二次雷达原理与设计

本书以民用二次监视雷达和军用二次雷达敌我识别系统为研究对象，系统地介绍二次雷达的基本概念、工作原理、系统设计及设备配置等基础理论知识。在民用二次监视雷达方面，着重介绍空中交通管制系统中的高性能二次监视雷达的技术特点、系统设计及实现途径，详细分析二次雷达系统内部的各种干扰问题、多径传输对二次雷达系统性能的影响及解决方法。为实现高性能系统设计，本书重点介绍高性能询问天线的设计、二次雷达信号处理的背景及处理思路，以及空中交通管制二次监视雷达配置和选址。在军用二次雷达敌我识别系统方面，重点分析二次雷达的发展历史和当前二次雷达的国际发展新动态、新思路，并针对现代战争特点，结合几种新型系统的设计，侧重介绍扩频、时间同步、现代加密技术和先进信号波形设计，并针对二次雷达应用中的核心关键技术，给出尽可能详细的理论阐释和解决方案。

黄成芳，1959年毕业于重庆邮电大学，原中国电子科技集团有限公司第十研究所副总工程师，是航天外测系统箭上分系统研究带头人。曾参与我国第一颗弹道导弹、第一颗同步卫星、第一颗洲际导弹的外弹道测量与安全控制系统火箭上分系统研制与开发，“东风三十一洲际导弹”外测安全控制系统第一任总设计师，“神舟”载人飞船外测安全、逃逸系统第一任总设计师。1991年9月获首批国务院政府特殊津贴。曾获得全国科学技术大会奖一项；国家科学技术进步二等奖一项；部级科学技术进步一等奖二项；部级科学技术进步二等奖三项。2019年9月25号荣获由中共中央、国务院、中央军委颁发的“庆祝中华人民共和国成立70周年”纪念章。

第1章 二次雷达系统发展概况 1
1．1 二次雷达敌我识别系统的发明与应用 1
1．2 二次监视雷达发展历程 6
1．3 第二次世界大战后二次雷达系统发展 10
第2章 系统组成及工作原理 15
2．1 设备组成 17
2．2 工作过程 19
2．2．1 二次雷达敌我识别系统的工作过程 19
2．2．2 二次监视雷达的工作过程 21
2．3 系统构成 21
2．4 目标距离和方位角测量 22
2．4．1 单脉冲测角原理 23
2．4．2 “滑窗”测角原理 26
2．4．3 距离测量原理 28
2．5 信息获取 29
2．6 目标位置关联 29
2．7 系统问题 31
第3章 信号波形设计和分析 33
3．1 模式1、模式2、模式3/A和C模式信号波形 34
3．1．1 询问信号波形 34
3．1．2 询问信号参数及容差 34
3．1．3 应答信号波形 35
3．1．4 应答信号参数及容差 36
3．1．5 距离数据产生 36
3．2 模式4信号波形 37
3．2．1 询问信号波形 38
3．2．2 询问信号参数及容差 39
3．2．3 应答信号波形 40
3．2．4 应答信号参数及容差 40
3．2．5 模式4信号波形分析 40
3．3 S模式信号波形 42
3．3．1 询问工作模式 42
3．3．2 S模式应答机 42
3．3．3 S模式询问信号波形 43
3．3．4 组合询问信号波形 45
3．3．5 S模式应答信号波形 46
3．3．6 询问旁瓣抑制原理 48
3．3．7 S模式信号波形分析 49
3．4 地―地数字调制二次雷达信号波形 50
3．4．1 系统的时间体系结构 51
3．4．2 询问信号和应答信号 52
3．4．3 询问脉冲字符块 53
3．4．4 应答脉冲字符块 55
3．4．5 数字调制信号波形分析 55
3．5 相关知识 56
3．5．1 二元数字信息序列 56
3．5．2 幅移键控调制 57
3．5．3 双相移键控调制 58
3．5．4 差分相移键控调制 59
3．5．5 最小频移键控调制 60
3．5．6 扩频信号 65
第4章 询问分系统 73
4．1 工作原理、系统组成和频率配置方案 73
4．1．1 工作原理和系统组成 73
4．1．2 频率配置方案 75
4．2 发射机 76
4．2．1 发射机组成 76
4．2．2 主要技术参数 76
4．2．3 频率综合器 77
4．2．4 调制器 79
4．2．5 固态功率放大器 82
4．2．6 询问旁瓣抑制 83
4．2．7 功率自适应控制 86
4．3 经典接收机 87
4．3．1 噪声系数 88
4．3．2 接收机带宽 89
4．3．3 接收机灵敏度 89
4．3．4 对数中频放大器 91
4．3．5 接收旁瓣抑制 93
4．3．6 时间增益控制 94
4．4 单脉冲接收机 95
4．4．1 幅度单脉冲接收机 95
4．4．2 相位单脉冲接收机 97
第5章 信号处理 101
5．1 信号环境 102
5．2 应答信号处理方法 104
5．3 应答脉冲采集 106
5．4 应答信号处理 110
5．4．1 应答信号处理概述 111
5．4．2 假目标应答编码处理 114
5．4．3 应答编码报告 115
5．5 应答与应答相关处理 116
5．5．1 二次雷达敌我识别系统的应答与应答相关处理 116
5．5．2 二次监视雷达的应答与应答相关处理 117
5．6 监视处理 118
5．6．1 目标报告与飞行航迹的相关处理 119
5．6．2 目标报告更新 120
5．6．3 飞行航迹更新 121
5．6．4 飞行航迹惯性滑行和终止 122
5．7 假目标报告处理 123
5．8 与一次雷达目标报告关联 125
第6章 应答机 127
6．1 组成及功能 127
6．2 工作原理及频率配置 128
6．2．1 工作原理 128
6．2．2 频率配置 130
6．3 二次雷达敌我识别系统应答机主要技术指标 130
6．3．1 接收灵敏度 131
6．3．2 动态范围 132
6．3．3 频率响应 132
6．3．4 应答延时和延时抖动 132
6．3．5 随机触发速率 133
6．3．6 应答信号抑制时间 133
6．3．7 应答机输出功率 133
6．3．8 寄生辐射 133
6．3．9 旁瓣抑制速率控制 134
6．4 二次监视雷达应答机主要技术指标 134
6．4．1 接收灵敏度和输出功率 134
6．4．2 其他技术指标参数差异 136
6．5 信号处理器组成和功能 136
6．6 自动故障检测和在线检测 137
6．7 应答天线 137
6．7．1 应答天线覆盖范围 138
6．7．2 机载和舰载应答天线 140
6．8 双天线安装 141
6．8．1 双天线开关切换方式 141
6．8．2 双天线功率分配方式 141
6．8．3 分集天线方式 142
6．9 显示控制单元 143
6．9．1 控制功能 144
6．9．2 显示功能 144
第7章 询问应答机 147
7．1 询问机／应答机组合设计方案 147
7．2 询问应答机一体化设计方案 149
7．3 典型的询问应答机 150
第8章 询问天线 153
8．1 询问天线辐射特性 154
8．1．1 水平方向辐射特性 154
8．1．2 垂直方向辐射特性 157
8．1．3 背瓣 159
8．2 询问天线主要技术指标 160
8．3 阵列天线设计基础理论 161
8．3．1 阵列天线方向特性通用表达式 161
8．3．2 一维线性阵列天线方向特性 164
8．3．3 平面圆形阵列天线方向特性表达式 168
8．4 机械扫描询问天线系统 169
8．4．1 机械扫描询问天线系统组成 169
8．4．2 辐射单元 171
8．4．3 功率分配／波束形成网络 179
8．4．4 旋转关节 181
8．4．5 询问天线安装 182
8．5 相控阵询问天线系统组成 185
第9章 系统干扰和多径干扰 189
9．1 系统干扰 190
9．1．1 串扰 190
9．1．2 占据 192
9．1．3 外部抑制 194
9．1．4 系统干扰小结 194
9．2 多径干扰 196
9．3 水平反射面的多径信号 197
9．3．1 短路径差多径信号 198
9．3．2 长路径差多径信号 202
9．4 小水平夹角反射面的多径信号 203
9．4．1 短路径差多径信号 205
9．4．2 长路径差多径信号 209
9．5 大水平夹角反射面的多径信号 209
9．5．1 短路径差反射信号 210
9．5．2 长路径差反射信号 210
9．6 多径干扰小结 212
第10章 系统设计 213
10．1 工作距离 213
10．1．1 无线信号传输方程 213
10．1．2 附加损耗 215
10．1．3 询问和应答信道设计 218
10．1．4 数字调制二次雷达信道设计 220
10．2 目标检测概率和识别概率 227
10．2．1 信噪比与噪声系数 228
10．2．2 单次询问目标检测概率 228
10．2．3 “滑窗”处理与目标检测概率 229
10．3 系统容量 230
10．4 方位分辨力和方位角测量精度 231
10．4．1 方位分辨力 231
10．4．2 方位角测量精度 233
10．5 距离分辨力和距离测量精度 238
10．5．1 距离分辨力 238
10．5．2 距离测量精度 238
10．6 询问重复频率 240
10．6．1 询问重复频率设计 240
10．6．2 跨周期应答和群占据 241
10．7 询问天线安装高度 241
10．8 一次雷达与二次雷达之间的互耦 243
第11章 二次雷达设备配置 245
11．1 二次监视雷达设备配置及选址原则 245
11．1．1 机场建设需求 246
11．1．2 环境适应性 246
11．1．3 建设可行性 247
11．1．4 规划前瞻性 248
11．2 二次雷达敌我识别系统设备配置原则 249
11．3 地面作战平台设备配置方案 250
11．4 空中作战平台设备配置方案 250
11．5 海上作战平台设备配置方案 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模式报文及协议 255
12．1 询问报文和应答报文 256
12．2 奇偶校验 259
12．2．1 循环冗余校验编码 259
12．2．2 AP字段和PI字段的生成 260
12．2．3 上行链路编码器和译码器 261
12．2．4 下行链路编码器和译码器 263
12．2．5 下行链路纠错译码 265
12．3 全呼叫报文 270
12．3．1 全呼叫询问报文（UF=11） 270
12．3．2 全呼叫应答报文（DF=11) 272
12．4 监视报文及协议 273
12．4．1 监视询问报文（UF=4/UF=5） 274
12．4．2 监视应答报文（DF=4/DF=5） 280
12．4．3 全呼叫闭锁协议 283
12．5 标准长度监视通信报文 285
12．5．1 监视通信询问报文（UF=20/UF=21） 285
12．5．2 监视通信应答报文（DF=20/DF=21） 285
12．5．3 标准长度通信协议 286
12．6 扩展长度报文的传输 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传输协议 296
12．6．4 多站下行ELM传输协议 299
12．7 空―空服务和信标处理 302
12．7．1 空―空监视短询问报文（UF=0） 303
12．7．2 空―空监视长询问报文（UF=16） 303
12．7．3 空―空监视短应答报文（DF=0） 304
12．7．4 空―空监视长应答报文（DF=16） 305
12．7．5 空―空处理协议 306
12．7．6 间歇信标捕获 306
12．7．7 扩展长度间歇信标报文（DF=17） 306
第13章 二次雷达新技术 313
13．1 混合监视技术 313
13．2 数字调制二次雷达技术 314
13．2．1 数字基带信号设计 315
13．2．2 敌我识别模式数字调制询问信号波形 319
13．2．3 敌我识别模式数字调制应答信号波形 321
13．2．4 信号处理 323
13．2．5 性能分析 324
13．3 态势感知工作模式技术 326
13．3．1 信标态势感知 327
13．3．2 询问-应答态势感知 327
13．3．3 空―地态势感知 328
13．3．4 信号波形 329
13．3．5 性能分析 331
13．4 混扰和串扰抑制技术 332
13．4．1 混扰抑制技术 333
13．4．2 串扰抑制技术 335
13．5 时间同步与数字加密 336
13．5．1 时间代码与系统时 337
13．5．2 询问信号传输参数加密 337
13．5．3 询问信道中的信息加密和解密 338
13．5．4 应答信道中的信息加密和解密 341
13．5．5 加密产生的物理现象 343
13．6 技术展望 344
13．6．1 系统功能更加完善 344
13．6．2 系统性能更加先进 344
13．6．3 系统安全性和电子对抗能力显著提高 345
13．6．4 降低系统内部干扰的措施针对性更强 345
第14章 广播式自动相关监视系统 347
14．1 引言 347
14．2 系统概述 349
14．2．1 系统组成和工作原理 349
14．2．2 系统功能 355
14．3 设备配置及性能要求 357
14．3．1 机载系统 358
14．3．2 地面站系统 363
14．3．3 机载天线系统 367
14．4 主要应用及典型应用方案 371
14．4．1 应用概述 371
14．4．2 典型应用方案 373
14．5 扩展长度间歇信标增强接收技术 379
14．5．1 当前的扩展长度间歇信标接收技术 379
14．5．2 改进的同步脉冲检测技术 381
14．5．3 比特数据和置信度判决改进技术 384
14．5．4 增强误码检错和纠错技术 389
14．5．5 小结 393
14．6 S模式1090 ES报文 394
14．6．1 报文的主要内容 394
14．6．2 报文的基本结构 394
14．7 发展展望 396
第15章 空中交通警戒与防撞系统 399
15．1 引言 399
15．2 TCAS II组成和工作原理 400
15．2．1 TCAS计算机单元 401
15．2．2 S模式应答机 401
15．2．3 S模式TCAS控制面板 402
15．2．4 天线 403
15．3 驾驶舱显示 404
15．3．1 TA信息显示 404
15．3．2 RA信息显示 406
15．3．3 语音告警 407
15．4 目标监视 408
15．4．1 S模式监视 409
15．4．2 C模式监视 411
15．4．3 混合监视 414
15．5 避撞概念 417
15．5．1 告警预留时间 417
15．5．2 保护范围等级系数 420
15．5．3 保护范围 422
15．6 避撞逻辑系统 423
15．6．1 跟踪 424
15．6．2 发布TA信息 425
15．6．3 威胁目标检测 425
15．6．4 发布RA信息 425
15．6．5 TCAS/TCAS协调 430
15．6．6 空―地通信 432
15．7 未来的防撞系统 433
附录A S模式询问报文一览表 435
附录B S模式应答报文一览表 437
附录C S模式字段定义 439
附录D S模式子字段定义 441
附录E 缩略语表 443
参考文献 445