數(shù)自適應調(diào)整，其他方位平臺及敵方偵收干擾設備收到的應答信號概率大大降低，減少了對我方平臺系統(tǒng)內(nèi)部干擾，降低了被偵收截獲的概率。

本文中應答設備裝于艦載平臺，在對來自45°方位的海面或空中詢問信號進行應答時，其應答發(fā)射波束形成示意圖見圖7。圖中陰影區(qū)域為應答發(fā)射波束合成使用的天線單元。

存在干擾的方位一般有敵方平臺存在。為防止旁瓣輻射信號被敵方偵收，根據(jù)戰(zhàn)場實際應用優(yōu)化應答波束同時在干擾方位形成零深，可進一步降低應答信號被敵方截獲后實施欺騙干擾的概率。應答波束自適應指向詢問方也降低了信號在應答波束外其他方位被偵收截獲的概率，降低了對我方其他詢問平臺異步干擾的影響。

以8陣元圓環(huán)天線為例，詢問機相對于應答機的方位角為90°，干擾方向為25°和150°。利用空域自適應波束形成技術(shù)形成的波束零深和定向應答波束的仿真結(jié)果如圖8。

3 效能分析

為定性定量分析系統(tǒng)的低截獲概率，根據(jù)施里海爾(Schleher)提出的截獲因子α的概念：

(1)

其中，Ri為截獲平臺接收機的最大偵收檢測距離，偵收機的參數(shù)是未知不可改變的，故假定Ri一定；Rr為雷達最大探測作用距離。根據(jù)自由空間中雷達探測距離方程：

(2)

其中，Gt為雷達發(fā)射天線增益，Gr為雷達接收天線增益，Et為雷達發(fā)射功率，λ為雷達發(fā)射波長。由此可見截獲因子與雷達發(fā)射天線增益、雷達發(fā)射功率的四次方根成反比，即雷達天線主瓣增益越大，旁瓣增益越小，發(fā)射功率越小，截獲因子越小。

本文給出的實現(xiàn)方案中采用了8陣元天線，形成的干擾抑制波束凹陷和應答發(fā)射波束將近40°，還未達到精準的波束指向。可根據(jù)平臺安裝條件增加應答設備天線陣元和收發(fā)信道數(shù)量。自適應形成的應答波束干擾零陷更深，指向詢問機的主瓣波束更窄。自適應調(diào)整應答發(fā)射功率可進一步改善低截獲性能、提高抗干擾能力。本文通過類比法分析自適應波束技術(shù)的應答設備輻射隱蔽，低截獲性能。

假設采用傳統(tǒng)全向天線波束增益為G1，自適應定向應答波束增益為G2，全向天線輻射至空間總能量為

定向應答天線輻射至空間總能量為

由圖9中可見，E1遠大于E2，采用自適應定向波束應答技術(shù)可有效提高系統(tǒng)低截獲性能。

4 結(jié)束語

采用本文設計的自適應抗干擾應答設備，通過自適應接收波束零深設計，可有效實現(xiàn)對定向壓制占據(jù)干擾的抑制，實現(xiàn)對我方平臺詢問的有效應答。通過自適應調(diào)整應答信號發(fā)射功率及定向波束發(fā)射應答信號，可降低應答信號被截獲的概率，減少轉(zhuǎn)發(fā)欺騙應答對系統(tǒng)工作影響，從而提高二次雷達系統(tǒng)抗干擾性能，提高目標敵我屬性判斷的正確性，提升設備作戰(zhàn)效能。