二次雷達(dá)干擾現(xiàn)象和解決方案分析

陳曉偉

摘? ?要：文章旨在對(duì)航管二次雷達(dá)受干擾的現(xiàn)象進(jìn)行思考和分析，以降低因干擾對(duì)航空管制和航空安全造成的影響。詳細(xì)描述了二次雷達(dá)常見的幾種干擾類型，對(duì)單脈沖二次雷達(dá)干擾抑制的方法進(jìn)行了講解，并結(jié)合實(shí)際設(shè)備給出了解決方案。

關(guān)鍵詞：二次雷達(dá);干擾現(xiàn)象;接收旁瓣抑制

單脈沖二次監(jiān)視雷達(dá)（Monopulse Secondary Surveillance Radar，MSSR）是空中交通管制（Air Traffic Controller，ATC）系統(tǒng)的基本組成設(shè)備，也是我國民用航空雷達(dá)管制采用較為廣泛的雷達(dá)設(shè)備。MSSR通過詢問雷達(dá)向空中發(fā)射詢問信號(hào)，裝有應(yīng)答器的目標(biāo)接收詢問信號(hào)，識(shí)別出詢問信息后，自動(dòng)發(fā)送相應(yīng)的應(yīng)答碼，MSSR接收應(yīng)答信號(hào)，對(duì)應(yīng)答信號(hào)進(jìn)行解碼，從而得到目標(biāo)的相關(guān)信息，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。在實(shí)際使用中，MSSR很容易受到外界和周圍環(huán)境相同頻段的干擾，產(chǎn)生虛假目標(biāo)，或丟失相關(guān)目標(biāo)信息，導(dǎo)致不能完全實(shí)現(xiàn)期望的性能。本文主要對(duì)常見的幾種干擾的現(xiàn)象進(jìn)行分析，并針對(duì)當(dāng)前設(shè)備的配置方式和使用狀態(tài)對(duì)干擾的抑制加以說明。

1? ? 常見的干擾與分析

1.1? “多徑效應(yīng)”干擾

在無線通信領(lǐng)域，多徑指無線電信號(hào)從發(fā)射天線經(jīng)過多個(gè)路徑抵達(dá)接收天線的傳播現(xiàn)象。大氣層對(duì)電波的散射，電離層對(duì)電波的反射、折射以及山巒、建筑等地表物體對(duì)電波的反射都會(huì)造成多徑傳播[1]。

直射路徑和反射路徑間的關(guān)系有很多種，從直射路徑和反射路徑的時(shí)間間隔來看，大致可以分為兩類：（1）直射路徑和反射路徑的路徑差太小，以致同一個(gè)脈沖經(jīng)兩個(gè)路徑到達(dá)時(shí)幾乎完全重疊。（2）直射路徑和反射路徑的路徑差足夠大，以致兩個(gè)路徑到達(dá)的相應(yīng)脈沖串只有部分重疊或不重疊。

多徑效應(yīng)的影響使得某些區(qū)域作用距離增強(qiáng)或減弱，有的甚至因飛機(jī)收到的信號(hào)強(qiáng)度不夠，不能被機(jī)載應(yīng)答機(jī)檢測(cè)出來進(jìn)行應(yīng)答，嚴(yán)重影響了雷達(dá)的探測(cè)能力。

1.2? 繞環(huán)（Ringing）現(xiàn)象

雷達(dá)天線波瓣圖表示雷達(dá)天線輻射信號(hào)在各個(gè)方向上的能量強(qiáng)度分布。天線波瓣分為主波瓣和旁瓣，詢問波束不僅存在于主瓣上，也存在于旁瓣上。當(dāng)飛機(jī)在旁瓣的時(shí)候，應(yīng)答機(jī)被功率較強(qiáng)的詢問信號(hào)觸發(fā)產(chǎn)生應(yīng)答，并被雷達(dá)接收時(shí)，會(huì)形成一個(gè)假目標(biāo)，這些虛假目標(biāo)距離雷達(dá)較近，并且分布在以雷達(dá)為中心的圓環(huán)上，形成“繞環(huán)（Ringing）現(xiàn)象”，會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)分辨力和方位精度變差，在數(shù)字處理時(shí)，形成多個(gè)目標(biāo)報(bào)告，引起后續(xù)設(shè)備過載。

1.3? 異步干擾和同步竄擾

異步干擾（False Replies Unsynchronized to Interrogator Transmission，F(xiàn)RUIT）指當(dāng)一個(gè)飛機(jī)周圍有多部單脈沖二次雷達(dá)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)雷達(dá)接收因其他詢問機(jī)的詢問而觸發(fā)應(yīng)答信號(hào)的現(xiàn)象。地面雷達(dá)站發(fā)出詢問信號(hào)后，同時(shí)收到多個(gè)應(yīng)答信號(hào)，應(yīng)答脈沖相互重疊，或應(yīng)答脈沖出現(xiàn)的位置相互重疊，導(dǎo)致接收機(jī)無法正確進(jìn)行譯碼而得到錯(cuò)誤的譯碼結(jié)果，這種現(xiàn)象就是同步竄擾[2]。

1.4? 大氣波導(dǎo)環(huán)境的影響

大氣波導(dǎo)是自然界中存在的現(xiàn)象，在一定氣象條件下，電磁波會(huì)受到大氣折射的影響，傳播軌跡發(fā)生彎曲。大氣波導(dǎo)使電磁波形成這種異常傳播，其對(duì)雷達(dá)探測(cè)的主要影響有：（1）大氣波導(dǎo)可使雷達(dá)實(shí)現(xiàn)超視距探測(cè)。在一定的大氣波導(dǎo)條件下，當(dāng)波導(dǎo)內(nèi)的輻射源以某一小仰角發(fā)射一定頻率的電磁波時(shí)，電磁波就會(huì)被陷獲在大氣波導(dǎo)內(nèi)傳播，從而實(shí)現(xiàn)超視距傳播。（2）大氣波導(dǎo)使電磁波產(chǎn)生明顯彎曲，將增大雷達(dá)探測(cè)誤差。

2? ? 單脈沖二次雷達(dá)對(duì)干擾的抑制

在空中交通比較繁忙，空中交通管制對(duì)二次雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)依賴比較大時(shí)，因干擾產(chǎn)生的假目標(biāo)對(duì)空中安全造成了很大的危害，因此，尋找干擾抑制方法在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用也顯得日益重要。

單脈沖二次雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)信息獲取的過程也就是抑制干擾的過程，該系統(tǒng)主要由接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、雷達(dá)顯示終端、雷達(dá)數(shù)據(jù)信息處理等模塊組成，不同的模塊在處理信號(hào)時(shí)所用的方法不同，有模擬和數(shù)字處理、軟件和硬件處理。對(duì)雷達(dá)干擾的抑制主要有以下幾種方法。

2.1? 波束處理方法

為了消除“繞環(huán)現(xiàn)象”，雷達(dá)設(shè)計(jì)時(shí)采用兩個(gè)發(fā)射通道的方法，即Σ和Ω，Σ通道產(chǎn)生P1-P3發(fā)射功率，另一個(gè)產(chǎn)生P2發(fā)射功率。信號(hào)經(jīng)過射頻設(shè)備和開關(guān)分時(shí)饋向天線的Σ和Ω通道，向空中發(fā)射。由于Σ波束高增益部分稱為主瓣，其他的稱為旁瓣，Ω信號(hào)是無方向性的，每個(gè)方向的功率都是一樣的。此時(shí)，只需要應(yīng)答機(jī)比較兩個(gè)通道的功率，就可以識(shí)別出主瓣信號(hào)，并對(duì)旁瓣詢問不給予回答，可以達(dá)到抑制旁瓣的作用，也就是詢問旁瓣抑制（Interrogation Side Lobe Suppression，ISLS）功能。

2.2? 接收機(jī)處理方法

接收旁瓣抑制（Receiver Side Lobe Suppression，RSLS）可以有效抑制異步干擾。當(dāng)處在雷達(dá)旁瓣區(qū)位置的飛機(jī)因其他二次雷達(dá)詢問產(chǎn)生應(yīng)答時(shí)，雷達(dá)在接收此類應(yīng)答信號(hào)時(shí)，會(huì)將Σ和Ω通道接收的信號(hào)幅度進(jìn)行對(duì)比，若Ω信號(hào)幅度大于Σ信號(hào)幅度時(shí)，雷達(dá)就會(huì)認(rèn)為該目標(biāo)為旁瓣內(nèi)的信號(hào)，并產(chǎn)生接收旁瓣抑制信號(hào)，濾除該目標(biāo)。此外，時(shí)間靈敏度控制（Sensitivity Time Control，STC）方法會(huì)抑制近距離反射目標(biāo)。

2.3? 應(yīng)答處理方法和多雷達(dá)融合技術(shù)

當(dāng)兩架飛機(jī)相距較近時(shí)，飛機(jī)的應(yīng)答代碼交織在一起就會(huì)產(chǎn)生同步竄擾，此時(shí)，交織的應(yīng)答碼會(huì)對(duì)二次雷達(dá)設(shè)備正確判斷目標(biāo)造成一定的影響。單脈沖二次雷達(dá)會(huì)使用“幅度相關(guān)性”和“△/∑相關(guān)性”的方法進(jìn)行解交織，即將脈沖幅度和△/∑值分別與框架參考幅度和△/∑值進(jìn)行比對(duì)，如果具有一致性，則相關(guān);反之，將相應(yīng)的代碼設(shè)置為低置信度。

多雷達(dá)融合技術(shù)是充分利用多個(gè)傳感器資源，對(duì)檢測(cè)到的目標(biāo)信息進(jìn)行合理支配和使用，把在時(shí)間和空間上的冗余或互補(bǔ)信息按照某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合，獲得被檢測(cè)目標(biāo)。多部雷達(dá)共同覆蓋的區(qū)域，對(duì)不同雷達(dá)檢測(cè)的目標(biāo)進(jìn)行整合，以有效地對(duì)某類性質(zhì)的干擾進(jìn)行抑制，如大氣波導(dǎo)引起的干擾。

2.4? 天線類型選擇和仰角改變

系統(tǒng)采用垂直波束為銳截止的大孔徑開陣式陣列天線，根據(jù)地形地貌和干擾出現(xiàn)的類型，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)天線的仰角，以減少地物雜波帶來的干擾。

3? ? 設(shè)備案例分析

現(xiàn)就ALENIA和INDRA兩部雷達(dá)的干擾抑制現(xiàn)象進(jìn)行分析。

3.1? ALENIA雷達(dá)干擾抑制分析

3.1.1? 天線類型和仰角的改變

ALENIA雷達(dá)天線采用大垂直孔徑開放式陣列天線，陣面的孔徑為1.9 m×8.4 m。大垂直孔徑使低于水平面區(qū)域形成尖銳的下切，可以減少虛假目標(biāo)和波瓣開裂產(chǎn)生盲區(qū)的可能性，也可以根據(jù)地形、地貌采用不同的仰角以削減干擾的影響。

3.1.2? 發(fā)射機(jī)處理辦法

該設(shè)備的發(fā)射機(jī)包括4個(gè)可控功率放大器，每個(gè)功率放大器的輸出功率為500 W，由錄取器控制其是否輸出功率。用戶可以通過錄取器編程，將整個(gè)空間劃分為128個(gè)扇區(qū)，對(duì)任何一個(gè)扇區(qū)（2.8°）的輸出功率進(jìn)行控制。根據(jù)需要，輸出功率可以相對(duì)2 KW發(fā)射機(jī)最大輸出功率衰減0 dB，3 dB，6 dB，12 dB和無功率輸出，根據(jù)干擾的影響情況對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行設(shè)置，降低干擾假目標(biāo)的影響。

3.1.3? RSLS信號(hào)消息來降低假目標(biāo)的影響

反映全方向信息的信號(hào)是主波束接收視頻信號(hào)與無方向波束接收信號(hào)之比。（1）在主瓣方向：logΣ/Ω>門限。（2）在旁瓣方向：logΣ/Ω<門限。

如果比值超過規(guī)定的門限，說明信號(hào)是由主波瓣接收的，該信號(hào)被視為有效，否則，出現(xiàn)RSLS信號(hào)標(biāo)志，表明信號(hào)是由旁瓣或尾瓣接收的，而不是主瓣直接詢問的結(jié)果。

參考門限應(yīng)校準(zhǔn)到+1 V，如果不是可以通過調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)模塊可變電阻使得比較器的同相輸出端電壓為+1 V，這個(gè)電壓值可以測(cè)出。若假目標(biāo)出現(xiàn)在旁瓣上，則可以根據(jù)情況調(diào)節(jié)該可變電阻。

3.2? INDRA雷達(dá)干擾抑制分析

3.2.1? 天線類型與仰角的改變

INDRA雷達(dá)天線與ALENIA雷達(dá)天線都是大垂直孔徑開放式陣列天線，在雷達(dá)上的作用相同。同時(shí)，也可以通過調(diào)節(jié)雷達(dá)天線的仰角來削減干擾的影響。

3.2.2? 發(fā)射機(jī)處理方法

該雷達(dá)設(shè)備配備有本地/遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，有sectoring maps選項(xiàng)卡，選項(xiàng)中有如下4個(gè)板塊：（1）Blanking Sectors：自定義一個(gè)不需要發(fā)射詢問信號(hào)的區(qū)域。（2）IISL Sectors：自定義一個(gè)具有IISL功能的區(qū)域。（3）SSR power：自定義一個(gè)在general選項(xiàng)中定義的不同距離使用不同發(fā)射等級(jí)的區(qū)域，但是這種功能僅適用于SSR詢問。（4）II/SI：自定義一個(gè)帶有不同II/SI代碼的區(qū)域。

根據(jù)廠家給出的功能定義和干擾的不同情況，用戶可以對(duì)輻射的區(qū)域進(jìn)行自定義。若雷達(dá)采用的模式是SSR模式，用戶可以設(shè)置SSR power，以獲得不同區(qū)域的不同發(fā)射功率，減少干擾的影響。若雷達(dá)采用的模式是Mode S，用戶可以通過設(shè)置Gerneral選項(xiàng)中的power等級(jí)來調(diào)節(jié)發(fā)射功率，以削減干擾的影響。

3.2.3? 頂空盲區(qū)反射抑制設(shè)置

頂空盲區(qū)反射抑制設(shè)置主要是用來消除在頂空盲區(qū)中出現(xiàn)的假目標(biāo)。在頂空盲區(qū)內(nèi)，用戶可以自定義一個(gè)扇形區(qū)域，并根據(jù)該區(qū)域中出現(xiàn)假目標(biāo)的數(shù)量來設(shè)置參數(shù)Inhibition1和Inhibition2。根據(jù)廠家的功能描述，用戶可以利用此方法去除頂空盲區(qū)反射區(qū)域內(nèi)的假目標(biāo)。

3.2.4? 利用RSLS標(biāo)志信號(hào)改善旁瓣假目標(biāo)

INDRA雷達(dá)系統(tǒng)與ALENIA雷達(dá)相似，用戶也可以通過RSLS標(biāo)志信號(hào)來改善假目標(biāo)，其原理與ALENIA雷達(dá)的原理相同，本文不再贅述。

4? ? 結(jié)語

本文介紹了二次雷達(dá)常見的干擾種類，剖析了單脈沖二次雷達(dá)抗干擾的技術(shù)層面，并結(jié)合實(shí)例對(duì)干擾抑制進(jìn)行分析，總結(jié)了INDRA二次雷達(dá)和ALENIA二次雷達(dá)抑制干擾的方法。在使用論文中總結(jié)的解決方法時(shí)，應(yīng)先對(duì)出現(xiàn)的假目標(biāo)的情況進(jìn)行分析，然后結(jié)合設(shè)備的功能進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，減少干擾的影響。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張尉.二次雷達(dá)原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[2]蘇志剛.二次雷達(dá)設(shè)備[M].天津：中國民航大學(xué)，1998.

Analysis on the interference phenomenon of the secondary radar and resolution methods

Chen Xiaowei

（Civil Aviation Jiangsu Air Traffic Control Bureau， Nanjing 211113， China）

Abstract：The purpose of this paper is to think and analyze the interference phenomenon of air traffic control secondary radar in order to reduce the influence of interference on air traffic control and aviation safety. Several common interference types of secondary radar are described in detail， the methods of interference suppression of monopulse secondary radar are explained， and the solutions are given in combination with practical equipment.

Key words：the secondary radar; interference phenomenon; receiver side lobe suppression