王 波

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

1 引 言

二次雷達(dá)(SSR)系統(tǒng)采用詢問-應(yīng)答協(xié)同工作方式,能實現(xiàn)測向、定位、信息傳輸?shù)裙δ?在軍事上和航空管制上起著重要的作用[1]。

二次雷達(dá)系統(tǒng)中,存在旁瓣干擾等內(nèi)部干擾[2]。為消除旁瓣干擾,二次雷達(dá)系統(tǒng)的詢問天線通常設(shè)計為和、差雙通道天線,采用詢問旁瓣抑制(ISLS)技術(shù),使應(yīng)答機只在相對于和波束峰值的預(yù)置方位區(qū)域內(nèi)進(jìn)行應(yīng)答,對來自旁瓣區(qū)域的應(yīng)答進(jìn)行抑制。詢問旁瓣抑制技術(shù)的目的是消除旁瓣干擾,減少應(yīng)答機占據(jù)和多點應(yīng)答[3],提高系統(tǒng)的方位分辨力、多目標(biāo)處理能力和抗干擾能力。

目前,二次雷達(dá)系統(tǒng)采用和(□)、差(Δ)雙通道分時發(fā)送詢問脈沖的方式來實現(xiàn)旁瓣抑制功能[4]。詢問信號中專門設(shè)有一個脈沖或一段信號由 Δ通道發(fā)出,□通道發(fā)出的信號為等幅同相輸出,形成□方向圖;Δ通道發(fā)出的信號為等幅反相輸出,形成Δ方向圖。應(yīng)答機收到詢問信號后,提取□、Δ信號電平信息。若詢問信號由詢問天線主瓣發(fā)出,應(yīng)答機提取的□信號電平應(yīng)比Δ信號電平高,否則視為詢問天線旁瓣發(fā)出的信號。應(yīng)答機將根據(jù)□、Δ信號電平的比較值,只對主瓣詢問信號進(jìn)行應(yīng)答,丟棄旁瓣詢問信號。

在□、Δ雙通道天線方向圖中,□通道信號旁瓣比Δ通道信號電平高的地方稱為穿刺點。穿刺點的存在觸發(fā)應(yīng)答機的誤應(yīng)答[5],造成應(yīng)答機占據(jù),影響系統(tǒng)的識別性能和抗干擾能力。詢問天線根據(jù)極化方式、方位/俯仰覆蓋范圍、總效率、差通道對和通道的覆蓋率等指標(biāo)要求進(jìn)行設(shè)計,一般在天線總效率高的條件下很難達(dá)到差通道對和通道的方向圖全覆蓋,因此需要在各指標(biāo)間予以權(quán)衡。目前,國外現(xiàn)役裝備的詢問天線差通道對和通道覆蓋率要求未提100%,典型的設(shè)計要求值為大于95%、98%等。此外,現(xiàn)有二次雷達(dá)系統(tǒng)的詢問有效方位波束寬度完全取決于詢問天線和、差方向圖的設(shè)計,若不改變詢問天線的設(shè)計,系統(tǒng)的詢問有效方位波束寬度不可變。為滿足不同平臺對系統(tǒng)方位覆蓋范圍的不同要求,只能重新設(shè)計不同型號的詢問天線,大大增加了設(shè)計成本和管理、保障難度。所以,需尋求一種解決方案,彌補現(xiàn)有詢問旁瓣抑制技術(shù)的不足,同時能靈活調(diào)節(jié)詢問有效波束寬度,達(dá)到消除旁瓣干擾、提高系統(tǒng)平臺適應(yīng)性的目的。

針對上述目的,本文提出了新型詢問旁瓣抑制技術(shù)方案,采用和、差、全向三通道分時發(fā)送詢問脈沖的方法,有效消除了目前二次雷達(dá)系統(tǒng)的旁瓣穿刺現(xiàn)象,提高了系統(tǒng)的詢問旁瓣抑制能力。同時,采用在詢問信號中增加波束調(diào)節(jié)因子的方法,使應(yīng)答機能根據(jù)詢問信號的3個通道信號幅度以及該波束調(diào)節(jié)因子進(jìn)行計算,重新生成和、差、全向信號調(diào)整后的電平值,在提高系統(tǒng)抑制詢問旁瓣干擾能力的同時,實現(xiàn)詢問有效波束寬度的靈活調(diào)節(jié),使系統(tǒng)在不改變詢問天線設(shè)計的情況下,通過參數(shù)設(shè)置即能滿足不同平臺的需求。

2 新型ISLS方案設(shè)計

2.1 三通道ISLS處理

為了提高系統(tǒng)的抗旁瓣干擾能力,實現(xiàn)詢問天線主瓣外其他通道信號對和通道信號的全覆蓋,在不大幅增加詢問天線設(shè)計難度且不降低詢問天線指標(biāo)的前提下,設(shè)計詢問天線為三通道天線,增加一個全向控制通道(Ψ),并在詢問信號中增加一個與差通道完全相同的信號由Ψ通道發(fā)出,這樣形成和、差與全向控制波束三通道的方向圖,示意圖如圖1所示。

圖1 三通道天線水平方向示意圖Fig.1 Three-channel antenna pattern in azimuth

詢問天線和方向圖的旁瓣(不包括主瓣任一邊上的第一旁瓣)和后瓣電平一般比主波束(和差等增益點)的電平低20 dB以上,可根據(jù)□通道旁瓣增益來確定Ψ通道的增益,以確保在旁瓣穿刺處Ψ通道發(fā)送的信號比□通道發(fā)送的信號電平高,抑制詢問天線旁瓣引起的應(yīng)答信號。

詢問信號由□、Δ、Ψ三通道分時發(fā)送,應(yīng)答機收到詢問信號后,提取相應(yīng)的□、Δ、Ψ信號電平,進(jìn)行三通道詢問旁瓣抑制處理,如果詢問信號同時滿足下列條件,即□信號電平>Δ信號電平和□信號電平>Ψ信號電平,則應(yīng)答機認(rèn)為該詢問信號有效,進(jìn)行應(yīng)答;如果不能同時滿足上述條件,應(yīng)答機認(rèn)為收到的詢問信號無效,不進(jìn)行應(yīng)答。

□、Δ、Ψ三通道ISLS處理方法是在硬件設(shè)計中增加一個全向控制通道、在軟件設(shè)計中增加全向控制通道信息,使全向控制通道與和、差通道共同用于抑制旁瓣干擾,有效地解決了雙通道天線旁瓣穿刺的問題。

目前,大多數(shù)平臺上的二次雷達(dá)系統(tǒng)配置的是詢問應(yīng)答一體機,可利用現(xiàn)有的系統(tǒng)資源,將詢問天線和應(yīng)答天線組合形成□、Δ、Ψ三通道詢問天線,不需另外設(shè)計三通道詢問天線,采用新的信號格式,即可實現(xiàn)新型詢問旁瓣抑制技術(shù)方案。

2.2 波束調(diào)節(jié)因子

二次雷達(dá)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于軍事和航空管制方面。軍事應(yīng)用中,設(shè)備安裝的平臺多,如坦克、艦船、戰(zhàn)機上,如果針對不同的平臺設(shè)計多型設(shè)備,會增加設(shè)計周期、成本和資源浪費,加大管理和維護(hù)的難度。此外,平臺要求加裝的設(shè)備體積小、重量輕,而設(shè)備天線尺寸越小,其主波束越寬,方位分辨力越低,很難同時滿足平臺加裝要求和詢問方位覆蓋范圍指標(biāo)要求。

因此,為滿足不同平臺對詢問方位覆蓋范圍的不同需求,并解決天線尺寸受限時詢問有效波束寬度受限的問題,采用了通過詢問信號發(fā)送波束調(diào)節(jié)因子的方式,使應(yīng)答機在執(zhí)行ISLS處理時,能以加權(quán)系數(shù)的方式分別對Δ天線圖和Ψ天線圖各點的電平進(jìn)行調(diào)整,從而改變□-Ψ天線圖的交叉點位置,以及□-Ψ天線圖的覆蓋范圍,使詢問有效波束寬度增大或減小,實現(xiàn)詢問方位覆蓋范圍的調(diào)節(jié)。

實現(xiàn)詢問機旁瓣抑制范圍自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是在軟件設(shè)計中增加波束調(diào)節(jié)因子信息,包括Δ波束調(diào)節(jié)因子和Ψ波束調(diào)節(jié)因子。應(yīng)答機從詢問信號中提取波束調(diào)節(jié)因子后,根據(jù)其數(shù)值分別對接收到的Δ、Ψ信號電平進(jìn)行調(diào)整,使Δ、Ψ信號電平在實際值的基礎(chǔ)上增大或減小。然后進(jìn)行詢問旁瓣抑制處理,比較□信號與調(diào)整后的Δ、Ψ信號電平,確定該詢問信號是否為詢問有效波束(主波束)發(fā)出。同時滿足下列條件時,即□信號電平高于Δ信號電平調(diào)整值和□信號電平高于Ψ信號電平調(diào)整值,應(yīng)答機可以應(yīng)答。

通過使用波束調(diào)節(jié)因子,可將詢問有效波束寬度變窄或變寬。圖2為使用調(diào)節(jié)因子使詢問有效波束寬度變窄的示意圖。

圖2 調(diào)整詢問有效波束變窄的示意圖Fig.2 Diagram of making the effective beam width narrower

本方法可在不更改設(shè)備狀態(tài)的前提下,方便快捷地通過參數(shù)設(shè)置調(diào)節(jié)系統(tǒng)的詢問方位覆蓋范圍,滿足不同平臺對詢問方位覆蓋范圍的不同需求,具有很強的實用性。

2.3 系統(tǒng)信號格式設(shè)計

2.3.1 ISLS域設(shè)計

如表1所示,在詢問信號中ISLS域內(nèi)分配一個Ψ通道ISLS控制字段,詢問機先發(fā)送□信號,然后依次發(fā)送Δ信號和Ψ信號。

表1 詢問信號定義Table 1 Definition of interrogation signal

詢問機每次發(fā)送詢問信號時均攜帶波束調(diào)節(jié)因子,應(yīng)答機自動根據(jù)從詢問信號中提取的調(diào)節(jié)因子和□、Δ、Ψ通道信號電平,實施新型ISLS處理,從而實現(xiàn)各詢問機有效方位波束寬度變窄或變寬的要求。

2.3.2 波束調(diào)節(jié)因子取值與定義

由于波束調(diào)節(jié)因子是用于在ISLS處理中調(diào)節(jié)詢問有效波束寬度,是應(yīng)答機關(guān)于詢問信號有效性的判斷條件,因此有必要采用具有糾錯功能的編碼方式。

一般情況下,在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)根據(jù)本系統(tǒng)的信號格式和平臺需求來確定波束調(diào)節(jié)因子的取值范圍和定義,其對信號電平的調(diào)整可用等步進(jìn)或變步進(jìn)方式實現(xiàn)。

一般而言,Δ波束調(diào)節(jié)因子和Ψ波束調(diào)節(jié)因子均至少用2 b來表示。表2和表3分別列出了在詢問天線各通道饋入信號功率相同時Δ波束調(diào)節(jié)因子和Ψ波束調(diào)節(jié)因子的取值和定義的示例,以供參考。

表2 Δ波束調(diào)節(jié)因子(2 b)取值及定義示例Table 2 Values and definitions of Δ beam control factor(2 b)

表3 Ψ波束調(diào)節(jié)因子(2 b)取值及定義示例Table 3 Values and definitions of Ψbeam control factor(2 b)

2.3.3 新型ISLS處理流程

應(yīng)答機從詢問信號中提取的波束調(diào)節(jié)因子和各通道信號電平后,根據(jù)表2和表3中的規(guī)定對獲取的Δ、Ψ通道信號電平進(jìn)行計算,得到調(diào)整后的Δ、Ψ通道信號電平值,以進(jìn)行新型ISLS處理,處理流程如圖3所示。

圖3 ISLS處理流程Fig.3 Flow chart of ISLS processing

從波束調(diào)節(jié)因子定義和ISLS處理流程可看出,在靠近□方向圖主瓣的區(qū)域里,起主要決定作用的為Δ波束調(diào)節(jié)因子;在遠(yuǎn)離□方向圖主瓣的旁瓣區(qū)域里,起主要決定作用的為Ψ波束調(diào)節(jié)因子。

3 結(jié)束語

本文提出的新型詢問旁瓣抑制技術(shù)方案,采用□、Δ、Ψ3種波束發(fā)送詢問信號,使詢問主波束外的Δ、Ψ方向圖對□方向圖的覆蓋率達(dá)到100%,消除了二次雷達(dá)系統(tǒng)的旁瓣干擾,解決了目前□、Δ雙通道定向詢問天線的穿刺問題;并采用波束調(diào)節(jié)因子調(diào)節(jié)詢問有效波束寬度,通過使用詢問信號發(fā)送波束調(diào)節(jié)因子的方式靈活改變詢問有效方位覆蓋范圍,解決了詢問天線在尺寸受限時主波束寬度指標(biāo)受限的問題,可在不改變天線設(shè)計的前提下,滿足不同用戶的不同需求。

本方案具有簡便、實用的特點,已成功應(yīng)用于國內(nèi)某型二次雷達(dá)系統(tǒng),外場試驗結(jié)果表明系統(tǒng)的旁瓣覆蓋率達(dá)到100%。同時,通過波束調(diào)節(jié)因子的設(shè)置,使同一型設(shè)備能滿足多種平臺不同的詢問方位覆蓋范圍要求,大大降低了天線設(shè)計難度,減少了設(shè)備型譜。

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