对IFF系统询问机的旁瓣噪声压制干扰研究

2013-08-10董阳春程正东

舰船电子对抗 2013年4期

董阳春，程正东

（电子工程学院，合肥230037）

于是有：

0 引言

二次雷达敌我识别（IFF）系统在战争中起着举足轻重的作用，因而也是对抗双方首先攻击的目标之一［1］。敌我识别干扰技术和抗干扰技术总是通过相互促进、相互斗争的方式不断发展的。随着各种高新技术在敌我识别系统中的应用，二次雷达IFF系统在现代战场上发挥了越来越重要的作用，各国也都积极开展对二次雷达IFF系统的干扰技术的研究［2－3］。

相关资料表明，美军早在20世纪70年代就已经开展了敌我识别对抗研究。目前，美军比较成熟的敌我识别干扰设备主要有欺骗干扰机AN／ALQ－108，主要装备在预警机和电子侦察飞机及部分作战飞机的平台上，如E－2C预警机、EP－3A／E电子侦察机、S－3A“北欧海盗”舰载反潜机以及 F－14、F－15等战斗机。

1 IFF系统旁瓣噪声干扰原理

由于IFF系统是由询问机和应答器两部分组成的，且两部分分别安装在不同的工作平台上。因此，从工作原理上讲，询问机和应答器只要有一环不能正常工作就能达到干扰的目的。从工作机理分析，询问机和应答器有以下区别：

（1）询问机：天线有方向性，主瓣波束很窄，且掌握主动，可在空域、时域上对目标进行选择。

（2）应答器：天线方位为全向，在任何方向都被动接收询问信号，它无法在空域和时域对询问目标进行选择。

由于二次雷达往往是同一次雷达配合使用的，若干扰方式不正确不但不能起到干扰作用，还会暴露自己。因此，对二次雷达干扰必须结合具体的战术应用。对询问机的干扰，由于询问天线有方向性，一般很难对准询问机的主瓣进行干扰，对询问机干扰可采用旁瓣噪声压制干扰，即从旁瓣将大功率干扰噪声注入到询问机，以降低询问机对应答信号的检测以达到干扰的目的。

设干扰机、询问机、应答器的空间位置如图1所示。询问机天线以其主瓣指向应答器，干扰机的发射天线指向询问机。干扰机天线、询问机天线与应答器天线的相对波束张角为θ。

图1 干扰机、应答器与询问机之间的空间分布关系

根据干扰方程可以计算出询问机天线主瓣接收到的干扰功率为［4］：

式中：Prj为询问机接收到的干扰功率；Pj为干扰发射功率；Gj为干扰机天线增益；G（θ）为询问机天线在干扰方向上的增益；Rj为干扰机至询问机的距离；λ1为干扰信号的工作波长；γ为干扰信号对询问天线的极化损耗系数；Lj为干扰信号的大气吸收损耗。

询问机天线主瓣接收到的应答信号功率为：

式中：Prs为询问机接收到的应答信号功率；Ps为应答器发射功率；Gs为应答器天线增益；G′为询问机天线在应答器方向上的增益；Rs为应答器至询问机的距离；λ2为应答信号的工作波长；Ls为应答信号的大气吸收损耗；γ′为应答信号对询问机天线的极化损失系数。

在此，定义1个识别系数ki，0≤ki≤1，其参数意义为IFF系统询问机与应答器一次“询问－应答”过程中，当询问机对目标的敌我属性判断正确的识别概率，即一次识别概率。它表征了系统在一定背景下获取目标属性信息的置信度。这与在现实使用环境下IFF系统面临一系列的不确定因素相符合，这些不确定因素包括：

（1）环境对指标的影响难以充分估计。如海面电磁波相干引起的信号电平变化、气象条件引起电磁波传播特性变化等。

（2）目标本身状态的不确定性。如机动平台姿态的瞬间变化、高机动目标在完成战术动作时被天线遮挡等。

（3）协同工作带来的不确定性。如协同设备是否开机、工作是否正常、是否被占据、协同工作状态是否被保持等。

（4）其它战术要求引入的不确定性。如要求协同目标保持无线电静默等。

在考虑了识别系数后，询问机天线主瓣接收到的应答信号功率为：

则对询问机的干扰压制比为：

2 等效干扰功率计算

IFF信号的特征检测概率受应答信号干信比的影响很大，因此可以将其作为衡量噪声压制干扰效果的指标，确定出干扰有效时的干信比，然后利用式（4）反推出干扰机所需发射的噪声功率PjGj为：

对于IFF系统，天线极化已知（一般为垂直极化），则干扰信号极化系统γ可以取1。等效干扰功率为：

在实际应用当中，还应考虑询问机的处理增益。假设询问机的处理增益为D，则实际等效干扰功率为：

大气吸收损耗Lj＝0.006 6Rj，Ls＝0.006 6Rs，故对询问雷达的实际等效干扰功率可简化为：

由此可见，等效干扰功率与干扰距离之比的3次方成正比。

以美国Mark XII敌我识别系统为例，假设应答信号发射功率为500W，询问机的处理增益10dB，使IFF信号的检测概率不大于0.1，假设干扰机对准询问天线主瓣，且应答信号与干扰信号对询问天线无极化损失，则θ≈0，G′＝G（0）＝G，且λ1＝λ2＝λ，则不同干扰距离和应答距离的噪声压制干扰等效干扰功率PjGj如表1所示。

表1 等效干扰功率表

现代IFF系统尽管采用了旁瓣抑制技术，但仍然具有一定的旁瓣电平，如英国Cossor公司生产的Condor 2地面单脉冲二次雷达的水平旁瓣电平为－26dB。并且旁瓣波束宽度比较宽，这就为二次雷达IFF系统的旁瓣噪声压制干扰提供了可能。但由于旁瓣电平较低，实施旁瓣干扰就要求干扰机要有更大的输出功率。

3 应答信号检测概率分析

在当今日益复杂的电磁环境下，当询问机发射完询问信号以后，它的接收机部分开始工作，在一次“询问－应答”时间内，询问机接收到的信号包括己方的、敌方的、不明的等各种信号［5］。

对于IFF系统来说，根据中心极限定理，目标的识别系数是一个高斯随机变量，所以目标的应答信号也都服从高斯分布。经正交解调后，由于应答信号从实信号变成了复信号，其实部UI和虚部UQ是独立同分布高斯随机变量，因此，由UI和UQ组成的复信号其振幅服从瑞利分布，功率服从指数分布。用x表示应答信号功率，其概率密度函数为：

式中：p为应答信号的平均功率。

为充分利用发射器件的有限功率，干扰机一般发射等幅的噪声调频或调相信号，当干扰信号带宽与IFF系统接收机带宽不匹配时，等幅的噪声信号会出现幅度上的起伏，在理想情况下，接收机输出的干扰信号具有窄带噪声的特点。IFF系统是一带宽有限的接收系统，其输出噪声的幅度服从瑞利分布，功率服从指数分布。用xn表示噪声功率，其概率密度函数为：

式中：pn为噪声的平均功率。

由于应答信号和噪声都能分成同相和正交分量，这2个分量的幅度又都为零均值正态分布的随机变量，因此信号加噪声也可分为同相和正交分量，它们的幅度也为零均值正态分布的随机变量，功率仍服从指数规律，所不同的是其统计平均值为信号平均功率ps与噪声平均功率pn的和。对于分布式目标，考虑2个相邻目标的应答信号，它们应答信号功率的统计平均值分别为ps1和ps2，加上噪声后，它们功率的概率密度函数为：

功率上的差别反映到识别概率上就是相邻目标的应答信号间存在着识别系数差，这就构成了应答信号的细微特征，而信号细微特征检测的目的就是利用目标的应答信号之间的识别系数差对目标进行识别。噪声压制干扰减小了应答信号功率间的差别，使它们的概率分布变得很接近，这也就增大了应答信号检测时的错误概率。若ps2＞ps1，则它们的概率分布曲线如图2所示。