對IFF系統詢問機的旁瓣噪聲壓制干擾研究

2013-08-10 05:22:36董陽春程正東

艦船電子對抗 2013年4期

董陽春，程正東

（電子工程學院，合肥230037）

于是有：

0 引言

二次雷達敵我識別（IFF）系統在戰爭中起著舉足輕重的作用，因而也是對抗雙方首先攻擊的目標之一［1］。敵我識別干擾技術和抗干擾技術總是通過相互促進、相互斗爭的方式不斷發展的。隨著各種高新技術在敵我識別系統中的應用，二次雷達IFF系統在現代戰場上發揮了越來越重要的作用，各國也都積極開展對二次雷達IFF系統的干擾技術的研究［2－3］。

相關資料表明，美軍早在20世紀70年代就已經開展了敵我識別對抗研究。目前，美軍比較成熟的敵我識別干擾設備主要有欺騙干擾機AN／ALQ－108，主要裝備在預警機和電子偵察飛機及部分作戰飛機的平臺上，如E－2C預警機、EP－3A／E電子偵察機、S－3A“北歐海盜”艦載反潛機以及 F－14、F－15等戰斗機。

1 IFF系統旁瓣噪聲干擾原理

由于IFF系統是由詢問機和應答器兩部分組成的，且兩部分分別安裝在不同的工作平臺上。因此，從工作原理上講，詢問機和應答器只要有一環不能正常工作就能達到干擾的目的。從工作機理分析，詢問機和應答器有以下區別：

（1）詢問機：天線有方向性，主瓣波束很窄，且掌握主動，可在空域、時域上對目標進行選擇。

（2）應答器：天線方位為全向，在任何方向都被動接收詢問信號，它無法在空域和時域對詢問目標進行選擇。

由于二次雷達往往是同一次雷達配合使用的，若干擾方式不正確不但不能起到干擾作用，還會暴露自己。因此，對二次雷達干擾必須結合具體的戰術應用。對詢問機的干擾，由于詢問天線有方向性，一般很難對準詢問機的主瓣進行干擾，對詢問機干擾可采用旁瓣噪聲壓制干擾，即從旁瓣將大功率干擾噪聲注入到詢問機，以降低詢問機對應答信號的檢測以達到干擾的目的。

設干擾機、詢問機、應答器的空間位置如圖1所示。詢問機天線以其主瓣指向應答器，干擾機的發射天線指向詢問機。干擾機天線、詢問機天線與應答器天線的相對波束張角為θ。

圖1 干擾機、應答器與詢問機之間的空間分布關系

根據干擾方程可以計算出詢問機天線主瓣接收到的干擾功率為［4］：

式中：Prj為詢問機接收到的干擾功率；Pj為干擾發射功率；Gj為干擾機天線增益；G（θ）為詢問機天線在干擾方向上的增益；Rj為干擾機至詢問機的距離；λ1為干擾信號的工作波長；γ為干擾信號對詢問天線的極化損耗系數；Lj為干擾信號的大氣吸收損耗。

詢問機天線主瓣接收到的應答信號功率為：

式中：Prs為詢問機接收到的應答信號功率；Ps為應答器發射功率；Gs為應答器天線增益；G′為詢問機天線在應答器方向上的增益；Rs為應答器至詢問機的距離；λ2為應答信號的工作波長；Ls為應答信號的大氣吸收損耗；γ′為應答信號對詢問機天線的極化損失系數。

在此，定義1個識別系數ki，0≤ki≤1，其參數意義為IFF系統詢問機與應答器一次“詢問－應答”過程中，當詢問機對目標的敵我屬性判斷正確的識別概率，即一次識別概率。它表征了系統在一定背景下獲取目標屬性信息的置信度。這與在現實使用環境下IFF系統面臨一系列的不確定因素相符合，這些不確定因素包括：

（1）環境對指標的影響難以充分估計。如海面電磁波相干引起的信號電平變化、氣象條件引起電磁波傳播特性變化等。

（2）目標本身狀態的不確定性。如機動平臺姿態的瞬間變化、高機動目標在完成戰術動作時被天線遮擋等。

（3）協同工作帶來的不確定性。如協同設備是否開機、工作是否正常、是否被占據、協同工作狀態是否被保持等。

（4）其它戰術要求引入的不確定性。如要求協同目標保持無線電靜默等。

在考慮了識別系數后，詢問機天線主瓣接收到的應答信號功率為：

則對詢問機的干擾壓制比為：

2 等效干擾功率計算

IFF信號的特征檢測概率受應答信號干信比的影響很大，因此可以將其作為衡量噪聲壓制干擾效果的指標，確定出干擾有效時的干信比，然后利用式（4）反推出干擾機所需發射的噪聲功率PjGj為：

對于IFF系統，天線極化已知（一般為垂直極化），則干擾信號極化系統γ可以取1。等效干擾功率為：

在實際應用當中，還應考慮詢問機的處理增益。假設詢問機的處理增益為D，則實際等效干擾功率為：

大氣吸收損耗Lj＝0.006 6Rj，Ls＝0.006 6Rs，故對詢問雷達的實際等效干擾功率可簡化為：

由此可見，等效干擾功率與干擾距離之比的3次方成正比。

以美國Mark XII敵我識別系統為例，假設應答信號發射功率為500W，詢問機的處理增益10dB，使IFF信號的檢測概率不大于0.1，假設干擾機對準詢問天線主瓣，且應答信號與干擾信號對詢問天線無極化損失，則θ≈0，G′＝G（0）＝G，且λ1＝λ2＝λ，則不同干擾距離和應答距離的噪聲壓制干擾等效干擾功率PjGj如表1所示。

表1 等效干擾功率表

現代IFF系統盡管采用了旁瓣抑制技術，但仍然具有一定的旁瓣電平，如英國Cossor公司生產的Condor 2地面單脈沖二次雷達的水平旁瓣電平為－26dB。并且旁瓣波束寬度比較寬，這就為二次雷達IFF系統的旁瓣噪聲壓制干擾提供了可能。但由于旁瓣電平較低，實施旁瓣干擾就要求干擾機要有更大的輸出功率。

3 應答信號檢測概率分析

在當今日益復雜的電磁環境下，當詢問機發射完詢問信號以后，它的接收機部分開始工作，在一次“詢問－應答”時間內，詢問機接收到的信號包括己方的、敵方的、不明的等各種信號［5］。

對于IFF系統來說，根據中心極限定理，目標的識別系數是一個高斯隨機變量，所以目標的應答信號也都服從高斯分布。經正交解調后，由于應答信號從實信號變成了復信號，其實部UI和虛部UQ是獨立同分布高斯隨機變量，因此，由UI和UQ組成的復信號其振幅服從瑞利分布，功率服從指數分布。用x表示應答信號功率，其概率密度函數為：

式中：p為應答信號的平均功率。

為充分利用發射器件的有限功率，干擾機一般發射等幅的噪聲調頻或調相信號，當干擾信號帶寬與IFF系統接收機帶寬不匹配時，等幅的噪聲信號會出現幅度上的起伏，在理想情況下，接收機輸出的干擾信號具有窄帶噪聲的特點。IFF系統是一帶寬有限的接收系統，其輸出噪聲的幅度服從瑞利分布，功率服從指數分布。用xn表示噪聲功率，其概率密度函數為：

式中：pn為噪聲的平均功率。

由于應答信號和噪聲都能分成同相和正交分量，這2個分量的幅度又都為零均值正態分布的隨機變量，因此信號加噪聲也可分為同相和正交分量，它們的幅度也為零均值正態分布的隨機變量，功率仍服從指數規律，所不同的是其統計平均值為信號平均功率ps與噪聲平均功率pn的和。對于分布式目標，考慮2個相鄰目標的應答信號，它們應答信號功率的統計平均值分別為ps1和ps2，加上噪聲后，它們功率的概率密度函數為：

功率上的差別反映到識別概率上就是相鄰目標的應答信號間存在著識別系數差，這就構成了應答信號的細微特征，而信號細微特征檢測的目的就是利用目標的應答信號之間的識別系數差對目標進行識別。噪聲壓制干擾減小了應答信號功率間的差別，使它們的概率分布變得很接近，這也就增大了應答信號檢測時的錯誤概率。若ps2＞ps1，則它們的概率分布曲線如圖2所示。