二次雷達原理與設計

本書以民用二次監視雷達和軍用二次雷達敵我識別系統為研究對象，系統地介紹二次雷達的基本概念、工作原理、系統設計及設備配置等基礎理論知識。在民用二次監視雷達方面，著重介紹空中交通管制系統中的高性能二次監視雷達的技術特點、系統設計及實現途徑，詳細分析二次雷達系統內部的各種乾擾問題、多徑傳輸對二次雷達系統性能的影響及解決方法。為實現高性能系統設計，本書重點介紹高性能詢問天線的設計、二次雷達信號處理的背景及處理思路，以及空中交通管制二次監視雷達配置和選址。在軍用二次雷達敵我識別系統方面，重點分析二次雷達的發展歷史和當前二次雷達的國際發展新動態、新思路，並針對現代戰爭特點，結合幾種新型系統的設計，側重介紹擴頻、時間同步、現代加密技術和先進信號波形設計，並針對二次雷達應用中的核心關鍵技術，給出盡可能詳細的理論闡釋和解決方案。

第1章 二次雷達系統發展概況 1
1.1 二次雷達敵我識別系統的發明與應用 1
1.2 二次監視雷達發展歷程 6
1.3 第二次世界大戰後二次雷達系統發展 10
第2章 系統組成及工作原理 15
2.1 設備組成 17
2.2 工作過程 19
2.2.1 二次雷達敵我識別系統的工作過程 19
2.2.2 二次監視雷達的工作過程 21
2.3 系統構成 21
2.4 目標距離和方位角測量 22
2.4.1 單脈沖測角原理 23
2.4.2 “滑窗”測角原理 26
2.4.3 距離測量原理 28
2.5 信息獲取 29
2.6 目標位置關聯 29
2.7 系統問題 31
第3章 信號波形設計和分析 33
3.1 模式1、模式2、模式3/A和C模式信號波形 34
3.1.1 詢問信號波形 34
3.1.2 詢問信號參數及容差 34
3.1.3 應答信號波形 35
3.1.4 應答信號參數及容差 36
3.1.5 距離數據產生 36
3.2 模式4信號波形 37
3.2.1 詢問信號波形 38
3.2.2 詢問信號參數及容差 39
3.2.3 應答信號波形 40
3.2.4 應答信號參數及容差 40
3.2.5 模式4信號波形分析 40
3.3 S模式信號波形 42
3.3.1 詢問工作模式 42
3.3.2 S模式應答機 42
3.3.3 S模式詢問信號波形 43
3.3.4 組合詢問信號波形 45
3.3.5 S模式應答信號波形 46
3.3.6 詢問旁瓣抑制原理 48
3.3.7 S模式信號波形分析 49
3.4 地—地數字調制二次雷達信號波形 50
3.4.1 系統的時間體系結構 51
3.4.2 詢問信號和應答信號 52
3.4.3 詢問脈沖字符塊 53
3.4.4 應答脈沖字符塊 55
3.4.5 數字調制信號波形分析 55
3.5 相關知識 56
3.5.1 二元數字信息序列 56
3.5.2 幅移鍵控調制 57
3.5.3 雙相移鍵控調制 58
3.5.4 差分相移鍵控調制 59
3.5.5 最小頻移鍵控調制 60
3.5.6 擴頻信號 65
第4章 詢問分系統 73
4.1 工作原理、系統組成和頻率配置方案 73
4.1.1 工作原理和系統組成 73
4.1.2 頻率配置方案 75
4.2 發射機 76
4.2.1 發射機組成 76
4.2.2 主要技術參數 76
4.2.3 頻率綜合器 77
4.2.4 調制器 79
4.2.5 固態功率放大器 82
4.2.6 詢問旁瓣抑制 83
4.2.7 功率自適應控制 86
4.3 經典接收機 87
4.3.1 噪聲系數 88
4.3.2 接收機帶寬 89
4.3.3 接收機靈敏度 89
4.3.4 對數中頻放大器 91
4.3.5 接收旁瓣抑制 93
4.3.6 時間增益控制 94
4.4 單脈沖接收機 95
4.4.1 幅度單脈沖接收機 95
4.4.2 相位單脈沖接收機 97
第5章 信號處理 101
5.1 信號環境 102
5.2 應答信號處理方法 104
5.3 應答脈沖採集 106
5.4 應答信號處理 110
5.4.1 應答信號處理概述 111
5.4.2 假目標應答編碼處理 114
5.4.3 應答編碼報告 115
5.5 應答與應答相關處理 116
5.5.1 二次雷達敵我識別系統的應答與應答相關處理 116
5.5.2 二次監視雷達的應答與應答相關處理 117
5.6 監視處理 118
5.6.1 目標報告與飛行航跡的相關處理 119
5.6.2 目標報告更新 120
5.6.3 飛行航跡更新 121
5.6.4 飛行航跡慣性滑行和終止 122
5.7 假目標報告處理 123
5.8 與一次雷達目標報告關聯 125
第6章 應答機 127
6.1 組成及功能 127
6.2 工作原理及頻率配置 128
6.2.1 工作原理 128
6.2.2 頻率配置 130
6.3 二次雷達敵我識別系統應答機主要技術指標 130
6.3.1 接收靈敏度 131
6.3.2 動態範圍 132
6.3.3 頻率響應 132
6.3.4 應答延時和延時抖動 132
6.3.5 隨機觸發速率 133
6.3.6 應答信號抑制時間 133
6.3.7 應答機輸出功率 133
6.3.8 寄生輻射 133
6.3.9 旁瓣抑制速率控制 134
6.4 二次監視雷達應答機主要技術指標 134
6.4.1 接收靈敏度和輸出功率 134
6.4.2 其他技術指標參數差異 136
6.5 信號處理器組成和功能 136
6.6 自動故障檢測和在線檢測 137
6.7 應答天線 137
6.7.1 應答天線覆蓋範圍 138
6.7.2 機載和艦載應答天線 140
6.8 雙天線安裝 141
6.8.1 雙天線開關切換方式 141
6.8.2 雙天線功率分配方式 141
6.8.3 分集天線方式 142
6.9 顯示控制單元 143
6.9.1 控制功能 144
6.9.2 顯示功能 144
第7章 詢問應答機 147
7.1 詢問機／應答機組合設計方案 147
7.2 詢問應答機一體化設計方案 149
7.3 典型的詢問應答機 150
第8章 詢問天線 153
8.1 詢問天線輻射特性 154
8.1.1 水平方向輻射特性 154
8.1.2 垂直方向輻射特性 157
8.1.3 背瓣 159
8.2 詢問天線主要技術指標 160
8.3 陣列天線設計基礎理論 161
8.3.1 陣列天線方向特性通用表達式 161
8.3.2 一維線性陣列天線方向特性 164
8.3.3 平面圓形陣列天線方向特性表達式 168
8.4 機械掃描詢問天線系統 169
8.4.1 機械掃描詢問天線系統組成 169
8.4.2 輻射單元 171
8.4.3 功率分配／波束形成網絡 179
8.4.4 旋轉關節 181
8.4.5 詢問天線安裝 182
8.5 相控陣詢問天線系統組成 185
第9章 系統乾擾和多徑乾擾 189
9.1 系統乾擾 190
9.1.1 串擾 190
9.1.2 占據 192
9.1.3 外部抑制 194
9.1.4 系統乾擾小結 194
9.2 多徑乾擾 196
9.3 水平反射面的多徑信號 197
9.3.1 短路徑差多徑信號 198
9.3.2 長路徑差多徑信號 202
9.4 小水平夾角反射面的多徑信號 203
9.4.1 短路徑差多徑信號 205
9.4.2 長路徑差多徑信號 209
9.5 大水平夾角反射面的多徑信號 209
9.5.1 短路徑差反射信號 210
9.5.2 長路徑差反射信號 210
9.6 多徑乾擾小結 212
第10章 系統設計 213
10.1 工作距離 213
10.1.1 無線信號傳輸方程 213
10.1.2 附加損耗 215
10.1.3 詢問和應答通道設計 218
10.1.4 數字調制二次雷達通道設計 220
10.2 目標檢測概率和識別概率 227
10.2.1 信噪比與噪聲系數 228
10.2.2 單次詢問目標檢測概率 228
10.2.3 “滑窗”處理與目標檢測概率 229
10.3 系統容量 230
10.4 方位分辨力和方位角測量精度 231
10.4.1 方位分辨力 231
10.4.2 方位角測量精度 233
10.5 距離分辨力和距離測量精度 238
10.5.1 距離分辨力 238
10.5.2 距離測量精度 238
10.6 詢問重復頻率 240
10.6.1 詢問重復頻率設計 240
10.6.2 跨周期應答和群占據 241
10.7 詢問天線安裝高度 241
10.8 一次雷達與二次雷達之間的互耦 243
第11章 二次雷達設備配置 245
11.1 二次監視雷達設備配置及選址原則 245
11.1.1 機場建設需求 246
11.1.2 環境適應性 246
11.1.3 建設可行性 247
11.1.4 規劃前瞻性 248
11.2 二次雷達敵我識別系統設備配置原則 249
11.3 地面作戰平臺設備配置方案 250
11.4 空中作戰平臺設備配置方案 250
11.5 海上作戰平臺設備配置方案 251
11.5.1 分散配置方案 252
11.5.2 集中配置方案 253
第12章 S模式報文及協議 255
12.1 詢問報文和應答報文 256
12.2 奇偶校驗 259
12.2.1 循環冗餘校驗編碼 259
12.2.2 AP字段和PI字段的生成 260
12.2.3 上行鏈路編碼器和解碼器 261
12.2.4 下行鏈路編碼器和解碼器 263
12.2.5 下行鏈路糾錯解碼 265
12.3 全呼叫報文 270
12.3.1 全呼叫詢問報文（UF=11） 270
12.3.2 全呼叫應答報文（DF=11) 272
12.4 監視報文及協議 273
12.4.1 監視詢問報文（UF=4/UF=5） 274
12.4.2 監視應答報文（DF=4/DF=5） 280
12.4.3 全呼叫閉鎖協議 283
12.5 標準長度監視通信報文 285
12.5.1 監視通信詢問報文（UF=20/UF=21） 285
12.5.2 監視通信應答報文（DF=20/DF=21） 285
12.5.3 標準長度通信協議 286
12.6 擴展長度報文的傳輸 293
12.6.1 上行ELM（UF=24） 293
12.6.2 下行ELM（DF=24） 295
12.6.3 多站上行ELM傳輸協議 296
12.6.4 多站下行ELM傳輸協議 299
12.7 空—空服務和信標處理 302
12.7.1 空—空監視短詢問報文（UF=0） 303
12.7.2 空—空監視長詢問報文（UF=16） 303
12.7.3 空—空監視短應答報文（DF=0） 304
12.7.4 空—空監視長應答報文（DF=16） 305
12.7.5 空—空處理協議 306
12.7.6 間歇信標捕獲 306
12.7.7 擴展長度間歇信標報文（DF=17） 306
第13章 二次雷達新技術 313
13.1 混合監視技術 313
13.2 數字調制二次雷達技術 314
13.2.1 數字基帶信號設計 315
13.2.2 敵我識別模式數字調制詢問信號波形 319
13.2.3 敵我識別模式數字調制應答信號波形 321
13.2.4 信號處理 323
13.2.5 性能分析 324
13.3 態勢感知工作模式技術 326
13.3.1 信標態勢感知 327
13.3.2 詢問-應答態勢感知 327
13.3.3 空—地態勢感知 328
13.3.4 信號波形 329
13.3.5 性能分析 331
13.4 混擾和串擾抑制技術 332
13.4.1 混擾抑制技術 333
13.4.2 串擾抑制技術 335
13.5 時間同步與數字加密 336
13.5.1 時間代碼與系統時 337
13.5.2 詢問信號傳輸參數加密 337
13.5.3 詢問通道中的信息加密和解密 338
13.5.4 應答通道中的信息加密和解密 341
13.5.5 加密產生的物理現象 343
13.6 技術展望 344
13.6.1 系統功能更加完善 344
13.6.2 系統性能更加先進 344
13.6.3 系統安全性和電子對抗能力顯著提高 345
13.6.4 降低系統內部乾擾的措施針對性更強 345
第14章 廣播式自動相關監視系統 347
14.1 引言 347
14.2 系統概述 349
14.2.1 系統組成和工作原理 349
14.2.2 系統功能 355
14.3 設備配置及性能要求 357
14.3.1 機載系統 358
14.3.2 地面站系統 363
14.3.3 機載天線系統 367
14.4 主要應用及典型應用方案 371
14.4.1 應用概述 371
14.4.2 典型應用方案 373
14.5 擴展長度間歇信標增強接收技術 379
14.5.1 當前的擴展長度間歇信標接收技術 379
14.5.2 改進的同步脈沖檢測技術 381
14.5.3 比特數據和置信度判決改進技術 384
14.5.4 增強誤碼檢錯和糾錯技術 389
14.5.5 小結 393
14.6 S模式1090 ES報文 394
14.6.1 報文的主要內容 394
14.6.2 報文的基本結構 394
14.7 發展展望 396
第15章 空中交通警戒與防撞系統 399
15.1 引言 399
15.2 TCAS II組成和工作原理 400
15.2.1 TCAS電腦單元 401
15.2.2 S模式應答機 401
15.2.3 S模式TCAS控制面板 402
15.2.4 天線 403
15.3 駕駛艙顯示 404
15.3.1 TA信息顯示 404
15.3.2 RA信息顯示 406
15.3.3 語音告警 407
15.4 目標監視 408
15.4.1 S模式監視 409
15.4.2 C模式監視 411
15.4.3 混合監視 414
15.5 避撞概念 417
15.5.1 告警預留時間 417
15.5.2 保護範圍等級系數 420
15.5.3 保護範圍 422
15.6 避撞邏輯系統 423
15.6.1 跟蹤 424
15.6.2 發布TA信息 425
15.6.3 威脅目標檢測 425
15.6.4 發布RA信息 425
15.6.5 TCAS/TCAS協調 430
15.6.6 空—地通信 432
15.7 未來的防撞系統 433
附錄A S模式詢問報文一覽表 435
附錄B S模式應答報文一覽表 437
附錄C S模式字段定義 439
附錄D S模式子字段定義 441
附錄E 縮略語表 443
參考文獻 445