敌我识别系统与一次雷达融合的一种设计方法

2011-06-28张莉萍

舰船电子对抗 2011年4期

李翔,张莉萍

(船舶重工集团公司723所,扬州 225001)

0 引言

1 IFF系统组成及工作原理

IFF系统是通过各种可利用的技术和手段,结合通用或专用平台装备,在作战所需的时空范围内,对目标的敌我属性进行判别和确认。目前最常用的一种类型是协作式敌我识别系统,它采用识别方与被识别目标之间相互配合获取敌我属性信息的工作方式。其优点在于识别过程简单、准确性高、可有效防止敌方对我方密码的破译和利用。本文所讨论的IFF系统都是此种类型,其工作原理如图1所示。

此系统主要是由询问机和应答机两部分组成。询问机由询问天线、固态功放、调制器、接收机、信号处理器、视频处理器、1 030 MHz本振等组成。应答机由应答天线、固态功放、调制器、接收机、视频处理器、编解码器、1 090 MHz本振等组成。

图1 协作式IFF系统工作原理图

系统工作时,由地面(或舰载)询问机天线向待识别目标(飞机或舰船)发射经过加密的询问脉冲信号(频率1 030 MHz),目标的应答机接收后通过解码器判断并确认该询问信号,然后以对应模式通过全向天线发射约定的应答脉冲信号(频率1 090 MHz),该应答信号被地面天线系统接收到以后送往视频和信号处理器,对信号进行处理从而获取相应的信息,最终的结果在显示屏上显示出来。

2 IFF系统和一次雷达的区别与联系

一次雷达依靠目标对雷达发射的电磁波的反射作用工作,因此它最大的优点是可以主动发现目标并且定位,只要目标表面能够发射电磁波就可以了,不需要目标携带任何专门的设备。它的缺点是:会同时接收到来自天空、地面的虚假目标的反射,例如雨滴、大地甚至鸟类等等,这些不相关的反射杂波会影响系统辨别真正的目标。

IFF系统采用和一次雷达一样的手段,也是以射频频率发射一系列的脉冲串,但是工作方式却截然不同,它是在地面站和目标应答器的配合下,采用问答方式工作的,它必须经过2次有源辐射电磁波信号(询问与应答各一次)才能完成应有的功能,这是两者之间最根本的区别。由于应答器的配合,IFF系统具有一次雷达所没有的许多优点:

(1)IFF系统的询问距离仅与发射功率的平方根成正比,因此在达到规定作用距离时,发射功率比一次雷达小得多;同样由于信号的单程传输,应答回波比一次雷达反射回波强度大得多;

(2)由于IFF系统询问射频1 030 MHz与应答射频1 090 MHz两者射频波长不等,从而消除了地物杂波、气象杂波和仙波的干扰;

(3)IFF系统的回波与目标有效发射面积无关,因此也就无目标闪烁现象;

式中:表示对第m-1帧纯净语音的功率谱估计,表示对第m-1帧的噪声功率谱估计。α为调节系数,它的选取至关重要,其取值越接近1对“音乐噪声”的抑制效果越好,但是会造成比较大的语音失真,α取值0.95～0.99时效果较佳[6],max函数返回两个参数的最大值,SNRpost(m,k)表示后验信噪比,定义后验信噪比为:

(4)能利用编码信号交换丰富的信息(当飞机发生故障、通信系统失灵或遇到劫持时,能提供危急告警信息);

(5)IFF系统可以提供精度更高的高度和方位信息。

然而,应答机的使用使得IFF系统在获得优势的同时,也限制了其使用范围,因为它要求目标必须安装应答机。为弥补该缺点,可以将IFF系统与一次雷达配合使用,充分发挥各自优势,互相补充。

3 一种IFF系统与一次雷达融合的设计方法

通常将IFF系统与一次雷达配合使用的方法是由一次雷达对目标进行探测与定位,而由IFF系统提供此目标的更多信息。这种情况下,IFF系统和一次雷达在硬件结构上不相关联,有各自的操控单元、供电系统和显示屏等,两者作为独立的2套设备单独使用,完成各自任务,仅仅是利用电缆连接进行相关数据的信息交换。

下面介绍的一种新方法是将IFF系统融合到一次雷达当中,IFF系统作为整个雷达系统的一部分,联合完成目标敌我识别属性判断的功能。

此方法的总体设计思路是采用寄生询问天线,敌我属性判断功能由雷达情报处理单元统一考虑,IFF系统的硬件结构纳入雷达整体设计,电源供电也由雷达配电箱统一分配。其IFF系统的主要组成为应答机天线、询问机天线、旋转关节、询问/应答机和遥控显示单元,布置图如图2所示,虚线部分与雷达融合共用。

图2 IFF系统布置图

应答机天线为垂直振子天线,天线方向图在方位面近似无方向性,它接收1 030 MHz的询问信号,发射1 090 MHz的应答信号。

询问机天线为一轻型高强度的阵列系统,有2个馈电端口,其中和端口馈电使天线产生和方向图,差端口馈电使天线产生差方向图,前者用于发射1 030 MHz的询问信号和接收1 090 MHz的应答信号,后者用于发射1 030 MHz的控制信号。此天线安装在雷达天线背面,背靠背安装,方位上相差180°,与雷达天线同步旋转。

询问天线的和差通道旋转关节寄生在雷达的馈线系统中,与雷达共用,为三通道旋转关节,分别传送雷达信号、询问和信号、询问差信号。

询问/应答机是将原IFF系统中独立的询问机和应答机合并为一个机柜,完成IFF系统询问与应答的信号处理功能,内含询问收发机、应答机、视频信号处理、应答信号处理和电源等模块。

遥控显示单元与雷达综合控制台相融合,遥控分为询问机和应答机两部分,寄生在雷达的综合控制台上,完成控制询问机的加电、工作方式选择、询问的开关、应答处理机自测试及模式、应答信息指示和故障信息指示等各种相关功能,部分IFF系统的状态、指示等信息则在雷达情报显示器内显示。

IFF系统和一次雷达之间的接口,一方面,由于IFF整体功耗不大,一次雷达直接从其配电系统提供一路220 V交流电源给 IFF系统供电;另一方面,除了主脉冲和方位增量等少数必要信号通过电缆直接互连以外,两者之间其他的各种控制命令和交互信息均通过公共网络进行传输。

通信网络采用建立在IEEE802.3标准之上的通用TCP/IP通信协议,通信各节点采用C类IP地址。网络的物理拓扑结构是以网络交换机为中心的星型拓扑结构。上网设备配置双以太网接口,通过交换机构成双冗余网络。采用网络双冗余设计可以使网络在局部故障或受损时,系统不至于瘫痪失效,提高系统可靠性。每个设备和交换机之间的网络均为2路,互为备份,各网络节点可动态监测双网的运行情况,当一路网络出现故障时,自动切换到另一路进行数据传输。双冗余切换原理如图3所示。

图3 双冗余切换原理示意图

交换机A和交换机B互联,且同时工作。节点1和节点2分别采用两通道a、b与交换机A和交换机B互联。在同一时刻,只有一个通道处于运行状态,另一个通道处于后备状态。双冗余切换在底层设备驱动程序中实现,对网络层级以上各层,冗余切换时完全透明。

整个系统工作时,雷达向IFF系统提供超前的触发脉冲和控制命令,而IFF系统则将识别标志视频送给雷达情报处理单元进行数据融合,联合完成目标敌我识别属性判断,最终与雷达情报相结合,在显示屏上进行综合显示。

这种设计方法的新颖之处在于将IFF系统与一次雷达融合设计,一方面,硬件结构上将两者视为整体考虑,供电统一分配,IFF系统的询问天线与雷达天线寄生,旋转关节共用,遥控显示单元也融合在一个综合控制台上,统一控制、综合显示;另一方面,使用网络功能统一了数据格式,所有数据都是根据网络报文和接口协议,利用公共网络进行传输和信息交换,在免去了各种格式转换电路的同时也大大提高了信息交换的速度。这样的设计使得整个雷达系统在实现更多功能的基础上结构更精简,操控更方便,稳定性和可靠性也更高。