基于码字统计与相位差匹配的IFF混叠信号分离方法

柏如龙，霍立寰，陈建峰，闫 涛，许瑞杰，孙 超

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081； 2.河北省电磁频谱认知与管控重点实验室，河北 石家庄 050051)

0 引 言

民用二次雷达(SSR)信号与军用敌我识别(IFF)信号在参数规格上具有很大的相似性，其中3/A模式和C模式为军民共用，发射频次高。在沿海、机场、岛礁等复杂航路空域采用宽开体制,接收到的是大量频域重叠、时域交织的敌我识别(IFF)脉冲串[1-4]。如何正确分离不同目标的脉冲串是对空目标监视系统首要解决的难题之一。当前应用较为广泛的长基线三站时差无源定位体制，利用不同位置的目标到达各观测站的传播路径差信息进行目标区分。该体制需要建立站间传输链路，这对于岛礁、舰载、机载等单平台来说，使用受限。文章利用短基线观测不同目标到达各天线单元的相位差信息进行目标区分，并利用IFF信号的码字取值特征进行分类、分离与聚合，准确判断单个目标的各种模式的码字取值，提高混叠目标分离的正确性。该方法可应用于单个空间受限平台，也能形成对宽开空域目标的监视能力[5-7]。

1 多通道监视系统设计

典型的IFF信号多通道监视系统由IFF信号测向天线阵、测向开关阵、多通道测向接收机及态势席位组成[8-11]，如图1所示。

图1 多通道监视系统组成图

其中测向天线阵的布局可以根据安装平台空间大小以及测向精度要求进行灵活设计[12]。多通道测向接收机为整个系统设计的重点[13-14]，其工作原理如图2所示。

图2 多通道测向接收机工作原理图

其中脉冲参数测量包括时域参数测量和相位差参数测量，脉冲参数测量包括脉冲到达时刻、脉冲宽度、脉冲幅度等参数的测量，将2类参数测量结果统一打包,形成脉冲描述字后，进行混叠信号分离和测向。

设电磁波的入射方向为θ，通道个数为N，各通道接收到的信号可以表示为：

(1)

式中：dn为第n个通道至参考通道的距离；λ为信号波长。

接收通道0的输出信号分配给其它各通道的相关器，每个相关器输出该通道接收信号与参考通道的正交相位差信号I(t)和Q(t):

(2)

式中：Re[·]为取实部操作；Im[·]为取虚部操作；conj[·]为取共轭操作。

2 混叠信号分离方法

2.1 相位差取值特征分析

IFF应答信号的脉冲持续时间短，X模式的典型值为0.45 μs，S模式的典型值为0.5 μs和1 μs，短持续脉冲的相位差测量值起伏较大。在脉冲密集交织的情况下，还存在不同用户的时隙在时域上重叠，导致相位差测量错误的情况。因此,实际观测到的相位差测量值显得十分杂乱。

2.2 码字取值特征分析

飞机的应答码取决于地面的询问模式，主要包括3/A模式的身份码、C模式的高度码以及长S或短S模式应答码。其中，单个目标的身份码取值是固定的，高度码对应于目标的飞行高度，取值可能出现变化，但也存在处在同一个高度层的不同目标共用一个高度码的情况。单个目标的S模式地址码取值固定且唯一。在脉冲密集交织的情况下，还存在脉冲重叠导致码字提取错误的情况，因此实际观测到的码字序列存在一定的错误概率。

2.3 基于码字频次统计的分离

从码字取值特征分析来看，目标的高度码存在缓慢变化的情况，但其身份码通常是固定不变的。针对单个目标的身份码取值不变、不同的目标身份码取值不同的特征，采取码字频次统计的方式，克服由于信号混叠导致的少量码字错误的影响，挑选统计频次较高的身份码，分离其相位差观测数据，由此获得单个目标的相位差观测曲线样本。

2.4 基于相位差取值匹配的分离

针对单个目标交错发送身份码、高度码以及S模式应答码的情况，以身份码提取的相位差观测曲线样本为参考，基于短时间内同一个目标的不同模式的应答信号相位差变化曲线基本重合的特征，搜索与当前身份码相位差曲线相重合的其它模式的所有观测样点。通过对相位差匹配的观测样点码字取值进行统计，识别出高度码、S模式地址码，并判断目标的高度取值是否发生变化。

2.5 识别干扰混叠的脉冲串

在已确定目标身份码、高度码和S模式地址码的情况下，基于相位差匹配的原则，检索剩余的X模式或S模式脉冲串中，如果存在部分脉冲的相位差匹配、少量脉冲的相位差不匹配的情况，则可以判定这些不匹配的脉冲是由于信号混叠造成的干扰。基于码字已知的情况，对这些错误的码字进行纠错后，可以合并为同一个目标的观测样点。

3 试验与结果分析

试验场景设置：利用图2所示的多通道测向接收机连续截获外界IFF信号的脉冲描述字，经过模式分选后统计不同码字的出现频次，如图3所示。

图3 不同码字出现频次统计分布

由于高度码存在多个目标共用的情况，为此先挑选确定为身份码的码字进行分析，图3中码字取值标记为7 415的可确定为身份码，选取所有X模式码字为7 415的样点，观测其相位差取值分布情况，如图4所示。

图4 码字取值为7 415的样点相位差取值分布曲线

以7 415码字的相位差曲线为参考，搜索与之相位差匹配的其它所有样点，如图5所示。

图5 与7 415码字相位差重合的其它样点相位差分布曲线

根据匹配的X模式码字取值分布，确定该目标的高度码取值为5 160，如图6所示。

图6 匹配的X模式码字取值分布图

根据匹配的S模式地址码取值分布，确定该目标的S模式地址码取值为7 865 044，按十六进制表示为780 2D4，如图7所示。

图7 匹配的S模式地址码取值分布图

综合上述操作，从密集杂乱的相位差观测数据中，分离出所有属于单个目标的观测样点，并确定了该目标的身份码为7 415、高度码为5 160、地址码为7802D4。

将上述目标从所有观测样点中分离后，采用类似的处理方式，再对剩余的观测样点进行迭代处理，实现对所有目标的逐个分离。

4 结束语

IFF信号脉冲持续时间短、同频多目标密集交织，是非合作对空目标监视领域的难题之一。在短基线、单平台、空间受限的情况下，采用干涉仪体制观测到的相位差数据十分杂乱，难以直接用于测向。文章提出基于码字统计和相位差匹配的IFF混叠信号分离方法，先基于身份码统计结果，提取单个目标相位差曲线轮廓；再通过相位差匹配统计出高度码和地址码，确定单个目标不同模式的码字取值；最后基于码字取值和相位差匹配的准则，对混叠错误的码字进行纠错，由此实现对单个目标所有观测样点的准确分离。该方法在同频多目标分离方面具有较好的容错性能，在岛礁、舰载、机载等单平台对空目标监视领域具有广阔的应用前景。