董陽春，程正東

（電子工程學(xué)院，合肥230037）

于是有：

0 引 言

二次雷達(dá)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(biāo)之一［1］。敵我識別干擾技術(shù)和抗干擾技術(shù)總是通過相互促進(jìn)、相互斗爭的方式不斷發(fā)展的。隨著各種高新技術(shù)在敵我識別系統(tǒng)中的應(yīng)用，二次雷達(dá)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(dá)IFF系統(tǒng)的干擾技術(shù)的研究［2－3］。

相關(guān)資料表明，美軍早在20世紀(jì)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(shè)備主要有欺騙干擾機(jī)AN／ALQ－108，主要裝備在預(yù)警機(jī)和電子偵察飛機(jī)及部分作戰(zhàn)飛機(jī)的平臺上，如E－2C預(yù)警機(jī)、EP－3A／E電子偵察機(jī)、S－3A“北歐海盜”艦載反潛機(jī)以及 F－14、F－15等戰(zhàn)斗機(jī)。

1 IFF系統(tǒng)旁瓣噪聲干擾原理

由于IFF系統(tǒng)是由詢問機(jī)和應(yīng)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(jī)和應(yīng)答器只要有一環(huán)不能正常工作就能達(dá)到干擾的目的。從工作機(jī)理分析，詢問機(jī)和應(yīng)答器有以下區(qū)別：

（1）詢問機(jī)：天線有方向性，主瓣波束很窄，且掌握主動，可在空域、時(shí)域上對目標(biāo)進(jìn)行選擇。

（2）應(yīng)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(shí)域?qū)υ儐柲繕?biāo)進(jìn)行選擇。

由于二次雷達(dá)往往是同一次雷達(dá)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(dá)干擾必須結(jié)合具體的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用。對詢問機(jī)的干擾，由于詢問天線有方向性，一般很難對準(zhǔn)詢問機(jī)的主瓣進(jìn)行干擾，對詢問機(jī)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(jī)，以降低詢問機(jī)對應(yīng)答信號的檢測以達(dá)到干擾的目的。

設(shè)干擾機(jī)、詢問機(jī)、應(yīng)答器的空間位置如圖1所示。詢問機(jī)天線以其主瓣指向應(yīng)答器，干擾機(jī)的發(fā)射天線指向詢問機(jī)。干擾機(jī)天線、詢問機(jī)天線與應(yīng)答器天線的相對波束張角為θ。

圖1 干擾機(jī)、應(yīng)答器與詢問機(jī)之間的空間分布關(guān)系

根據(jù)干擾方程可以計(jì)算出詢問機(jī)天線主瓣接收到的干擾功率為［4］：

式中：Prj為詢問機(jī)接收到的干擾功率；Pj為干擾發(fā)射功率；Gj為干擾機(jī)天線增益；G（θ）為詢問機(jī)天線在干擾方向上的增益；Rj為干擾機(jī)至詢問機(jī)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(jī)天線主瓣接收到的應(yīng)答信號功率為：

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

在此，定義1個(gè)識別系數(shù)ki，0≤ki≤1，其參數(shù)意義為IFF系統(tǒng)詢問機(jī)與應(yīng)答器一次“詢問－應(yīng)答”過程中，當(dāng)詢問機(jī)對目標(biāo)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(biāo)屬性信息的置信度。這與在現(xiàn)實(shí)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(biāo)的影響難以充分估計(jì)。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(biāo)本身狀態(tài)的不確定性。如機(jī)動平臺姿態(tài)的瞬間變化、高機(jī)動目標(biāo)在完成戰(zhàn)術(shù)動作時(shí)被天線遮擋等。

（3）協(xié)同工作帶來的不確定性。如協(xié)同設(shè)備是否開機(jī)、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(shù)要求引入的不確定性。如要求協(xié)同目標(biāo)保持無線電靜默等。

在考慮了識別系數(shù)后，詢問機(jī)天線主瓣接收到的應(yīng)答信號功率為：

則對詢問機(jī)的干擾壓制比為：

2 等效干擾功率計(jì)算

IFF信號的特征檢測概率受應(yīng)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(biāo)，確定出干擾有效時(shí)的干信比，然后利用式（4）反推出干擾機(jī)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(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，還應(yīng)考慮詢問機(jī)的處理增益。假設(shè)詢問機(jī)的處理增益為D，則實(shí)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(dá)的實(shí)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(shè)應(yīng)答信號發(fā)射功率為500W，詢問機(jī)的處理增益10dB，使IFF信號的檢測概率不大于0.1，假設(shè)干擾機(jī)對準(zhǔn)詢問天線主瓣，且應(yīng)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(yīng)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(shù)，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(dá)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(dá)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(shí)施旁瓣干擾就要求干擾機(jī)要有更大的輸出功率。

3 應(yīng)答信號檢測概率分析

在當(dāng)今日益復(fù)雜的電磁環(huán)境下，當(dāng)詢問機(jī)發(fā)射完詢問信號以后，它的接收機(jī)部分開始工作，在一次“詢問－應(yīng)答”時(shí)間內(nèi)，詢問機(jī)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(biāo)的識別系數(shù)是一個(gè)高斯隨機(jī)變量，所以目標(biāo)的應(yīng)答信號也都服從高斯分布。經(jīng)正交解調(diào)后，由于應(yīng)答信號從實(shí)信號變成了復(fù)信號，其實(shí)部UI和虛部UQ是獨(dú)立同分布高斯隨機(jī)變量，因此，由UI和UQ組成的復(fù)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(yīng)答信號功率，其概率密度函數(shù)為：

式中：p為應(yīng)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(jī)一般發(fā)射等幅的噪聲調(diào)頻或調(diào)相信號，當(dāng)干擾信號帶寬與IFF系統(tǒng)接收機(jī)帶寬不匹配時(shí)，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(jī)輸出的干擾信號具有窄帶噪聲的特點(diǎn)。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(yīng)答信號和噪聲都能分成同相和正交分量，這2個(gè)分量的幅度又都為零均值正態(tài)分布的隨機(jī)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(jī)變量，功率仍服從指數(shù)規(guī)律，所不同的是其統(tǒng)計(jì)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(biāo)，考慮2個(gè)相鄰目標(biāo)的應(yīng)答信號，它們應(yīng)答信號功率的統(tǒng)計(jì)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(biāo)的應(yīng)答信號間存在著識別系數(shù)差，這就構(gòu)成了應(yīng)答信號的細(xì)微特征，而信號細(xì)微特征檢測的目的就是利用目標(biāo)的應(yīng)答信號之間的識別系數(shù)差對目標(biāo)進(jìn)行識別。噪聲壓制干擾減小了應(yīng)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(yīng)答信號檢測時(shí)的錯(cuò)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(biāo)應(yīng)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(biāo)進(jìn)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(cuò)誤的，其大小是門限、目標(biāo)應(yīng)答信號功率以及噪聲的函數(shù)。對目標(biāo)的應(yīng)答信號1進(jìn)行檢測時(shí)的錯(cuò)誤概率為：

為使錯(cuò)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(cuò)誤概率pe與RJ／S比之間的關(guān)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(yīng)答信號間的干信比JSR有關(guān)，還與信號識別系數(shù)間的差別都有關(guān)，在ps2／ps1一定的情況下，特征檢測錯(cuò)誤概率pe隨干信比的增加而增加，但在ps2／ps1的值較大時(shí)，pe相對較小，增加RJ／S也無法使其變得很大，這符合實(shí)際情況。

4 結(jié)束語

圖3 pe 與RJ／S的關(guān)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(dá)IFF系統(tǒng)的特殊性，常規(guī)的電子干擾手段已經(jīng)無法達(dá)到對二次雷達(dá)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(shù)的基礎(chǔ)上，有針對性地研究對IFF系統(tǒng)的干擾技術(shù)，從而達(dá)到最佳的干擾效果。

［1］楊為民.敵我識別器及其技術(shù)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(dá)敵我識別系統(tǒng)及其對抗技術(shù)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(shù)研究［J］.電訊技術(shù)，2002（5）：15－19.

［4］趙國慶.雷達(dá)對抗原理［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

［5］黃成芳.二次雷達(dá)敵我識別器系統(tǒng)識別概率的探討［J］.電訊技術(shù)，2000（2）：1－2.