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浅析雷神雷达假目标成因及多径反射解决措施

时间:2016-09-05来源: 作者: 点击: 476次



张立峰

(民航山东空管分局,济南 250107

引言

本文简要分析了常见的几种雷达假目标的形成原因,重点对多径反射造成的假目标现象进行了深入分析并提出解决方案。文章通过几何作图对假目标位置进行初步定位,并利用修改反射表的方法解决雷神雷达假目标情况。文章所阐述的方法,可以对因多径反射而产生的雷神雷达假目标进行有效地抑制,对于使用雷神雷达的保障运行单位有一定的参考意义。

一、绪论

在以雷达管制为核心的现代化民航空管体系中,空管二次雷达发挥着举足轻重的作用,其工作的稳定性与可靠性决定着空管系统正常运行的基础。

目前空管二次雷达对飞机的监视是通过询问-应答模式实现的。地面雷达站通过发射载频为1030MHz的询问脉冲信号,对安装有二次应答机的飞机进行二次代码、高度的询问;飞机接收到雷达询问信号后,发射载频为1090MHz的应答脉冲信号对其进行应答。询问脉冲通过不同的P1、P3脉冲间隔实现了不同的询问模式,应答脉冲则将信息用编码方式包含在以20.3微秒为框架的16个脉冲信息位中,由地面雷达设备根据框架脉冲当中不同脉位信息解析结果并显示飞机的二次代码、高度及速度等相关信息。

由于空管二次雷达原始信号易于受到各种干扰的影响,产生各种假目标干扰的情况,因此本文主要分析导致雷达产生假目标的信号干扰情况,包括异步干扰、二次环绕、绕环效应以及多径反射等[1]。通常情况下,空管二次雷达通过询问旁瓣抑制、接收机旁瓣抑制、不同的射频脉冲重复频率等方法对异步干扰、二次环绕及绕环效应等造成的假目标进行抑制;对于多径反射引起的假目标处理通常会采用多种技术手段进行处理,文中后续会详细重点介绍。

二、几种常见的假目标形成原因及解决办法

(一)异步干扰及解决方法

异步干扰通常发生于相邻的两部雷达之间,由于雷达接收到由另外一部雷达询问造成的机载应答机回答而产生此现象。此回答与雷达发射的信号不同步,因此被称为异步干扰。

解决异步干扰的方法主要是接收机旁瓣抑制。接收机旁瓣抑制的方法是通过比对控制信号和应答信号的强度,判断应答信号来自于主瓣还是旁瓣,进而减少异步干扰造成的假目标现象。

(二)二次环绕及解决方法

如果二次雷达的脉冲重复频率设置过高,则可能导致第一次询问引起的机载应答落在第二次询问的周期内,并且与第二个周期的询问脉冲同步,由此形成二次环绕现象。此现象可以造成雷达计算一个错误的飞机与雷达之间信号传递的时间差,生成一个错误的飞机与雷达距离差,进而形成假目标。

解决二次环绕的假目标现象,可以采用询问脉冲重复频率交错方法。如果采用询问脉冲重复频率交错方法,可以保证相邻的询问周期都不一样,雷达可以明确辨识不同周期内的应答信号, 以此解决二次环绕问题。

(三)绕环效应及解决方法

通常情况下,空管二次雷达的控制波束增益小于和波束的主瓣增益,同时大于和波束的旁瓣增益,因此雷达可以对旁瓣询问造成的应答很好地滤除。但是在某些少见情况下,和波束的旁瓣会穿透控制波束,使机载应答机对旁瓣进行应答,从而造成绕环效应,产生假目标。

解决绕环效应的方法通常是改进型询问旁瓣抑制、接收机旁瓣抑制等。其中接收机旁瓣抑制的方法在上面已经介绍,而改进型询问旁瓣抑制在多重雷达覆盖的区域会对雷达应答概率造成显著影响,因此ICAO附件10已不推荐使用该技术,在此对该技术不做介绍。

(四)多径反射假目标形成原因及解决方法

由多径反射造成假目标的情况包括两种:其一是询问波束主波瓣经反射后,由机载应答机接收并形成应答;其二是应答机的应答信号经反射由雷达天线接收并解析。具体而言,这两种情况分别为:若询问波束主波瓣经反射后由机载应答机接收,则引起机载应答机的应答,并以直线传播的方式到达雷达天线形成假目标;若机载应答信号经反射物反射后由雷达天线接收并处理,同样会形成假目标。

下面重点就多径反射产生假目标的消除方法进行探讨,通常的做法如下:

1.设置固定反射物文件

Raytheon采用设置固定反射物文件的方法消除因雷达现场周围反射物产生的假目标。在目前的Raytheon二次雷达系统中,最多可建立64个固定反射物文件。并且随着雷达现场情况的变化,可以对固定反射物文件进行调整。

2.功率编程

Alenia二次雷达系统可采用功率编程的方法消除由于雷达现场周围固定反射物产生的假目标。即在反射物的方向上减小发射功率或不发射功率。

3.自适应门限

1)应答衰落门限:


图1 应答衰落门限示意图

应答衰落门限用来抑制较长延时的多路径应答。它的处理过程是在应答处理软件中根据应答信号的幅度产生起始门限电平以及预先设定门限衰减率和衰落距离。

2)动态门限:

动态门限主要用来抑制噪声和长脉冲干扰。

图2 动态门限示意图

4.STC技术

1)线性STC

STC(灵敏度时间控制)是抑制近距离雷达现场周围反射所产生假目标的有效手段。通常只允许对STC的起始电平进行调整。同时STC还可抑制Ringaround所产生的假目标。

图3 线性STC示意图

2)编程STC

当采用线性STC不能对某些特殊的反射物进行抑制时,可采用编程STC。编程STC是将某些特殊的距离段和角度范围的STC电平进行调整,将这些特殊的距离段和角度范围的门限调高以达到抑制这些特殊反射位置产生假目标的目的。

5.天线仰角调整

在正常情况下,上述措施已经能够对假目标进行抑制。但是在复杂环境下,可能不能完全抑制由于反射产生的假目标,在这种情况下,可通过调整天线仰角的办法,利用LVA天线的俯仰特性对反射产生的假目标进行抑制。但是,这种手段的使用要特别慎重,因为调整天线仰角会对雷达的覆盖范围产生影响。一般来说,在调整天线仰角后,应对雷达的覆盖情况进行飞行校验。

图4 LVA天线垂直方向图

一般情况下,对于持续时间较长、出现次数较多的假目标,我们可以考虑它为反射物造成的假目标。反射引起假目标的形成与飞机和反射物的相对位置有关;持续时间的长短跟飞机飞行速度快慢及地面反射面大小有关。地物反射造成的假目标具有如下特点:

1)反射产生的假目标距离比真实目标远,这是由于附加的反射路径造成的。

2)绝大多数情况下,反射造成的假目标信号幅度一般低于真实目标信号的幅度。然而在极少数情况下,假目标信号幅度会高于真实目标信号幅度。举例而言,当真实目标所在平面处于天线高度所在平面之下时,天线的垂直方向性图(如图4所示)特性将导致接收到的反射目标具有相对较高的幅度,如图5[2]所示。

如本章前面内容所述,图5展示了询问与应答两种多径反射造成假目标的情况,并且这两种情况下的假目标信号幅度均高于真实目标信号幅度:其一是由于雷达的询问信号经过反射使飞机的应答产生假目标,如假目标1(false target 1)的形成过程所示,其二是由于飞机的应答信号经过反射产生假目标,如假目标2(false target 2)的形成过程所示。

 

图5 幅度特例情况示意图

3)地面反射物与雷达距离越近,则假目标的距离越接近真目标的距离。

4)真目标、假目标连线线段的垂直平分线与假目标、雷达连线线段相交可以大致确定反射物的位置。相对位置如图6所示。

图6 反射物位置示意图

在假目标分析过程中,可以通过观看自动化系统雷达数据录像资料,用排除法确定是由哪一部雷达造成的假目标,然后使用单雷达数据重放功能,在雷达屏幕上锁定真假目标位置。还可以通过自动化系统软件提供的坐标定位及测距功能,记录下雷达站、真目标及假目标的坐标信息以及相对位置信息,通过作图方法大致确定一下反射物位置,记下反射物位置坐标,作图方法如图6所示。最后,技术人员可以根据测量所得的坐标信息,放到GOOGLE EARTH软件当中,在地图上看一下理论反射物位置是否存在可疑建筑或者大型反射物体,做到心中有数。

三、反射表修改法解决多径反射假目标现象

通过在LCMS上命令雷神雷达对反射物进行采集并更新反射表,可以解决多径反射造成的假目标现象。具体操作如包括反射物的收集、更新反射表文件,以及载入新反射表文件并重启点迹录取器。

(一)反射物的收集

1.以控制者身份登录,在备用通道,进入维护模式;然后进入透明模式,选择“ENABLE login/KEYBOARD”。

2.建立一个日志文件(文件名长度不超过8位);然后依次键入DR ON指令,键入WSP指令、键入EXIT指令;最后转回操作模式。

3.切换雷达通道,重复步骤1-2。

4.经过一段时间后(建议24小时以上),以控制者身份登录;单击备用通道机框,进入维护模式;然后进入透明模式,选择“ENABLE login/KEYBOARD”。

5.建立文件名,比如“REFA14.TML”,进入该日志文件,键入DAR后回车;反射物列表会显示在屏幕上,退出后打印“REFA14.TML”文件;最后找出HITS(击中次数)超过一定数值的记录。

例如:

Type:DAR      (Display All Reflector)

                   START      END      ORIENT   REV

INDEX  RANGE  AZIMUTH  AZIMUTH  AZIMUTH  NUM  HITS

          Nm       Deg        Deg         Deg

00000     1.48      7.40        9.40        266.80   61808  00197

(二)更新反射表文件

6.在CMS上退回到DOS命令窗口,进入TMC目录;然后编辑JINANREF.TMC文件;最后输入名字并更新数据。

7.根据步骤1-5中超过一定击中次数的记录,对TMC反射表文件进行修改:将START AZIMUTH Deg (起始方位角)数值减去0.3°,END AZIMUTH Deg(终止方位角)数值减去0.3°后,与RANGE Nm(距离/海里)、ORIENT AZIMUTH Deg(方位角)等数值一并写入TMC反射表文件。

注意:反射表记录最多不超过64个反射物,可以根据反射物收集情况对反射表进行更新,可以增加亦可以删除;若需要增加反射物,则需要先输入命令AFR,方可进行数据录入工作。

8.保存后退出,回到CMS文件夹;然后输入CMS指令,使设备进入运行模式。

(三)载入新反射表文件并重启点迹录取器

9.单击A通道机框,进入维护模式;然后进入透明模式,选择“ENABLE login/File”后单击OK。

10.选择文件REFA14.TML,重新载入JINANREF.TMC文件,单击OK;然后依次键入DAR指令,键入WSP指令并重启,新反射表文件将被执行。

11.进入操作模式,切换通道,对B通道反射表进行更新,使双通道设备正常工作。

四、结论

雷神雷达针对多路径引起的假目标提供了多种抑制手段,包括修改反射表,添加反射物;线性STC曲线调整;编程STC曲线调整;天线俯仰角调整等。天线俯仰角的调整是万不得已的手段,因为此调整是以牺牲低高度覆盖为代价的,目前我国大多数航路的飞机基本上实现了多重雷达覆盖,设置在终端区的雷达更应该关注低高度的覆盖效果。因此,抑制多径反射假目标最好是通过软件功能加以实现,将假目标现象给飞行安全造成的影响降到最低。

本文对雷神雷达因反射产生的假目标进行分析,利用LCMS维护模式下对雷神雷达反射物进行收集并通过反射表修改的方法对反射造成的假目标进行抑制,具有良好的效果。

参考文献

[1]   伊伏斯. 现代雷达原理[M]. 电子工业出版社, 1991.

[2]  Cossor Inc. System Manual for MSSR System 809373/000 for Jinan, China. 2002.

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