柏如龍，霍立寰，陳建峰，閆 濤，許瑞杰，孫 超

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2.河北省電磁頻譜認(rèn)知與管控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050051)

0 引 言

民用二次雷達(dá)(SSR)信號(hào)與軍用敵我識(shí)別(IFF)信號(hào)在參數(shù)規(guī)格上具有很大的相似性，其中3/A模式和C模式為軍民共用，發(fā)射頻次高。在沿海、機(jī)場(chǎng)、島礁等復(fù)雜航路空域采用寬開體制,接收到的是大量頻域重疊、時(shí)域交織的敵我識(shí)別(IFF)脈沖串[1-4]。如何正確分離不同目標(biāo)的脈沖串是對(duì)空目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)首要解決的難題之一。當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的長(zhǎng)基線三站時(shí)差無源定位體制，利用不同位置的目標(biāo)到達(dá)各觀測(cè)站的傳播路徑差信息進(jìn)行目標(biāo)區(qū)分。該體制需要建立站間傳輸鏈路，這對(duì)于島礁、艦載、機(jī)載等單平臺(tái)來說，使用受限。文章利用短基線觀測(cè)不同目標(biāo)到達(dá)各天線單元的相位差信息進(jìn)行目標(biāo)區(qū)分，并利用IFF信號(hào)的碼字取值特征進(jìn)行分類、分離與聚合，準(zhǔn)確判斷單個(gè)目標(biāo)的各種模式的碼字取值，提高混疊目標(biāo)分離的正確性。該方法可應(yīng)用于單個(gè)空間受限平臺(tái)，也能形成對(duì)寬開空域目標(biāo)的監(jiān)視能力[5-7]。

1 多通道監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)

典型的IFF信號(hào)多通道監(jiān)視系統(tǒng)由IFF信號(hào)測(cè)向天線陣、測(cè)向開關(guān)陣、多通道測(cè)向接收機(jī)及態(tài)勢(shì)席位組成[8-11]，如圖1所示。

圖1 多通道監(jiān)視系統(tǒng)組成圖

其中測(cè)向天線陣的布局可以根據(jù)安裝平臺(tái)空間大小以及測(cè)向精度要求進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)[12]。多通道測(cè)向接收機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)[13-14]，其工作原理如圖2所示。

圖2 多通道測(cè)向接收機(jī)工作原理圖

其中脈沖參數(shù)測(cè)量包括時(shí)域參數(shù)測(cè)量和相位差參數(shù)測(cè)量，脈沖參數(shù)測(cè)量包括脈沖到達(dá)時(shí)刻、脈沖寬度、脈沖幅度等參數(shù)的測(cè)量，將2類參數(shù)測(cè)量結(jié)果統(tǒng)一打包,形成脈沖描述字后，進(jìn)行混疊信號(hào)分離和測(cè)向。

設(shè)電磁波的入射方向?yàn)棣龋ǖ纻€(gè)數(shù)為N，各通道接收到的信號(hào)可以表示為：

(1)

式中：dn為第n個(gè)通道至參考通道的距離；λ為信號(hào)波長(zhǎng)。

接收通道0的輸出信號(hào)分配給其它各通道的相關(guān)器，每個(gè)相關(guān)器輸出該通道接收信號(hào)與參考通道的正交相位差信號(hào)I(t)和Q(t):

(2)

式中：Re[·]為取實(shí)部操作；Im[·]為取虛部操作；conj[·]為取共軛操作。

2 混疊信號(hào)分離方法

2.1 相位差取值特征分析

IFF應(yīng)答信號(hào)的脈沖持續(xù)時(shí)間短，X模式的典型值為0.45 μs，S模式的典型值為0.5 μs和1 μs，短持續(xù)脈沖的相位差測(cè)量值起伏較大。在脈沖密集交織的情況下，還存在不同用戶的時(shí)隙在時(shí)域上重疊，導(dǎo)致相位差測(cè)量錯(cuò)誤的情況。因此,實(shí)際觀測(cè)到的相位差測(cè)量值顯得十分雜亂。

2.2 碼字取值特征分析

飛機(jī)的應(yīng)答碼取決于地面的詢問模式，主要包括3/A模式的身份碼、C模式的高度碼以及長(zhǎng)S或短S模式應(yīng)答碼。其中，單個(gè)目標(biāo)的身份碼取值是固定的，高度碼對(duì)應(yīng)于目標(biāo)的飛行高度，取值可能出現(xiàn)變化，但也存在處在同一個(gè)高度層的不同目標(biāo)共用一個(gè)高度碼的情況。單個(gè)目標(biāo)的S模式地址碼取值固定且唯一。在脈沖密集交織的情況下，還存在脈沖重疊導(dǎo)致碼字提取錯(cuò)誤的情況，因此實(shí)際觀測(cè)到的碼字序列存在一定的錯(cuò)誤概率。

2.3 基于碼字頻次統(tǒng)計(jì)的分離

從碼字取值特征分析來看，目標(biāo)的高度碼存在緩慢變化的情況，但其身份碼通常是固定不變的。針對(duì)單個(gè)目標(biāo)的身份碼取值不變、不同的目標(biāo)身份碼取值不同的特征，采取碼字頻次統(tǒng)計(jì)的方式，克服由于信號(hào)混疊導(dǎo)致的少量碼字錯(cuò)誤的影響，挑選統(tǒng)計(jì)頻次較高的身份碼，分離其相位差觀測(cè)數(shù)據(jù)，由此獲得單個(gè)目標(biāo)的相位差觀測(cè)曲線樣本。

2.4 基于相位差取值匹配的分離

針對(duì)單個(gè)目標(biāo)交錯(cuò)發(fā)送身份碼、高度碼以及S模式應(yīng)答碼的情況，以身份碼提取的相位差觀測(cè)曲線樣本為參考，基于短時(shí)間內(nèi)同一個(gè)目標(biāo)的不同模式的應(yīng)答信號(hào)相位差變化曲線基本重合的特征，搜索與當(dāng)前身份碼相位差曲線相重合的其它模式的所有觀測(cè)樣點(diǎn)。通過對(duì)相位差匹配的觀測(cè)樣點(diǎn)碼字取值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，識(shí)別出高度碼、S模式地址碼，并判斷目標(biāo)的高度取值是否發(fā)生變化。

2.5 識(shí)別干擾混疊的脈沖串

在已確定目標(biāo)身份碼、高度碼和S模式地址碼的情況下，基于相位差匹配的原則，檢索剩余的X模式或S模式脈沖串中，如果存在部分脈沖的相位差匹配、少量脈沖的相位差不匹配的情況，則可以判定這些不匹配的脈沖是由于信號(hào)混疊造成的干擾。基于碼字已知的情況，對(duì)這些錯(cuò)誤的碼字進(jìn)行糾錯(cuò)后，可以合并為同一個(gè)目標(biāo)的觀測(cè)樣點(diǎn)。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

試驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)置：利用圖2所示的多通道測(cè)向接收機(jī)連續(xù)截獲外界IFF信號(hào)的脈沖描述字，經(jīng)過模式分選后統(tǒng)計(jì)不同碼字的出現(xiàn)頻次，如圖3所示。

圖3 不同碼字出現(xiàn)頻次統(tǒng)計(jì)分布

由于高度碼存在多個(gè)目標(biāo)共用的情況，為此先挑選確定為身份碼的碼字進(jìn)行分析，圖3中碼字取值標(biāo)記為7 415的可確定為身份碼，選取所有X模式碼字為7 415的樣點(diǎn)，觀測(cè)其相位差取值分布情況，如圖4所示。

圖4 碼字取值為7 415的樣點(diǎn)相位差取值分布曲線

以7 415碼字的相位差曲線為參考，搜索與之相位差匹配的其它所有樣點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 與7 415碼字相位差重合的其它樣點(diǎn)相位差分布曲線

根據(jù)匹配的X模式碼字取值分布，確定該目標(biāo)的高度碼取值為5 160，如圖6所示。

圖6 匹配的X模式碼字取值分布圖

根據(jù)匹配的S模式地址碼取值分布，確定該目標(biāo)的S模式地址碼取值為7 865 044，按十六進(jìn)制表示為780 2D4，如圖7所示。

圖7 匹配的S模式地址碼取值分布圖

綜合上述操作，從密集雜亂的相位差觀測(cè)數(shù)據(jù)中，分離出所有屬于單個(gè)目標(biāo)的觀測(cè)樣點(diǎn)，并確定了該目標(biāo)的身份碼為7 415、高度碼為5 160、地址碼為7802D4。

將上述目標(biāo)從所有觀測(cè)樣點(diǎn)中分離后，采用類似的處理方式，再對(duì)剩余的觀測(cè)樣點(diǎn)進(jìn)行迭代處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有目標(biāo)的逐個(gè)分離。

4 結(jié)束語

IFF信號(hào)脈沖持續(xù)時(shí)間短、同頻多目標(biāo)密集交織，是非合作對(duì)空目標(biāo)監(jiān)視領(lǐng)域的難題之一。在短基線、單平臺(tái)、空間受限的情況下，采用干涉儀體制觀測(cè)到的相位差數(shù)據(jù)十分雜亂，難以直接用于測(cè)向。文章提出基于碼字統(tǒng)計(jì)和相位差匹配的IFF混疊信號(hào)分離方法，先基于身份碼統(tǒng)計(jì)結(jié)果，提取單個(gè)目標(biāo)相位差曲線輪廓；再通過相位差匹配統(tǒng)計(jì)出高度碼和地址碼，確定單個(gè)目標(biāo)不同模式的碼字取值；最后基于碼字取值和相位差匹配的準(zhǔn)則，對(duì)混疊錯(cuò)誤的碼字進(jìn)行糾錯(cuò)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)目標(biāo)所有觀測(cè)樣點(diǎn)的準(zhǔn)確分離。該方法在同頻多目標(biāo)分離方面具有較好的容錯(cuò)性能，在島礁、艦載、機(jī)載等單平臺(tái)對(duì)空目標(biāo)監(jiān)視領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。