二次雷達(dá)行為級(jí)仿真和電磁干擾分析

改造者:武明川 譚 成 陳少剛

二次雷達(dá)行為級(jí)仿真和電磁干擾分析

改造者:武明川 譚 成 陳少剛

二次雷達(dá)SSR （Secondary Surveillance Radar system）廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)航空空中交通管制（ATC，Air Traffic Control）和軍事目標(biāo)識(shí)別，其可靠性和精度直接影響飛行安全。由于機(jī)場(chǎng)電磁環(huán)境復(fù)雜，研究哪種類型的干擾對(duì)二次雷達(dá)影響最大是非常有必要的。本文提出了行為級(jí)模型，用于分析電磁干擾（EMI， Electromagnetic Interference）存在時(shí)二次雷達(dá)的性能。通過行為級(jí)仿真，可以得出脈沖噪聲、窄帶噪聲和起伏噪聲對(duì)二次雷達(dá)的影響。ADS（Advanced Design System）仿真結(jié)果顯示，脈沖噪聲在時(shí)域影響時(shí)間很短，起伏噪聲通常幅度較低產(chǎn)生較少的干擾問題，帶內(nèi)窄帶噪聲導(dǎo)致干擾問題最普遍，與實(shí)際情況一致。本文的研究在一定程度上證明了行為級(jí)仿真是分析電路級(jí)和系統(tǒng)級(jí)電磁干擾問題的有效方法。

隨著航空工業(yè)的飛速發(fā)展，各種電子設(shè)備在機(jī)場(chǎng)密集部署，電磁環(huán)境變得越來越復(fù)雜。作為空中交通管制的重要系統(tǒng)，二次雷達(dá)不僅探測(cè)測(cè)量飛機(jī)的范圍和方位等信息，而且從飛機(jī)本身獲得身份識(shí)別和高度等附加信息。當(dāng)機(jī)場(chǎng)周圍存在電磁干擾時(shí)，二次雷達(dá)的性能很可能降級(jí)。所以，研究二次雷達(dá)的電磁干擾問題非常有意義。自然環(huán)境中，噪聲可劃分為三種類型:脈沖噪聲、窄帶噪聲和起伏噪聲。本文利用ADS建模仿真了二次雷達(dá)系統(tǒng)，包括地面系統(tǒng)和裝配在飛機(jī)上的應(yīng)答機(jī)。通過分別加入脈沖噪聲、窄帶噪聲和起伏噪聲，分析了其對(duì)二次雷達(dá)接收機(jī)的影響。

建模和仿真

不同于一次雷達(dá)系統(tǒng)，二次雷達(dá)依靠裝備在目標(biāo)飛機(jī)上的雷達(dá)應(yīng)答機(jī)，在接收到詢問信號(hào)后返回編碼信息，如圖1所示。

問詢模式分有三種，每種模式通過發(fā)射的兩個(gè)脈沖間隔，即P1和P3加以區(qū)分。不同模式下從飛機(jī)發(fā)出不同的應(yīng)答。本文以模式A即身份識(shí)別來做分析。

二次雷達(dá)的通信始于問詢機(jī)，它發(fā)送包含2個(gè)脈沖的數(shù)據(jù)流到飛機(jī)上的應(yīng)答機(jī)。假設(shè)P1脈沖和P3脈沖之間的間隔為8 us。然后，應(yīng)答機(jī)以3us的時(shí)延自動(dòng)將編碼數(shù)據(jù)返回給雷達(dá)。最終，詢問機(jī)解碼返回信號(hào)后，帶有識(shí)別編號(hào)的飛機(jī)光標(biāo)將自動(dòng)顯示在控制雷達(dá)屏幕上。

問詢機(jī)發(fā)射頻率為1030 MHZ，應(yīng)答機(jī)返回信號(hào)的頻率為1090MHz。

通過ADS建立的二次雷達(dá)模型如圖2所示。模型包括了三部分:地面問詢機(jī)、信道和機(jī)載應(yīng)答機(jī)。詢問機(jī)包括了發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和信號(hào)處理器。同理，應(yīng)答機(jī)也是如此。信道有時(shí)延和損耗組成。模式A的脈沖如圖3和圖4所示，Sig_in表示地面發(fā)射的問詢信號(hào)，Sig_out表示飛機(jī)的應(yīng)答信號(hào)?？臻g損耗近似于自由空間損耗，由公式（1）計(jì)算得到

L（f，d） = 32.44+20ogf + 20lgd （1）

F表示信號(hào)頻率，單位為MHz；d表示地面雷達(dá)站和目標(biāo)飛機(jī)之間的距離，單位為Km。

圖1 二次雷達(dá)工作原理圖

圖2 二次雷達(dá)ADS模型

發(fā)射機(jī)

發(fā)射機(jī)由調(diào)制器和上變頻器組成，如圖5和圖6所示。2個(gè)發(fā)射脈沖的調(diào)制方式為QAM，上變頻器將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)。在發(fā)射機(jī)中，本振頻率為970 MHz。問詢機(jī)的典型發(fā)射功率為200 W，上變頻器中的放大器參數(shù)應(yīng)該設(shè)置在合適的值，本設(shè)計(jì)中功率輸出設(shè)為53.01dBm。

接收機(jī)

接收機(jī)由下變頻器和解調(diào)器組成，如圖7和圖8所示。應(yīng)答機(jī)接收到射頻信號(hào)后，下變頻器將其轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)，將其輸入到QAM解調(diào)器。然后，解調(diào)器輸出脈沖。最后，脈沖輸入到計(jì)算電路，獲得身份識(shí)別信息。

信道仿真

本文分析了3種不同情況，信道時(shí)延均設(shè)為100 us，計(jì)算得出損耗為122.2 dB。

圖3 模式A問詢信號(hào)

圖5 調(diào)制器

圖6 上變頻器

噪聲對(duì)二次雷達(dá)的影響

本文分析了三種類型的噪聲對(duì)二次雷達(dá)系統(tǒng)的影響。對(duì)應(yīng)的信號(hào)時(shí)延為100us，信道損耗為122.2dB。

無噪聲

當(dāng)沒有噪聲存在時(shí)，應(yīng)答機(jī)發(fā)射信號(hào)的頻譜如圖9所示，由圖可見發(fā)射中心頻率為1090MHz，絕大部分能量分布在1MHz帶寬以內(nèi)，平均功率為53.01dB。地面雷達(dá)站接收到的的返回信號(hào)頻譜如圖10所示，由圖可見中心頻率1090MHz，平均功率為69.28dBm。

圖7 下變頻器

圖8 解調(diào)器

圖9 應(yīng)答機(jī)發(fā)射信號(hào)頻譜

圖10 地面雷達(dá)站接收信號(hào)頻譜

沖噪聲

此種情況下，中心頻率為1090MHz的脈沖噪聲被加入到詢問機(jī)的接收機(jī)中。詢問脈沖流和應(yīng)答脈沖如圖3所示。有用信號(hào)和噪聲的功率分別為-69.28dBm和-73.01dBm。此時(shí)，信噪比為3.73dB，誤碼率為0.028。如圖11所示，二次雷達(dá)的性能并未明顯地降級(jí)。

圖11 發(fā)射和接收脈沖（脈沖噪聲）

圖12 接收信號(hào)頻譜 （窄帶噪聲）

圖13 發(fā)射和接收脈沖 （窄帶噪聲）

窄帶噪聲

此種情況下，中心頻率為1090MHz的窄帶調(diào)頻信號(hào)被加入到接收機(jī)中。頻譜如圖12所示。有用信號(hào)和噪聲的功率分別為-69.28dBm和-73.01dBm。此時(shí)，信噪比為3.73dB，誤碼率增加到0.089。如圖13所示，二次雷達(dá)的性能降級(jí)明顯。

起伏噪聲

此種情況下，起伏的高斯噪聲被加入到接收機(jī)，頻譜如圖14所示。有用信號(hào)功率分別為-69.28dBm和-73.01dBm。此時(shí)，信噪比為3.73dB，誤碼率為0.147。如圖15所示，二次雷達(dá)的性能降級(jí)明顯。同樣也表明有用信號(hào)的功率主要分布在中心頻率1MHz的帶寬范圍內(nèi)。

小結(jié)

通過仿真分析，可以得出一些處理電磁干擾和電磁兼容問題的結(jié)論。不同噪聲背景下相同信噪比二次雷達(dá)的性能如表1所示。由于頻譜很寬，脈沖噪聲的平均功率遠(yuǎn)低于有用信號(hào)。窄帶噪聲是帶內(nèi)干擾，結(jié)果顯示當(dāng)信噪比在3.73時(shí)二次雷達(dá)性能降級(jí)明顯。當(dāng)平均功率為-69.28dBm的起伏噪聲加入時(shí)，二次雷達(dá)的性能降級(jí)。但是絕大部分情況下，起伏噪聲的平均功率遠(yuǎn)低于-73.01 dBm.，所以起伏噪聲不是影響接收系統(tǒng)的主要干擾。

圖14 接收信號(hào)頻譜（起伏噪聲）

圖15 發(fā)射和接收脈沖 （起伏噪聲）

表1 不同類型噪聲情況下相同SNR的誤碼率

綜上，二次雷達(dá)地面站接收機(jī)對(duì)脈沖和起伏噪聲相對(duì)適應(yīng)，而帶內(nèi)噪聲是導(dǎo)致電磁干擾和電磁兼容問題的主要原因。

結(jié)語

本文做了兩方面的研究。首先，通過ADS平臺(tái)建立了集成的二次雷達(dá)行為級(jí)模型，該模型滿足MH/T4010技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。其次，分別對(duì)二次雷達(dá)接收機(jī)加入脈沖噪聲、窄帶噪聲和起伏噪聲的情況進(jìn)行了分析。從仿真結(jié)果可以得出，二次雷達(dá)不易受到脈沖和起伏噪聲干擾。當(dāng)處理二次雷達(dá)的電磁干擾問題時(shí)，應(yīng)更加注意帶內(nèi)窄帶噪聲的影響。此外，通過本文的研究可以初步證明，行為級(jí)仿真是分析電路級(jí)和系統(tǒng)電磁干擾問題的有效方法。

武明川 譚 成 陳少剛

61123部隊(duì)

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.07.001