CN1332219C - 一种二次雷达应答处理的抗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种二次雷达应答处理的抗干扰方法，它包括两部分内容：一是去幻影，判定出幻影框架并将它删除；二是去FRUIT干扰，由于去幻影部分采用的标准从严，有一部分幻影框架没有去除掉，因此，在该部分处理中，标准将适当放宽，保证能够尽可能的去出干扰。采用本发明提供的方法，能在高密度应答中有效地筛选真实应答，去除幻影和FRUIT干扰，即使在高密度询问下和复杂的FRUIT干扰的情况下，重叠情况非常严重的时候，本发明方法对真实应答的检测概率仍然很高，并且虚警的概率很低。

Description

一种二次雷达应答处理的抗干扰方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，特别涉及单脉冲二次雷达的应答信号处理技术。

背景技术

传统的二次雷达对应答信号的处理方法主要是基于滑窗法。首先通过检测间隔20.2～20.4us的位置有无脉冲对，来检测框架，然后进行幻影处理上，处理的方法如图1所示，对一串重叠的框架中所有的中间的框架全部认为是幻影而丢掉，只保留第一个和最后一个框架。然后是对代码的提取，方法是将保留的真实框架中代码相应位置上有脉冲的认为其代码为1，没有脉冲则代码为0。最后送入一个基于距离的滑窗中进行DEFRUIT处理。

这种方法的主要优点有：

(1).能准确的确定每个应答脉冲的位置；

(2).在低密度应答中能准确的检测到可能存在的框架；

(3).能去除大多数的fruit干扰。

但是，滑窗法由于其本身的原理决定了它不可避免的存在很大的缺陷，主要有：

(1).在应答交叠数超过2的时候，最多只能同时处理两架飞机，即是说在高密度应答情况下检测概率低；

(2).在幻影较多、FRUIT干扰严重的情况下，检测概率低且容易出现误判。

(详细内容见：Michael C.Stevens，《Secondary Surveillance Radar》，ArtechHouse，Chapter 6)

二次雷达的主要应用在民用航空管理和军用敌我识别，这两个领域都需要尽可能的对应答的飞机数目及其编码内容做出正确判定。由以上分析可知，仅仅基于滑窗法对应答飞机的架次和编码内容的判定存在很大的缺陷，尤其是不适合高密度应答处理。而且，仅仅基于滑窗法处理在使用新型单脉冲二次雷达所提供的信息时不充分，也不易移植到S模式的二次雷达中。

发明内容

二次雷达应答信号中的干扰分成两类，一类叫幻影，是指由前端框架检测电路产生的虚假的飞机应答框架；另一类叫做FRUIT干扰，是指由于电磁波反射、附近其他雷达站的干扰等因素造成的非同步干扰。

本发明的任务是提供一种新的二次雷达应答处理的抗干扰技术，采用本发明提供的方法，能在高密度应答中有效地筛选真实应答，去除幻影和FRUIT干扰，即使在高密度询问下和复杂的FRUIT干扰的情况下，重叠情况非常严重的时候，本发明方法对真实应答的检测概率仍然很高，并且虚警的概率很低。

在描述本发明提供的一种二次雷达应答处理的抗干扰方法之前，先作如下定义：

定义1：F1、F2脉冲：分别指的是框架的第一个和最后一个脉冲。

定义2：脉冲被完全重叠：如果脉冲落在另一个框架的F1、F2脉冲或是码位位置上，即另一个框架的F1后n×24±2(n＝0，1，...14)的位置上，系统时钟选16.552MHz，就认为该脉冲被“完全重叠”。

定义3：构成交叠关系的框架：如果在两个框架中可以分别找到一个脉冲两个脉冲的相对位置满足关系式n×24±2(n＝0，1，...14)，那么这两个框架叫做构成交叠关系的框架。

定义4：∑、Δ值：分别指的是每一个脉冲的和信道、差信道的值的大小。

定义5：一致性：当两个值的差小于预先设定的某一个门限，就认为这两个值具有一致性。

定义6：框架的距离值：指距离计数器对该框架的F1进行距离计数得到的值。

定义7：FRUIT干扰：指本地非同步干扰。

本发明提供的一种二次雷达应答处理的抗干扰方法，其特征是采用下面步骤：

第一步，可能的幻影框架判定步骤：根据完全重叠的定义，对所有收到框架中的F1和F2脉冲进行完全重叠判定，通过判断该F1、F2脉冲是否在另一个框架的F1后n×24±2(n＝0，1，...14)的位置上，系统时钟选16.552MHz时，即是通过计算两个脉冲的距离值的差，如果等于n×24±2(n＝0，1，...14)，即为可能的幻影框架；

第二步，构成交叠关系的框架步骤：根据“构成交叠关系的框架”的定义，对于上步找到的n个可能的幻影框架，找出与每个框架A_i(1≤i≤n)构成交叠关系的所有框架B，即是计算两个框架的距离值的差，如果等于n×24±2(n＝0，1，...14)，就是构成交叠关系的框架，假定有m个；

第三步，去幻影步骤：根据判定幻影框架充分必要条件中的“∑、Δ值均具有一致性”的原则，分别计算出每一个可能幻影框架A_i(1≤i≤n)的参考信号的∑值跟每个与之构成交叠关系的框架B_i(1≤i≤m)的参考信号的∑值之差，同时也计算出两者的Δ值之差，只要其中有一组的∑值之差具有一致性且Δ值之差也具有一致性，就将该框架作为幻影删除；

第四步，保存信息步骤：保存最近N次收到的应答的信息，其中3≤N≤7；

第五步，距离值比较步骤：将当前要处理的每个框架的距离值与前面N-1次应答的各个框架的距离值进行比较；

第六步，去除步骤：如果能够找到有N/2+1个或N/2+1个以上的框架的距离值与当前处理的框架的距离值具有一致性，就将该应答框架保留；反之就作为FRUIT干扰或前面没有去除掉的幻影将之去除，符号表示对符号内的数向下取整。

本发明提供的一种二次雷达应答处理的抗干扰方法包括两部分内容：一是去幻影，本发明采用的判定一个框架为幻影框架的充分必要条件是：框架的F1、F2均为完全重叠，且本框架的参考信号的∑与Δ值分别和同该框架构成交叠关系的框架的参考信号的∑与Δ值具有一致性，判定出幻影框架并将它删除；二是去FRUIT干扰，该部分继承传统的滑窗法处理思路，但是对其中的判定准则进行了调整，由于去幻影部分采用的标准从严，有一部分幻影框架没有去除掉，因此，在该部分处理中，标准将适当放宽，保证能够尽可能的去出干扰。

值的说明的是，所谓标准从宽原则体现在上述过程第六步去除步骤中一致性判定时的门限值的选取，选取的方法是：先依据传统的滑窗法处理确定门限，然后再在该门限的基础上根据实际工程情况适当减小门限值，就可以起到放宽标准的作用，其中减小量不超过由滑窗法确定的门限值的20％。

本发明的创新之处在于：

(1).提出了消除幻影和FRUIT干扰的新思路，采用“去除幻影标准从严，去除FRUIT干扰标准从宽”的新准则，能够保证干扰严重的情况下处理器能正确的去噪：

(2).提出了新的去幻影算法，能在保证检测概率达到99.9％以上的前提下，同时处理多达120架飞行器的高密度应答。这样就完全克服了传统的滑窗法最多只能处理两个交叠应答以及不适合高密度应答处理的环境的缺陷。

本发明提供的一种二次雷达应答处理的抗干扰方法的原则是：去幻影的条件从严，保证不剔除真实的应答框架，这样会造成一些幻影框架残留，对于这些残留幻影框架的去除由DEFRUIT处理来完成，因此，DEFRUIT处理标准从宽。尽可能的去除掉残留的幻影和FRUIT干扰。这与实际的运行情况相吻合，因为飞行器的高速运动，通过DEFRUIT处理很容易去除残留幻影框架。

下面对本发明采用的去幻影和DEFRUIT算法的检测概率进行定量分析。

现在假设有三个先后判定的应答，如图4所示，如果第二个应答的F1和第一个应答的第m个(2≤m≤15)脉冲重合，则F1被完全重叠；如果第二个应答的F2和第三个应答的第n个(1≤n≤14)脉冲和重合，则F2被完全重叠。记本次应答的F1和上一个应答的某个编码脉冲的距离值为r_i-1和r_i，当它们符合r_i-1-4≤r_i≤r_i-1+2关系时，称这两个脉冲重合。当F1和F2都被完全重叠时，就将第二个应答作为幻影去除。但是，实际上，当第二个应答是真实目标的回波时，出现上述情况也是有可能的。所以，以这样的判定方法来去除幻影，将可能造成漏报。下面计算漏报概率的大小。

假设监视距离为400公里，先分析在主瓣内有40个目标的情况。

显然，目标在空域的分布具有随机性，应答脉冲到达时间也具有随机性，收到的应答个数属于计数过程，且具有独立增量，为此可以建立模型如下：

假设在一定时间间隔t内收到的目标应答个数n是一个随机变量，满足独立增量特性，其分布服从泊松分布，即

$P(N\left(t\right)=n)=e^{-\mathrm{\λt}}\frac{{\left(\mathrm{\λt}\right)}^n}{n!}n=\mathrm{0,1,2},......$

其中λ代表泊松过程的速率，即单位时间内收到目标应答的平均个数。在这里，由于目标间的平均距离为10km，于是电磁波在任两个目标间来回传输的时延为66.7μs，所以单位时间内到来的应答个数λ＝1/66.7＝0.015。

每个应答的总长度随模式不同而不同，以A/C模式为例，每个可能的应答编码脉冲长度为1.45μs，脉冲宽度为0.45μs，分析的系统时钟频率为16.552MHz，时间分析精度为1÷16.552＝0.0604μs，每个编码脉冲间隔1.45*16.552＝24个时钟单位，应答脉冲的总长度T＝1.45*14＝20.3μs。分析应答脉冲出现交迭的概率为：

$P(N\left(t\right)\≥1)=e^{-\mathrm{\λt}}\frac{{\left(\mathrm{\λt}\right)}^1}{1!}+e^{-\mathrm{\λt}}\frac{{\left(\mathrm{\λt}\right)}^2}{2!}{e}^{-\mathrm{\λt}}\frac{{\left(\mathrm{\λt}\right)}^3}{3!}+...,$ $t=20.3\mathrm{\μs}$

$=1-e^{-\mathrm{\λt}}\frac{{\left(\mathrm{\λt}\right)}^0}{0!}=1-0.7376=0.2624$

应答脉冲出现交叠时，应答脉冲可能是完全重叠的。出现完全重叠就可能会引起漏判，为此需要分析目标应答的F1和F2出现完全重叠的概率。根据完全重叠的定义，当产生交叠时，两个目标应答的F1与F1之间的间隔为n×24±2(n＝0，1，...14)时就会引起第二个应答的F1被完全重叠，以及第一个应答的F2被完全重叠。由于目标应答流是服从泊松分布，因此某个目标应答的F1到来的时刻T_i-1和其下一个目标应答的F1到来时刻T_i之间的时间差τ(τ＝T_i-T_i-1)是服从指数分布：

P(X_i＞τ|X_i-1＝s)＝e^-λτ

通常简写为：P(τ≥τ₀ |)＝e^-λτ0

一个目标的应答框架在F1和F2之间的每个脉冲为编码为1和0的概率均是1/2，除了中间那个脉冲编码恒为0，所以下一个目标的F1或F2不可能与其重合，其他的都可能与其重合产生完全重叠。那么，在上述假设下，第二个应答的F1被完全重叠的概率为：

$P_1=P\{\mathrm{\τ}\≤2*0.0604\}+\frac{1}{2}\×\underset{\begin{array}{c}m=1\\ m\≠7\end{array}}{\overset{13}{\mathrm{\Σ}}}P\{(24m-2)*0.0604\≤\mathrm{\τ}\≤(24m+2)*0.0604\}$

$+P\{(24*14-2)*0.0604\≤\mathrm{\τ}\≤\left(\text{24*14+2}\right)*0.0604\}$

$=\frac{1}{2}\×\underset{\begin{array}{c}m=1\\ m\≠7\end{array}}{\overset{13}{\mathrm{\Σ}}}\left\{P\right[\mathrm{\τ}>(24m-2)*0.0604].-P[\mathrm{\τ}>(24m+2)*0.0604\left]\right\}$

$+1-P(\mathrm{\τ}\≥0.1208)+P(\mathrm{\τ}\≥20.1792)-P(\mathrm{\τ}\≥20.4208)$

将λ＝0.015代入上式，可得

$P_1=\frac{1}{2}\×\underset{\begin{array}{c}m=1\\ m\≠7\end{array}}{\overset{13}{\mathrm{\Σ}}}\{e^{-\mathrm{\λ}*(24m-2)*0.0604}-e^{-\mathrm{\λ}*(24m+2)*0.0604}\}$

$+1-e^{-\mathrm{\λ}*0.1208}+e^{-\mathrm{\λ}*20.1792}-e^{-\mathrm{\λ}*20.4208}$

$=0.01382$

由于第二个应答的F2被完全重叠，就等价于“第三个应答的F1被完全重叠”的概率；而且基于泊松分布，它和第二个应答的F1被完全重叠是独立且等概率的，故第二个应答的F2被完全重叠的概率为：

$P_2=\frac{1}{2}\×\underset{\begin{array}{c}m=1\\ m\≠7\end{array}}{\overset{13}{\mathrm{\Σ}}}\{e^{-\mathrm{\λ}*(24m-2)*0.0604}-e^{-\mathrm{\λ}*(24m+2)*0.0604}\}$

$+1-e^{-\mathrm{\λ}*0.1208}+e^{-\mathrm{\λ}*20.1792}-e^{-\mathrm{\λ}*20.4208}$

$=0.01382$

所以，可得第二个目标应答的F2、F1都被完全重叠，从而被漏报的概率为：

P_M＝P₁P₂＝0.019％

同理，可以分析其他高密度询问情况下应答情况。当400km内有60架飞机时，平均两个目标间电磁波传输的延时为44.4μs，λ＝0.0225，用同样的方法可以求得目标被漏报的概率是P＝0.019156²＝0.0367％。当400km内有80架飞机时，平均两个目标间电磁波传输的延时为33.3μs，λ＝0.0300，则目标被漏报的概率是P＝0.023597²＝0.05568％。当400km内有100架飞机时，平均两个目标间电磁波传输的延时为26.667μs，λ＝0.0375，则目标被漏报的概率是P＝0.02733²＝0.0747％。当400km内有150架飞机时，平均两个目标间电磁波传输的延时为17.77μs，λ＝0.05625，则目标被漏报的概率是P＝0.03415²＝0.117％。因此，对于这种去除幻影的方法，出现真实应答漏报的概率极小，对目标的判定准确度很高。

由以上定量分析可知，本发明采用的去幻影和DEFRUIT算法与传统的滑窗法相比，有如下改进和创新：

(1).通过对应答脉冲的精确定位，大大提高了处理高密度询问地能力，使得能处理的交叠飞机数不受限制，保证了高密度应答情况下的高检测概率。

(2).通过将去幻影算法和DEFRUIT处理相结合的方法，能够保证严重干扰情况下的高检测概率。

本发明主要是用于二次雷达、敌我识别器、民用航空管理系统的应答信号处理，特别适用于单脉冲二次雷达的应答信号处理。

附图及附图说明：

图1是传统的应答信号去幻影处理

图2是DSP的去幻影处理模块流程图

图3是DSP的EFRUIT处理模块流程图

图4是漏检概率估计示意图

图5是FPGA提取的特征数据组织表。

具体实施方式

下面给出一个实施本发明的例子，在例子中，不失一般性，我们假定系统时钟频率是16.552MHz，从前级送来的框架数不超过120个，DEFRUIT程序中保留的应答的次数为5。

整个抗干扰处理过程采用DSP编程实现：

首先将前级处理后送到DSP的数据按照表1的格式在DSP片内存好，

去幻影处理模块采用DSP编程实现，流程图如图2所示，其中的幅度一致性门限根据处理器实际运作的环境选取。

DSP的EFRUIT处理模块也采用DSP编程实现，流程图如图3所示，其中的判决门限在传统滑窗法的基础上减小10％，这样就能保证去除所有干扰。

Claims (1)

1、一种二次雷达应答处理的抗干扰方法，其特征是采用下面步骤：第一步，可能的幻影框架判定步骤：根据完全重叠的定义，对所有收到框架中的F1和F2脉冲进行完全重叠判定，通过判断该F1、F2脉冲是否在另一个框架的F1后n×24±2(n＝0，1，...14)的位置上，系统时钟选16.552MHz，即是通过计算两个脉冲的距离值的差，如果等于n×24±2(n＝0，1，...14)，即为可能的幻影框架，F1、F2脉冲分别指的是框架的第一个和最后一个脉冲；

第二步，构成交叠关系的框架步骤：根据“构成交叠关系的框架”的定义，对于上步找到的n个可能的幻影框架，找出与每个框架A_i(1≤i≤n)构成交叠关系的所有框架B，即是计算两个框架的距离值的差，如果等于n×24±2(n＝0，1，...14)，就是构成交叠关系的框架，假定有m个；

第三步，去幻影步骤：根据判定幻影框架充分必要条件中的“∑、Δ值均具有一致性”的原则，分别计算出每一个可能幻影框架A_i(1≤i≤n)的参考信号的∑值跟每个与之构成交叠关系的框架B_i(1≤i≤m)的参考信号的∑值之差，同时也计算出两者的Δ值之差，只要其中有一组的∑值之差具有一致性且Δ值之差也具有一致性，就将该框架作为幻影删除，∑、Δ值分别指的是每一个脉冲的和信道、差信道的值的大小；

第四步，保存信息步骤：保存最近N次收到的应答的信息，其中3≤N≤7；第五步，距离值比较步骤：将当前要处理的每个框架的距离值与前面N-1次应答的各个框架的距离值进行比较；

第六步，去除步骤：如果能够找到有N/2+1个或N/2+1个以上的框架的距离值与当前处理的框架的距离值具有一致性，就将该应答框架保留；反之就作为FRUIT干扰或前面没有去除掉的幻影将之去除，符号表示对符号内的数向下取整，FRUIT干扰指本地非同步干扰。

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