第32卷第9期 2010年9月 现代雷达 Modem Radar Vo1.32 No.9 Sep.2010 ・.总体工程・ 中图分类号:TN967.5 文献标志码:A 文章编号:1004—7859(2010)09-0010—05 单脉冲二次雷达的假目标抑制 张兴旺 ,王 磊 (1.中国民航飞行学院, 四川广汉618307;2.南京电子技术研究所, 南京210039) 摘要:虚假目标的识别和抑制,是单脉冲二次雷达一项关键技术。文中在对各类虚假目标产生的机理和其信号特性分析 的基础上,对多种单脉冲二次雷达虚假目标抑制技术进行了分类探讨。最后,结合工程实践,提出虚假目标识别和抑制算 法,并通过雷达实测数据验证了该算法的可行性和有效性。 关键词:单脉冲二次雷达;虚假目标识别;多路径效应;反射目标 A Study on Techniques of Suppressing MSSR False Targets ZHANG Xing—wang .WANG Lei (1.Civil Aviaiton Flight University,of China, Guanghan 6 1 8307,China) (2.Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039,China) Abstract:False target identification and suppression is one of the key techniques for monopulse secondary surveillance radar (MSSR).In this paper,80me types of techniques for suppressing MSSR false targets are probed on the basis of naalysis for flase traget generation mechanisms and signal characteristics.According to the engineering practice,algorithm of false target identiifca- tion and suppression is presented,and the measured data from MSSR shows the effectiveness and feasibility of this algorithm. Key words:MSSR;false target identification;muhipath effect;reflected target O 引 言 因此,对单脉冲二次雷达本身的虚假目标抑制,对空管 尽管新的监视手段不断发展,但单脉冲二次监视 系统是至关重要的。 雷达由于具有精度高、回波信号包含识别和高度信息、 不同雷达采用虚假目标抑制技术是不同的,如一次 不受地杂波和气象杂波的干扰以及发射功率低等优 雷达采用幅度门限、方位距离门(RAG)、恒虚警率 点,目前仍作为我国雷达管制的主要监视传感器。但 (CFAR)、动目标指示(MTI)、杂波图以及建立航迹非自 由于雷达设计、现场环境及目标环境等因素的影响,工 动起始区域(NAIZ)等方法。而单脉冲二次监视雷达是 作中会产生各种虚假目标,同时自动监视和自动管制 在地面询问机和目标应答机合作下,采用问答方式工 对雷达可靠性和准确性有着较高要求。因此,虚假目 作。本文在分析研究单脉冲二次监视雷达的虚假目标 标的识别和抑制技术是单脉冲二次监视雷达一项关键 的基础上,对虚假目标抑制技术进行了探讨,最后结合 技术。工程实践中,可以通过抬高雷达的天线仰角来 工程实践,提出虚假目标识别和抑制软件算法,并利用 减少虚假目标,但只能针对航路监视的二次雷达,对监 雷达(中国民航飞行学院ATC 3号系统单脉冲二次监视 视终端区的二次雷达是不可行的。虽然空管系统往往 雷达)实测数据,验证了该算法的可行性和有效性。 采用一、二次雷达天线同转台合装的工作方式,可通过 虚假目标产生的机理及信号特征 一、二次雷达信息融合处理中航迹相关的方法,进行虚 1假目标的抑制。由于有些体积大的强反射物,如飞机 单脉冲二次雷达的虚假目标产生有3种原因: 机库,可同时对二次雷达和一次雷达产生反射虚假目 (1)雷达本身。由雷达旁瓣应答所形成的虚假目 标,使其不适用于二次雷达,而且无法从根本上完 标、目标。 全抑制虚假目标。另外,有些二次虚假目标距离雷达 (2)现场架设环境。指由其他二次雷达所产生 站较近,而该区域往往也是一次雷达近距离杂波区。 FRUIT应答而形成的虚假目标,以及雷达周围地形地 物所造成多路径效应而形成的反射假目标。 基金项目:中国民航ATC3号系统基金资助项目 (3)目标环境。目标密集、接近和交叉飞行时,由 通信作者:张兴旺 Email:zhxw一2585@163.corn 于接收到的应答代码相互交叠而产生的同步混淆 收稿日期:2010-05-08 修订日期:2010..07-30 (Garbling)虚假目标。 一l0一 ・总体工程・ 张兴旺,等:单脉冲二次雷达的假目标抑制 1.1旁瓣应答虚假目标 由于单脉冲二次雷达询问天线旁瓣的存在,使飞 机应答机可能被旁瓣发射的询问信号触发,发回应答 信号,并被天线旁瓣接收,从而形成虚假目标。这些虚 假目标分布在围绕雷达的一个圆环上,且距离较近, PPI显示器上会出现“环绕效应”(Ringing)。由于目 贯穿于整个雷达的发射机、接收机、应答信号处理单元 和数据处理机(点迹录取和航迹处理)各部分,既有模 拟又有数字的处理方法,既有硬件又有软件的处理方 法,是雷达整机的问题。 旁瓣应答生成的虚假目标,主要依靠4种方法抑 制:(1)发射旁瓣抑制,即P2作为旁瓣抑制脉冲由Q 通道发射;(2)接收机旁瓣抑制(RSLS),如果控制通 道Q的信号幅度大于和通道∑的信号幅度时,将该应 标应答机发回的应答信号与普通雷达探测信号相比, 传播距离缩短一半,导致单脉冲二次雷达接收到的旁 瓣信号较普通雷达要强,旁瓣问题较普通雷达严重。 1.2同步混淆目标 单脉冲二次雷达采用“全呼叫”的询问方式,且下 行信号具有相同的载频1 090 MHz,如果波束内2个 或多个目标相对于雷达观测斜距和方位角相差很小, 则应答框架Fl和F2相互交叠,即后一个应答的Fl落 在前一个应答的 之前,二次雷达解码器会将这些应 答混淆,从而形成虚假目标。F1和F2时间上相差20. 3 s,电磁波以光速传播,则同一波束内2个目标距雷 达站的距离差小于(20.3 x 3×10 )/2=3 045 m时, 就会产生应答混淆虚假目标。 1.3异步干扰(FRUIT)目标 FRUIT目标是属于雷达系统之间的相互干扰。如 果在一个飞机的周围有多个单脉冲二次雷达,则会出 现雷达通过主瓣或旁瓣接收的应答是其他的询问机触 发的。FRUIT应答一般不会同步重复出现,由FRUIT 应答相关形成虚假的点迹(目标报告),距离和方位都 不相关,一般只能含有一个A代码应答和一个C代码 应答。如果由2次碰撞所形成的点迹(目标报告),不 和已有的航迹相关,则可能是FRUIT应答形成点迹。 1.4多路径产生的反射目标¨ 二次雷达询问信号和飞机的应答可由多路径传 播。多路径效应对雷达的影响决定于直达信号路径和 反射信号路径所处的铅锤面之间的水平夹角A0,以及 直达信号和反射信号在不同路径上传播的时间差AT。 △ 较小,应答信号容易产生交叠;A0=0,反射体为地 面,反射目标距离比真实目标要大;在A0较大时,反 射物好像一面镜子,产生真实目标的镜像,会在反射物 相同的方位角方向上,形成点迹,从而产生虚假反射目 标,距离比真实目标要大一点,幅度不一定总是比真实 目标的幅度小。通常,二次雷达到反射物之间的距离 不大于8 km_2 J,往往都是非常小的,并可能会引起目 标代码的交叠。 2 单脉冲二次雷达虚假目标的抑制方法 单脉冲二次雷达对虚假目标的抑制,分不同层次 答去除;(3)功率控制;(4)灵敏度一时间控制(STC)。 同步混淆目标,依靠解混淆(DE-GARBLING)处理 进行抑制,采用“幅度相关性”和“△/ 相关性”判定的 方法,将脉冲幅度和△/∑值分别与框架参考幅度和 △/∑值进行比对,如果具有一致性,则相关;反之,将 相应的代码设置为低置信度。低置信度的代码可通过 波束驻留内其他应答的更新,成为高置信度的代码。 利用单脉冲测角极大地提高了解混淆的性能。 大约70%的FRUIT应答由旁瓣接收,所以利用旁 瓣抑制可去除大多数FRUIT应答。那些低于门限的 能量比较弱的FRUIT应答或距离较近的FRUIT应答, 可通过增益一时间控制(GTC)进行去除。对于通过 RSI ̄和GTC去除不了的FRUIT,可以通过DEFRUIT— ER来去除,DEFRUITER通过比较应答和询问的脉冲 重复频率是否同步,如果频率不同,则应答被滤除。 多路径产生的反射目标,由STC和GTC可以抑制 一部分,通常采用可编程的STC和GTC,将方位上分 成多个扇区,不同的扇区设置不同的灵敏度和增益。 而大多数多路径产生的反射虚假目标,从应答报告的 特征看,和真实的目标没有区别,并且能形成航迹,所 以只能利用目标历史数据和反射物分布的先验信息, 由数据处理软件算法来进行识别和抑制。各种虚假目 标抑制方法概括,如图1所示。 一愤 一.4・一一~一一一一数字一一一一一一一~一 i磨箨时问处理卜.-一硬件~+ ・一一一一嗽停-一一一一—叫 I I 一‘一一一一一 一一I I I 瓣r 一 图1 单脉冲二次雷达虚假目标抑制方法 3 虚假目标的抑制软件算法 尽管单脉冲二次雷达的前端采用了多种虚假目标 抑制技术,工程实践中仍然有大量的虚假目标残留。 一1l一 现代雷达 因此,有必要在数据处理计算机中利用软件手段,来识 别和抑制虚假目标。其自适应能力强,特别是在高密 度应答及复杂的现场环境下,这种手段显得更加有效。 在数据处理中,分成几个层次对虚假目标进行抑制。 3.1应答的预处理中虚假目标抑制 应答处理机输出的应答报告,除包含代码、置信 度、距离和方位的信息外,还包含应答特征参数的重要 标识。这些标识表示了雷达的工作状态、目标环境和 (3)依据反射物分布图等信息,计算目标报告属 性的权重; (4)通过对目标航迹状态的管理,最终确定目标 的属性。 3.3.1反射目标报告识别 如果1个目标报告不和真实目标航迹关联,则进行 反射目标识别处理。如果和航迹具有相同的识别码和 相近的高度,而这时航迹的识别码又是离散识别码,或 现场环境,故可以对它们组合判别,从接收到的大量的 应答报告中,有效地筛选可以利用的应答,去除幻影和 FRUIT应答。应答预处理可利用的应答特征有无效的 有多个目标报告具有相同的识别码和相近的高度,进行 虚假目标报告的判别,主要是检查目标的距离值,距离 小的目标报告是真实的目标 J。算法流程如图2所示。 和差比参考、无效的和视频幅度、潜在反射、干扰标志、 Fl或F2旁瓣脉冲标志等。 3.2点迹录取处理中虚假目标抑制 在一个波束驻留内,将落在距离和方位相关窗的 应答组成群,在进行应答一群相关处理时,充分利用代 码置信度信息,进行代码提取和解重叠,以提高代码的 有效性。应答相关和群更新采用如下的准则 J: (1)重叠代码的处理(De—garbling),只用高置信 度的应答码用来构成最后的点迹代码; (2)代码的有效性,只有当同样位置高置信度连 续相关的应答个数大于1个门限值,点迹代码才能申 明有效; (3)代码替换,在上一步骤代码有效性声明之前, 如果接收到新的高置信度的应答,将原先低置信度的 图2虚假目标报告识别算法 不存在离散识别码的情况下,不能用上述的算法进 行识别。但虚假目标有个重要的特性,它们不是凭空产 生,都可找到引起它对应的真实目标(航迹)。如果在反 射物已知的条件下,根据虚假目标报告、真实目标航迹及 代码进行替换。这种替换只是限定在波束主轴附近, 偏离主轴一定的距离则不做代码替换处理; (4)如果1个点迹代码申明有效,则多余的保存 的应答则不被考虑。 由于FRUIT应答一般不会同步地重复出现,所以 达不到应答个数门限。这样生成的目标报告有效地抑 反射物之间存在固有的几何关系,可计算出目标航迹的 位置,如果在该位置附近存在航迹,且识别码相关,高度 接近。则该目标报告为虚假反射目标。 3.3.2反射物分布图更新 对于固定的反射物,其分布图可在雷达架设时,将 其位置数据存储到反射物列表中。作为先验信息,如 目标出现在和反射物方位角一致的方向上时,则进行 虚假目标的检查判定。但机场附近,不仅具有固定的 反射物,而且具有临时的反射物,如机库和飞机的机身 和机翼,他们的位置可以改变。由虚假目标报告,能够 计算出产生该虚假目标的反射物的位置和大小。并更 制了同步混淆Garbling目标和异步干扰FRUIT目标。 3.3航迹处理中虚假目标抑制 单脉冲二次雷达的航迹处理,不仅通过跟踪滤波, 对目标的状态进行估计,而且是虚假目标抑制处理中重 要的部分。首先,可以利用目标历史数据和航迹生命周 期,识别虚假目标报告;其次,可以通过建立反射物分布 图,对反射目标进行识别抑制;最后,通过权重计算,对 新已有的反射物列表,如果有一个临时的反射物,一段 时间没有被发现,则需要把该反射物从反射物列表中 删除。如图3所示,依据雷达的探测数据,建立实时反 目标报告属性和目标航迹状态的进行管理,提高虚假目 标识别的准确性。抑制虚假目标的处理流程如下: (1)如果一个目标报告和航迹具有相同的识别码 射物分布模型,反过来为雷达的虚假目标的识别与抑 制提供依据。 和相近的高度,判断目标报告为反射目标; (2)如识别出虚假的目标报告,对系统存储的反 射物分布图进行新建或更新; 一12一 ・总体工程・ 张兴旺,等:单脉冲二次雷达的假目标抑制 表示这些特征,经过多步计算,对所有的权重进行累 加[5]。最后用总的权重值来对目标属性进行判定,是真 航迹【 ) 实的目标还是虚假的目标。这些权重及其初始值如下: 距离测试 =70;航迹历史测试 =50;信号强度测试 70;潜在反射测试 =30;反射区域测试 =50; =潜在环绕测试Wo=70;目标对称性测试 =30。 对各种特征权重计算如下: (1)距离测试 如果测试的目标报告(点迹)的距离比对应的航 迹距离大,且相差在在2—5O0距离单位之间,则 图3虚假Et标、真实航迹及反射物几何关系 =。 W,o 一 ;如小且相差在在2~500距离单位之 (2)环绕目标测试 环绕目标通常是由于雷达旁瓣抑制失效而产生, 在对虚假目标进行测试后,则对反射物表面进行 计算。本文假设 为虚假目标; 为真实的航迹;反 射物的距离P ;法向角 。则有, 距离为 间,则 。 : 。 + 。 通常产生的环绕目标比较接近雷达站,而且目标的仰 角较大,如果目标报告为潜在的环绕目标,而且比其相 比较的航迹强度要弱,则 。 = 。 一 。 P =(p -p ̄)/(2×( 一 cos( —Oi)))(1) 起始方位角为 0 =0 —d (2) (3)信号强度测试 如果对应的航迹的强度比测试的目标报告(点迹) 强度大,且相差为1 dB-30 dB,则 。 = 一 ;如强 度小且相差为1 dB~30 dB,则 。 = 。 + 。 0 :0f+d (3) 结束方位角为 (4)航迹生命周期测试 如果Ioj一0 l<90,且 <p ,贝Ⅱ 对于一个目标的航迹而言,其生命周期越大,为真 实目标的可能性越大。如果和测试的目标报告相关的 Oi一扣sin 否则,如果 —p<180。,则 =㈩ 航迹的生命周期比对应的航迹生命周期大且相差为 1~15,则 。 = 。 + ;如比其小且相差在1~l5,则 。。=Wt。 一 。 ( + )/2+90。 (5) (5)潜在反射测试 如果一个应答是经过反射后接收的应答,则其对 否则 =应的直达应答信号在另一个方位角上可能被旁瓣接 ( +/3)/2—90。 (6) 收,应答处理机可以判断从主瓣接收到的应答被之前 其中 =0£+180。, 接收到的旁瓣应答重叠(overlapping),由于主瓣信号 经过反射后造成了时间上的延迟,应答处理机将这样 的主瓣应答信号加标志NR ,这样: 。 = 。 一(Wf× 口: + 姗in Pi—P 具有NR 标志的应答数)/目标中应答总数。 (6)反射区域的测试 对目标报告的方位角进行判断,如果落在反射物 的起始角和终止角之间,则 。 = 。 一 。 (7)目标对称性测试 式中:p , ,P。为目标报告、航迹和反射物的距离; , 为目标报告和航迹的方位角; 。,0。分别为反射物的起 始角和结束角;dO为5—100个角度单位。这里的计 算方法,不仅可以用来计算固定永久的反射物,也可以 用来计算临时反射物。 3.3.3 目标报告权重计算 一如果目标报告是由一个方向(极性)的应答组成 则,Wt。 = 。 一 。 经过以上计算后,可以对目标报告进行判定: 真实目标: 。 > i ; 可能虚假目标:一Wmi ≤ 。 ≤Wmi ; ~个目标为虚假目标,通常表示为多种特征的综 合,把这些特征提取出来综合汇总,以不同的权重值来 1 3— 现代雷达 虚假目标: 。 <一Wmi , i =139。 3.3.4航迹状态管理  ̄o---fT-- 在目标报告的属性已经确定的情况下,则可用它 更新航迹状态。航迹有4种状态:真实航迹0、可能真 实航迹1、不确定航迹2、虚假航迹3。真实目标报告 更新航迹,则航迹状态减1,直至为0为止;虚假目标 报告更新航迹,则航迹状态加1,直至为3为止;可能 虚假目标报告更新航迹,则航迹状态保持不变。 3.4算法有效性验证 图4一图6是根据采集的中国民航飞行学院ATC 3号系统MSSR实测数据,脱机进行处理,验证反射物 位置计算和反射虚假目标抑制的结果。其中A代码 上加方框的为反射假目标。 / /,/ 、 一、 / / 毒 、\ ? — 、 L 。l I一/f J } / 一 一/ f图4虚假目标情况 图5抑制效果 一14一 L/ '¨ ,¨ ” 图6反射物分布图 4 结束语 本文对单脉冲二次雷达虚假目标的识别和抑制技 术进行探讨,这些技术不仅适用于常规的A/c模式 MSSR,同样适用S模式的MSSR以及IFF系统。另 外,随着空管领域多种监视手段发展,利用数据融合中 相关处理,也是一种识别和抑制虚假目标的方法。 参考文献 [1] Gerhard Greying,Numerical Simulations of Environmental Distortions by Scattering fo Objects for the Radar—SSR and Flat Ro0fs,RCS nad Windturbines[c]//Proceedings of the 3rd European Radar Conference.Manchester:[S.n.], 2006:241—244. 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