對IFF系統(tǒng)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(tǒng)在戰(zhàn)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(fā)展的。隨著各種高新技術在敵我識別系統(tǒng)中的應用，二次雷達IFF系統(tǒng)在現(xiàn)代戰(zhàn)場上發(fā)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(tǒng)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(jīng)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(zhàn)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(zhàn)斗機。

1 IFF系統(tǒng)旁瓣噪聲干擾原理

由于IFF系統(tǒng)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(huán)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(qū)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(zhàn)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(fā)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(jù)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(fā)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(shù)；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(fā)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(shù)。

在此，定義1個識別系數(shù)ki，0≤ki≤1，其參數(shù)意義為IFF系統(tǒng)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(tǒng)在一定背景下獲取目標屬性信息的置信度。這與在現(xiàn)實使用環(huán)境下IFF系統(tǒng)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(huán)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(tài)的不確定性。如機動平臺姿態(tài)的瞬間變化、高機動目標在完成戰(zhàn)術動作時被天線遮擋等。

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

（4）其它戰(zhàn)術要求引入的不確定性。如要求協(xié)同目標保持無線電靜默等。

在考慮了識別系數(shù)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(fā)射的噪聲功率PjGj為：

對于IFF系統(tǒng)，天線極化已知（一般為垂直極化），則干擾信號極化系統(tǒng)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(tǒng)為例，假設應答信號發(fā)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(xiàn)代IFF系統(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)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(huán)境下，當詢問機發(fā)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(tǒng)來說，根據(jù)中心極限定理，目標的識別系數(shù)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(jīng)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(shù)分布。用x表示應答信號功率，其概率密度函數(shù)為：

式中：p為應答信號的平均功率。

為充分利用發(fā)射器件的有限功率，干擾機一般發(fā)射等幅的噪聲調頻或調相信號，當干擾信號帶寬與IFF系統(tǒng)接收機帶寬不匹配時，等幅的噪聲信號會出現(xiàn)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(tǒng)是一帶寬有限的接收系統(tǒng)，其輸出噪聲的幅度服從瑞利分布，功率服從指數(shù)分布。用xn表示噪聲功率，其概率密度函數(shù)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(tài)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(tài)分布的隨機變量，功率仍服從指數(shù)規(guī)律，所不同的是其統(tǒng)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(tǒng)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(shù)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(shù)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(shù)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。

圖2 目標應答信號功率的概率分布曲線

有了概率分布曲線，下面就對目標進行判決。確定一功率電平x0，若被檢測單元的功率電平x＞x0，則將其判斷為區(qū)域2；反之，則將其判斷為區(qū)域1。顯然，這樣的判決是有可能產(chǎn)生錯誤的，其大小是門限、目標應答信號功率以及噪聲的函數(shù)。對目標的應答信號1進行檢測時的錯誤概率為：

為使錯誤概率最小，最佳門限按下式求出：

于是有：

代入式（12）可得：

式中：

定義干信比RJ／S＝pn／ps1，則上式可改寫成

特征檢測錯誤概率pe與RJ／S比之間的關系如圖3所示。

從圖3所示曲線可以看出，噪聲壓制干擾的效果不僅和噪聲與應答信號間的干信比JSR有關，還與信號識別系數(shù)間的差別都有關，在ps2／ps1一定的情況下，特征檢測錯誤概率pe隨干信比的增加而增加，但在ps2／ps1的值較大時，pe相對較小，增加RJ／S也無法使其變得很大，這符合實際情況。

4 結束語

圖3 pe 與RJ／S的關系

目前在我國，對敵我識別的干擾研究起步較晚。由于二次雷達IFF系統(tǒng)的特殊性，常規(guī)的電子干擾手段已經(jīng)無法達到對二次雷達IFF系統(tǒng)有效干擾的目的，因此，必須在分析IFF系統(tǒng)工作原理和抗干擾技術的基礎上，有針對性地研究對IFF系統(tǒng)的干擾技術，從而達到最佳的干擾效果。

［1］楊為民.敵我識別器及其技術發(fā)展［J］.艦船電子對抗，2003（5）：1－10.

［2］董陽春，莫翠瓊，史軍軍.雷達敵我識別系統(tǒng)及其對抗技術研究［J］.電子工程，2006（3）：26－28.

［3］何華武.新型協(xié)同式敵我識別系統(tǒng)技術研究［J］.電訊技術，2002（5）：15－19.

［4］趙國慶.雷達對抗原理［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2005.