基于SuperMode的二次雷达询问编码方法.pdf

第 卷 第 期(总第 期)年 月火控雷达技术 ()收稿日期:作者简介:刘娟()女工程师 主要研究方向为西方体制敌我识别、二次雷达等基于 的二次雷达询问编码方法刘 娟 李正勇 王爱国(四川九洲空管科技有限责任公司 四川绵阳)摘 要:探测概率是决定二次雷达系统有效识别的关键因素之一 尽管现有二次雷达系统的识别技术具有良好的性能但是在进行几种不同类型模式的交替询问时由于询问天线有效波束范围内同类型模式的询问次数减少导致目标的探测概率降低 针对二次雷达系统对目标探测概率的高精度要求本文提出了一种基于 的二次雷达询问编码实现方法 本文充分利用在同一询问周期里交替使用两种不同类型询问模式的方式提高探测概率并对传统询问方法和本文所采用的询问方法的探测概率进行了对比分析验证了本文中询问编码方法的有效性关键词:探测概率交替询问二次雷达询问编码中图分类号:文献标志码:文章编号:()引用格式:刘娟李正勇王爱国 基于 的二次雷达询问编码方法 火控雷达技术():/(.):.:引言二次雷达系统工作时询问机和应答机之间通过“一问一答”的协同工作方式完成对目标的探测和识别 传统询问方式是在一个询问周期内完成一次询问和应答 当询问机需要提供高可靠的监视时为了迅速获得不同类型目标的信息可通过在相火 控 雷 达 技 术第 卷邻的询问周期之间交替进行不同类型模式的询问来实现交替询问时由于各模式在询问天线有效波束宽度中的询问次数减少应答机应答各模式的次数也会对应减少可能导致询问机对目标的探测概率降低甚至可能无法完成目标的有效识别针对现有技术的缺陷本文研究了一种基于 的询问编码方法通过对不同类型的模式间进行时序控制使同一个询问周期内完成两种不同类型模式的询问对提高二次雷达系统探测概率具有重要意义 系统原理 询问模式二次雷达系统主要由询问机、询问天线、应答机和应答天线组成二次雷达系统的工作原理框图如图 所示图 二次雷达系统工作原理框图询问机和应答机的信息交换是通过对上行询问信号和下行应答信号进行脉冲编码来实现的 不同的询问脉冲编码格式对应不同的询问模式应答机收到询问信号时自动发射相应模式的应答编码信号 常用的询问模式类型有以下几种:)模式:模式、模式、模式/、模式 也包括/全呼和/全呼)模式)模式)模式 询问机常用询问模式的详细说明见表 所示表 询问模式说明询问模式使用方式/军民两用明码识别军用明码识别军用明码识别军民两用明码高度信息 模式军民用监视及通信军用密码识别军用密码识别 询问机为了迅速获得不同类型目标的信息可在相邻的询问周期之间进行交替询问如图 所示 模式和/模式可以通过交替询问在最快三个询问周期内就可获取飞机的地址、编号和高度信息交替方式为第一个询问周期询问 模式、第二个询问周期询问模式、第三个询问周期询问模式、第四个询问周期开始重复第二轮交替询问以此类推图 交替询问示意图 询问编码信号分析 模式包括、/和 也包括/全呼和/全呼、/和 模式的询问编码格式如图 所示询问编码脉冲由、和 组成脉冲宽度为 询问模式应由 和 的脉冲间隔决定相对于 的位置是固定的图 、/和 模式询问编码格式图第 期刘 娟等:基于 的二次雷达询问编码方法/全呼和/全呼的询问编码格式如图 所示为全呼叫脉冲 脉冲宽度为 时表示模式/全呼和 脉冲宽度为 间隔 时为模式 询问间隔为 时为模式 询问此时 模式的应答机对该询问不作应答 脉冲宽度为 时表示模式/全呼此时模式、模式 和 模式的应答机均要应答图 /全呼和/全呼询问编码格式图 模式的询问编码格式如图 所示 模式询问脉冲 和 的位置是固定的在 脉冲后是一个信息脉冲 用其传输上行数据其脉宽为 或 模式的询问数据包含在脉冲 中 通 过 (差 分 相 移 键 控)调 制 来传输图 模式询问编码格式图模式 的询问编码格式如图 所示模式 询问编码脉冲间隔 脉冲宽度 前 个脉冲、的位置是固定的 为同步脉冲信号为询问旁瓣抑制脉冲加密后的信息通过后面 个脉冲的编码传输图 模式 询问编码格式图由于模式 的特殊性本文不对其询问编码信号格式进行说明二次雷达系统工作时需要使用同步脉冲信号进行同步编码使整机工作在同步状态 下文利用 模式的同步编码进行分析说明对于 模式的同步编码是使询问脉冲 与整机同步脉冲信号的时间差取一固定的值这个值至少应大于最长询问模式()的 和 的时间间隔而 与(同步脉冲信号)的时间间隔因模式而异因此采用 模式时指定信号确定为 信号 具体时序关系如图 所示询问机需在同一个询问周期内完成询问编码和应答解码工作(本文主要研究询问编码解码的相关内容不作分析)同步脉冲信号是整个系统工作的时间基础图 编码时序关系图图 中 为同步脉冲信号为询问脉冲 与整机同步脉冲信号的时间差为一个询问周期 探测概率原理分析目标探测概率是二次雷达系统设计过程中的一个核心指标二次雷达系统的探测概率是指系统准确检测应答目标的概率在实际环境中应答机可能受到其他设备的抑制、天线遮挡以及电磁波传播多径引起的信号起伏和衰落等影响而不产生回答信号降低了目标探测概率 因此需要进行多次询问来克服这些因素的影响目标的探测概率取决于应答机的应答概率(注意:假设只取决于应答机的应答概率而不考虑接收概率、信噪比等影响)和判断目标存在所需的最小应答信号数目具体可通过等式()来表示:()()其中:为目标探测概率 为窗口长度即有效波火 控 雷 达 技 术第 卷束内同一类模式的询问次数 为最小应答门限即检测目标所需要的最小应答信号数目 为单个应答机的应答概率()为单个应答机不应答的概率 取值从 到 下面通过举例计算对公式()进行分析说明假设窗口长度为次询问最小应答门限为次应答概率 不应答概率()次询问中可能在前次就达到最小应答门限()也可能在 次询问或 次询问后才达到根据公式()可得到如下结果:)询问 次中只有 次应答的概率为:)询问 次中只有 次应答的概率为:)询问 次中只有 次应答的概率为:询问 次达到 次相关门限的总概率(即 次应答相关后输出目标信息的概率 也就是公式中的)为:若采用滑窗处理方式通常应答信号数目的需求至少为 才可以获得较好的真实目标并确认应答数据的准确性表 为三种不同的应答机应答概率()下对于给定的窗口长度获得至少 个()应答信号的概率()表 滑窗处理方式目标探测概率窗口长度至少 个应答信号的探测概率()对于单脉冲处理方式为了完成去异步干扰等处理至少需要 个应答信号就可以探测目标表 为三种不同的应答机应答概率()下对于给定的窗口长度 获得至少 个()应答信号的概率()表 单脉冲处理方式目标探测概率窗口长度至少 个应答信号的探测概率()询问重复频率原理分析二次雷达以稳定的询问重复询问频率发射询问信号每个模式的发射间隔相同对于使用机械扫描旋转天线的二次雷达询问机询问重复频率与天线有效波束宽度、天线转速和窗口长度有关具体可以通过等式()进行计算:()其中:()为询问重复频率即每秒询问次数()为天线转速即天线每分钟旋转的圈数 为窗口长度即每个有效波束宽度内的有效询问次数()为天线有效波束宽度从公式()可以得出对于给定的天线有效波束宽度和天线转速询问重复频率是窗口长度的函数如图 所示为天线旋转时天线有效波束发现目标的示意图图中 代表天线旋转方向目标在天线有效波束内收到的询问为有效询问图 天线发现目标示意图第 期刘 娟等:基于 的二次雷达询问编码方法 为了减少不必要的应答触发导致非同步的应答响应概率增加考虑到询问天线有效波束宽度、天线旋转速度等因素 标准(/)对询问机的每秒询问次数进行了约束:)模式和模式 平均 的询问重复率应为每秒不超过 次)模式的全向询问速率包括 模式、模式 和模式 的全向询问平均 的询问重复率应为每秒不超过 次)模式 平均 的询问重复率应为每秒不超过 次 传统交替询问模型传统的交替询问模型包括:)天线旋转周期交替)相邻询问周期交错询问天线的旋转速率控制着显控终端界面上目标位置的更新速率其变化范围在 到 之间假设天线旋转速率为 在 范围目标探测概率为 其应答机的应答概率为 在 处 天线的有效波束宽度为 通过表 和表 可知若要完成目标的有效识别采用滑窗处理方式需要的窗口长度至少为 采用单脉冲处理方式需要的窗口长度至少为 以下按照 模式和模式 两种模式的交替询问进行分析模式 的最大询问重复频率 模式的最大询问重复频率 当两种模式交替询问时应当以 模式的最大询问重复频率来进行询问即每秒询问次数为 次)天线旋转周期交替天线旋转周期交替即天线旋转一周内可以发射一组模式当天线旋转到下一周时可以自动更换发射另一组模式具体数据见表 第 圈发射模式:模式 模式第 圈发射模式:模式 模式 表 天线旋转周期交替询问记录表询问圈数模式每秒询问次数 窗口长度 模式 模式 次 模式 模式 次 根据表 可以看出采用天线旋转周期交替询问方式在有效波束窗口内 模式和模式 的询问次数符合单脉冲处理方式的要求(中规定为了充分利用 模式询问机需要单脉冲处理)但是询问天线需要旋转 圈才能获取到全部的模式探测目标在时效性上没有优势)相邻询问周期交错询问相邻询问周期交错询问即通过每个询问周期间交替进行不同模式的询问具体数据见表 第 圈发射模式:模式模式 模式模式表 相邻询问周期交错询问记录表询问圈数模式每秒询问次数 窗口长度 模式模式 模式模式 模式:次:次 采用相邻询问周期交错询问时询问天线需要旋转 圈就能获取到全部的模式但在有效波束范围内 模式和模式 的窗口长度比采用天线旋转周期交替的方式减少了一半根据表 可以看出有效波束范围内的窗口长度小于 不能满足单脉冲处理方式对目标有效识别的窗口长度要求第一种方式探测目标的实时性较差第二种方式实时性得到满足但是交错询问后的窗口长度已无法保证探测概率两种处理方式均对系统的性能指标存在影响 基于 的编码模型本文研究了一种新的询问编码方法该方法是通过在同一个询问周期内控制不同类型模式间的时间间隔时序来实现同一个询问周期内同时询问两种不同类型模式的 精准控制方法该方法可以共享询问之后设置的接收窗口即在每个同步脉冲信号中执行两次不同类型的询问达到在同一个询问周期内同时获取到两种不同类型目标的信息的目的提高了二次雷达敌我识别系统的识别时效探测概率、识别性能和可靠性从而进一步提高了二次雷达系统的战技指标本文所涉及的 询问装置工作流程图如图 所示火 控 雷 达 技 术第 卷图 询问装置工作流程图 同步定时器用于提供询问的同步信号保证周期性的询问 在本文中涉及不同类型模式的组合询问采用同步定时器同步的目的是防止不同类型的询问模式超出 标准允许的最大频率传输询问 编码器用于根据 编码脉冲和同步信号的时序关系进行脉冲的编码和发射 当二次雷达系统需要提供高可靠监视时可以通过在同一询问周期内交替使用两种不同类型的询问模式来实现 询问 两类询问模式可以在成功的询问周期里面交替使用可根据不同的平台和使用需求进行不同类型模式的组合设计本文所研究的基于 的询问编码模型主要包括以下五种:)模式和 模式组合询问编码模型)模式 和 模式组合询问编码模型)模式 和模式 组合询问编码模型)模式 和 模式组合询问编码模型)模式 和 模式组合询问编码模型本文以 模式和 模式组合询问编码模型为例进行详细分析其时序关系图如图 所示图 模式和 模式组合询问编码时序图 图 中 为同步脉冲信号 为询问旁瓣抑制信号 为询问信号发射门 为询问旁瓣抑制信号发射门同一询问周期中在询问模式的脉冲信号中采用 模式和 模式组合询问编码模型时可以实现在有效波束范围内迅速获取不同目标的 模式和 模式应答信息高效率完成目标的识别实现各模式在有效波束范围内窗口长度的最大化如图 所示采用 模式和 模式组合询问时 模式编码脉冲滞后于 模式编码脉冲且还包括零距离起始脉冲序列零距离起始脉冲滞后于前编码脉冲的同步相位翻转脉冲()具体时序关系分析如下:)是编码时序与系统同步信号的延时本次设为)在 模式中嵌入 询问时由于 模式的、脉冲对 模式的抑制时间为 所以 模式编码至少在 模式后)为了防止发射 模式时干扰 模式应答 模式编码需在 模式的 之后 内设置 模式的 提前 模式的 脉冲前沿 为 用于保证两种模式应答的零距离起始位置相同且可以采用相同的/曲线进行第 期刘 娟等:基于 的二次雷达询问编码方法接收)询问信号发射门()为低有效 的前沿提前 模式的 脉冲前沿 为 的后沿提前 模式的 脉冲后沿 为)询问旁瓣抑制信号发射门()为低有效 均设为 用于保证 第一个脉冲的前沿提前 模式的 脉冲前沿 后沿滞后 模式的 脉冲后沿 第二个脉冲的前沿提前 模式的 脉冲前沿 后沿滞后 模式的 脉冲后沿)零距离起始脉冲距离 模式的 脉冲 之后为固定延时 根据图 的时序关系在同一询问周期内进行 模式和 模式组合询问时当 模式应答机收到该组合询问时只会响应该组合询问的 模式询问而当 模式应答机收到该组合询问时 模式应答机仅响应该组合询问的 模式这一种模式 从而实现在有效波束范围内天线只需旋转 圈就能够迅速获取到 模式应答机和 模式应答机两种类型的应答信号且两种询问模式的窗口长度达到最大本文仅以 模式和 模式的组合询问作为例子进行分析说明其他四种询问编码组合方式可类比 五种询问编码模式组合和传统的询问编码方式相比其具有很强的实用价值在对有限的时间内迅速获取组合内相关询问编码模式的应答信号从而掌握询问机威力范围内空域内不同类型的目标信息对军航作战应用和民航监视通信等都具有非常重要的意义 分析验证通过以下分析对本文的 询问编码方法进行进一步的分析验证 在与第三节完全相同的条件下分析 模式和模式 的 询问具体数据见表 表 询问记录表询问圈数模式每秒询问次数 窗口长度(模式 模式)(模式 模式)模式:模式:发射模式:(模式 模式)(模式 模式)通过表 可知使用 询问编码方式可以在单圈内实现同一波束范围内窗口长度的最大化与传统系统交替询问模型相比能够有效地提高二次雷达的识别效率和探测概率 结束语本文研究了一种基于 的询问编码方法可应用于军用敌我识别系统()和民航空中交通管制()系统目的是在一个询问周期内同时获取两种不同类型目标的信息 在多种类型目标并存的复杂空域条件下能够准确快速完成不同类型目标的有效探测并保证系统的探测时效在相同条件下该方法的探测概率和获取目标的时效性均高于传统的询问方法提高了二次雷达系统的探测性能和可靠性参考文献:王洪刘昌忠汪学刚.二次雷达 模式综述.电讯技术():.钱眺茅玉龙查荣.信号的分析与识别研究.雷达与对抗():.:.中国民用航空总局/空中交通管制二次监视雷达设备技术规范.北京:中国科学技术出版社 ./.