識(shí)別二次雷達(dá)自適應(yīng)抗干擾措施研究

康振梅

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引 言

識(shí)別二次雷達(dá)設(shè)備為敵我雙方交戰(zhàn)時(shí)用于分辨敵方、友方的一種特殊設(shè)備，要求反應(yīng)靈敏、應(yīng)答準(zhǔn)確。如果詢問(wèn)、應(yīng)答設(shè)備被電磁信號(hào)干擾，不能及時(shí)正確地詢問(wèn)、應(yīng)答，影響了火控設(shè)備對(duì)敵我方的判斷，很容易造成戰(zhàn)場(chǎng)誤傷或貽誤戰(zhàn)機(jī)。傳統(tǒng)的識(shí)別二次雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)答設(shè)備采用全向天線接收、全向天線應(yīng)答發(fā)射,在全向接收詢問(wèn)信號(hào)的同時(shí)也會(huì)接收到外部干擾信號(hào)，影響應(yīng)答設(shè)備正常工作。全向發(fā)射的應(yīng)答信號(hào)也易被截獲/轉(zhuǎn)發(fā)，還會(huì)造成對(duì)周邊其他詢問(wèn)平臺(tái)信號(hào)占據(jù)或串?dāng)_干擾。詢問(wèn)、應(yīng)答任意一方受影響都會(huì)造成功能失效。本文從分析系統(tǒng)內(nèi)外干擾入手，針對(duì)干擾及信號(hào)被截獲轉(zhuǎn)發(fā)后對(duì)系統(tǒng)影響，提出一種合理有效的措施以提高識(shí)別二次雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)抗內(nèi)外干擾的能力。

1 系統(tǒng)干擾分析

識(shí)別二次雷達(dá)系統(tǒng)在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下會(huì)受到系統(tǒng)內(nèi)外干擾信號(hào)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?dāng)_等等。

大功率壓制干擾及掃頻式干擾采用大功率發(fā)射機(jī)對(duì)應(yīng)答設(shè)備實(shí)施干擾，在一定作用距離范圍內(nèi)導(dǎo)致應(yīng)答設(shè)備處于接收飽和狀態(tài)，不能正常響應(yīng)我方詢問(wèn)平臺(tái)給出既定的應(yīng)答信號(hào)，應(yīng)答設(shè)備所處平臺(tái)被誤判為敵方或不明，在嚴(yán)酷激烈的戰(zhàn)場(chǎng)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(wèn)平臺(tái)的詢問(wèn)信號(hào)后，在短時(shí)間內(nèi)以極高的重復(fù)頻率轉(zhuǎn)發(fā)，使干擾范圍內(nèi)的應(yīng)答設(shè)備被占據(jù)，應(yīng)答設(shè)備在完成限定次數(shù)的應(yīng)答處理后則對(duì)我方平臺(tái)的詢問(wèn)不予應(yīng)答，功能失效。

應(yīng)答設(shè)備收到干擾機(jī)詢問(wèn)信號(hào)后無(wú)法判別是否己方詢問(wèn)，會(huì)應(yīng)答發(fā)射大量應(yīng)答信號(hào)，造成對(duì)我方詢問(wèn)平臺(tái)的串?dāng)_，降低我方詢問(wèn)平臺(tái)的識(shí)別檢測(cè)概率，從而導(dǎo)致對(duì)我方多個(gè)平臺(tái)設(shè)備的識(shí)別錯(cuò)誤。應(yīng)答設(shè)備在對(duì)高重復(fù)頻率的干擾詢問(wèn)信號(hào)應(yīng)答時(shí)會(huì)暴露自身平臺(tái)的信息，易被敵方平臺(tái)檢測(cè)識(shí)別進(jìn)而被摧毀，喪失生存戰(zhàn)斗能力。圖1為占據(jù)干擾及串?dāng)_戰(zhàn)場(chǎng)示意圖。

截獲轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾是指在敵我雙方交戰(zhàn)過(guò)程中，采用全向天線的應(yīng)答設(shè)備用于響應(yīng)我方詢問(wèn)的應(yīng)答信號(hào)不僅被己方詢問(wèn)設(shè)備接收，也被敵方平臺(tái)偵收設(shè)備截獲。截獲的應(yīng)答信號(hào)在加密時(shí)隙內(nèi)可被直接轉(zhuǎn)發(fā)用于響應(yīng)我方詢問(wèn)設(shè)備的詢問(wèn)，造成對(duì)敵方目標(biāo)的誤判，認(rèn)敵為友，貽誤對(duì)敵機(jī)的火力打擊，如圖2所示。

2 應(yīng)答設(shè)備自適應(yīng)波束設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的識(shí)別二次雷達(dá)應(yīng)答設(shè)備采用單一信道的全向天線，在全向接收詢問(wèn)信號(hào)時(shí)無(wú)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(wèn)平臺(tái)方位自適應(yīng)定向應(yīng)答。針對(duì)以上問(wèn)題本文提出了一種采用小型相控陣天線的應(yīng)答設(shè)備，采用陣列信號(hào)DOA估計(jì)技術(shù)、自適應(yīng)濾波及自適應(yīng)波束形成定向應(yīng)答技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的抑制，同時(shí)降低了應(yīng)答信號(hào)被截獲轉(zhuǎn)發(fā)的概率，提升了系統(tǒng)抗干擾性能。

2.1 設(shè)計(jì)思路

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

2.2 系統(tǒng)組成

識(shí)別應(yīng)答設(shè)備是被動(dòng)響應(yīng)設(shè)備，需快速實(shí)時(shí)響應(yīng)詢問(wèn)方的詢問(wèn)給出應(yīng)答信號(hào)，確保我方平臺(tái)的正確識(shí)別。為確保應(yīng)答設(shè)備的實(shí)時(shí)性要求，應(yīng)答設(shè)備應(yīng)采用獨(dú)立天線、信道和信號(hào)處理單元。結(jié)合平臺(tái)實(shí)際安裝要求，本方案中天線采用空間占用相對(duì)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(yīng)抗干擾應(yīng)答設(shè)備分為天線及處理主機(jī)兩部分。處理主機(jī)實(shí)現(xiàn)綜合控制、自適應(yīng)波束控制、信號(hào)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(jī)的自適應(yīng)處理單元根據(jù)天線接收的空間信號(hào)自適應(yīng)調(diào)整波束參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)抗干擾及輻射隱蔽效果。圖4為設(shè)備組成框圖。

2.3 系統(tǒng)工作原理流程

識(shí)別二次雷達(dá)應(yīng)答設(shè)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(shí)分為兩種情況：

(1) 干擾信號(hào)方向與詢問(wèn)來(lái)波方向一致，則干擾信號(hào)勢(shì)必影響對(duì)詢問(wèn)信號(hào)的正確解碼。但是，該情況基本不會(huì)出現(xiàn)，敵方和我方平臺(tái)不會(huì)來(lái)自同一方位，該情況不予分析。

(2) 干擾信號(hào)與詢問(wèn)信號(hào)方向不一致，則天線接收的信號(hào)經(jīng)下變頻送至DBF模塊進(jìn)行比幅測(cè)向。當(dāng)收到的信號(hào)特征被判別為干擾信號(hào)后，則DBF根據(jù)干擾來(lái)波方向進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)。方向圖在干擾方位形成波束零深，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行抑制，保證其他方位詢問(wèn)信號(hào)能夠正常接收處理。應(yīng)答設(shè)備在接收詢問(wèn)信號(hào)時(shí)自適應(yīng)干擾抑制工作示意圖如圖6所示。

2.3.2 自適應(yīng)波束定向應(yīng)答

應(yīng)答設(shè)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(hào)，經(jīng)T/R組件下變頻至中頻后送數(shù)字收發(fā)模塊進(jìn)行采樣、濾波，經(jīng)電-光轉(zhuǎn)換后通過(guò)光纖通道送至艙內(nèi)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后進(jìn)行自適應(yīng)波束形成處理，為每路信號(hào)加權(quán)獲取全向信號(hào)進(jìn)行詢問(wèn)信號(hào)解碼處理。同時(shí)，對(duì)收到的8路信號(hào)進(jìn)行DOA測(cè)向獲取詢問(wèn)信號(hào)來(lái)波方向；在詢問(wèn)譯碼成功后信號(hào)處理進(jìn)行應(yīng)答編碼，自適應(yīng)DBF模塊根據(jù)詢問(wèn)信號(hào)方位及詢問(wèn)信號(hào)能量信息進(jìn)行自適應(yīng)功率控制和自適應(yīng)波束加權(quán)。加權(quán)后的基帶信號(hào)上變頻后經(jīng)天線輻射后空間合成為定向應(yīng)答波束。此時(shí)應(yīng)答信號(hào)波束指向詢問(wèn)來(lái)波方向，應(yīng)答信號(hào)功率根據(jù)詢問(wèn)平臺(tái)參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整，其他方位平臺(tái)及敵方偵收干擾設(shè)備收到的應(yīng)答信號(hào)概率大大降低，減少了對(duì)我方平臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)部干擾，降低了被偵收截獲的概率。

本文中應(yīng)答設(shè)備裝于艦載平臺(tái)，在對(duì)來(lái)自45°方位的海面或空中詢問(wèn)信號(hào)進(jìn)行應(yīng)答時(shí)，其應(yīng)答發(fā)射波束形成示意圖見圖7。圖中陰影區(qū)域?yàn)閼?yīng)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(tái)存在。為防止旁瓣輻射信號(hào)被敵方偵收，根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用優(yōu)化應(yīng)答波束同時(shí)在干擾方位形成零深，可進(jìn)一步降低應(yīng)答信號(hào)被敵方截獲后實(shí)施欺騙干擾的概率。應(yīng)答波束自適應(yīng)指向詢問(wèn)方也降低了信號(hào)在應(yīng)答波束外其他方位被偵收截獲的概率，降低了對(duì)我方其他詢問(wèn)平臺(tái)異步干擾的影響。

以8陣元圓環(huán)天線為例，詢問(wèn)機(jī)相對(duì)于應(yīng)答機(jī)的方位角為90°，干擾方向?yàn)?5°和150°。利用空域自適應(yīng)波束形成技術(shù)形成的波束零深和定向應(yīng)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(tái)接收機(jī)的最大偵收檢測(cè)距離，偵收機(jī)的參數(shù)是未知不可改變的，故假定Ri一定；Rr為雷達(dá)最大探測(cè)作用距離。根據(jù)自由空間中雷達(dá)探測(cè)距離方程：

(2)

其中，Gt為雷達(dá)發(fā)射天線增益，Gr為雷達(dá)接收天線增益，Et為雷達(dá)發(fā)射功率，λ為雷達(dá)發(fā)射波長(zhǎng)。由此可見截獲因子與雷達(dá)發(fā)射天線增益、雷達(dá)發(fā)射功率的四次方根成反比，即雷達(dá)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(shí)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(yīng)答發(fā)射波束將近40°，還未達(dá)到精準(zhǔn)的波束指向。可根據(jù)平臺(tái)安裝條件增加應(yīng)答設(shè)備天線陣元和收發(fā)信道數(shù)量。自適應(yīng)形成的應(yīng)答波束干擾零陷更深，指向詢問(wèn)機(jī)的主瓣波束更窄。自適應(yīng)調(diào)整應(yīng)答發(fā)射功率可進(jìn)一步改善低截獲性能、提高抗干擾能力。本文通過(guò)類比法分析自適應(yīng)波束技術(shù)的應(yīng)答設(shè)備輻射隱蔽，低截獲性能。

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

定向應(yīng)答天線輻射至空間總能量為

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

4 結(jié)束語(yǔ)

采用本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)抗干擾應(yīng)答設(shè)備，通過(guò)自適應(yīng)接收波束零深設(shè)計(jì)，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)定向壓制占據(jù)干擾的抑制，實(shí)現(xiàn)對(duì)我方平臺(tái)詢問(wèn)的有效應(yīng)答。通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整應(yīng)答信號(hào)發(fā)射功率及定向波束發(fā)射應(yīng)答信號(hào)，可降低應(yīng)答信號(hào)被截獲的概率，減少轉(zhuǎn)發(fā)欺騙應(yīng)答對(duì)系統(tǒng)工作影響，從而提高二次雷達(dá)系統(tǒng)抗干擾性能，提高目標(biāo)敵我屬性判斷的正確性，提升設(shè)備作戰(zhàn)效能。