航管一次雷達(dá)時(shí)域脈壓電路實(shí)現(xiàn)

安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 張家勇

航管一次雷達(dá)時(shí)域脈壓電路實(shí)現(xiàn)

安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 張家勇

航管一次雷達(dá)主要用于航路空域監(jiān)視，結(jié)構(gòu)上采用雙套冗余的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具備可靠性高、探測(cè)威力遠(yuǎn)、獨(dú)立氣象通道等特點(diǎn)。航管一次雷達(dá)信號(hào)處理采用低副瓣非線性調(diào)頻數(shù)字脈沖壓縮、AMTD、CFAR、自適應(yīng)雜波圖和視頻積累處理等技術(shù)。文中介紹了航管一次雷達(dá)雙模信號(hào)波形組成，以及對(duì)雙模信號(hào)波形進(jìn)行脈壓的一種時(shí)序脈壓電路。

一次雷達(dá)；信號(hào)波形；時(shí)域脈壓

1.引言

航管一次雷達(dá)主要用于航路監(jiān)視及機(jī)場(chǎng)附近區(qū)域飛機(jī)進(jìn)近引導(dǎo)，探測(cè)對(duì)象包括各種合作及非合作飛行目標(biāo)，同時(shí)航管一次雷達(dá)具備獨(dú)立氣象通道，給出終端區(qū)危及飛行安全的氣象信息，從而引導(dǎo)飛機(jī)避開氣象危險(xiǎn)區(qū)域。航管一次雷達(dá)多采用全相參AMTD體制，結(jié)構(gòu)上具備雙套冗余系統(tǒng)，具有良好的雷達(dá)覆蓋范圍、可靠性高、目標(biāo)數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，目前我國(guó)航管一次雷達(dá)技術(shù)已具備較成熟技術(shù)，已在多個(gè)軍民航機(jī)場(chǎng)應(yīng)用。

航管一次雷達(dá)首要解決的問題是空間探測(cè)距離，要求探測(cè)距離遠(yuǎn)且近區(qū)盲區(qū)小。航管一次雷達(dá)信號(hào)波形采用100μs脈寬、1.5MHz的非線性調(diào)頻，但由于航管一次雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)沒有分開，為了防止接收前端燒壞，發(fā)射時(shí)接收通道將關(guān)閉，這勢(shì)必將阻斷100μs以內(nèi)回波的接收。為彌補(bǔ)近區(qū)目標(biāo)盲區(qū)，在寬脈沖前105μs發(fā)射一個(gè)1μs脈寬的單頻脈沖，實(shí)現(xiàn)15公里內(nèi)近程探測(cè)，即系統(tǒng)采用大時(shí)寬非線性調(diào)頻及小時(shí)寬單載頻脈沖雙模技術(shù)。為提高雷達(dá)的目標(biāo)分辨率，航管一次雷達(dá)提供了另外一種備選方案，即采用100μs脈寬、2.5MHz的線性調(diào)頻，近區(qū)15公里內(nèi)采用5μs的線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)盲。兩種雙模信號(hào)形式分別如圖1和圖2所示。

圖1 非線性窄、寬脈沖時(shí)序關(guān)系

圖2 線性窄、寬脈沖時(shí)序關(guān)系

2.時(shí)域脈沖壓縮原理

航管一次雷達(dá)的脈沖壓縮是采用時(shí)域匹配濾波器算法來實(shí)現(xiàn)。由信號(hào)與系統(tǒng)知識(shí)可知，假設(shè)回波序列為S(n)，匹配濾波器的脈沖響應(yīng)序列h(n)，匹配濾波器的輸出y(n)利用S(n)與h(n)卷積實(shí)現(xiàn)：

根據(jù)傅里葉變換理論可知，時(shí)域卷積等于頻域相乘，公式（1-1）采用快速傅里葉變換（FFT）及反快速傅里葉變換（IFFT）在頻域內(nèi)實(shí)現(xiàn)，可將公式（1-1）改為：

由于航管一次雷達(dá)的脈壓點(diǎn)數(shù)不多，這就等效于求離散接收信號(hào)與發(fā)射樣本信號(hào)間的離散樣本復(fù)相關(guān)運(yùn)算求得。假設(shè)x(n)為樣本信號(hào)，w(n)為濾波器系數(shù)，時(shí)域脈壓的具體處理算法可表示為：

對(duì)于復(fù)信號(hào)來說，假設(shè)xI(n)、xQ(n)分別為采樣信號(hào)的實(shí)部與虛部，wI(n)，wQ(n)分別為濾波器系數(shù)的實(shí)部與虛部，即：

將公式（1-4）和（1-5）分別代入公式（1-3）后，(1-6)

為減少硬件資源開銷，將匹配濾波器系數(shù)設(shè)為對(duì)稱形式，將公式（1-6）簡(jiǎn)化為偶對(duì)稱和奇對(duì)稱形式，其中m= Int (N/2)，Int (·) 為取整運(yùn)算。

偶對(duì)稱為：

奇對(duì)稱為：

3.主要技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)計(jì)原理

航管一次雷達(dá)時(shí)域脈壓處理的邏輯原理框圖如圖3所示，由于系統(tǒng)采用線性和非線性兩種信號(hào)形式，在設(shè)計(jì)時(shí)可通過波形庫中存入相應(yīng)的權(quán)系數(shù)，分別調(diào)用線性調(diào)頻和非線性調(diào)頻權(quán)系數(shù)完成相應(yīng)的脈壓處理。信號(hào)處理在工作時(shí)，需要完成抑制異步干擾工作，特別是其它雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的干擾，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置了異步干擾消除電路。異步干擾消除電路設(shè)計(jì)方法為對(duì)輸入脈壓通道的過門限信號(hào)進(jìn)行寬度判別，若信號(hào)寬度小于90μs，則判為異步干擾，將這組數(shù)據(jù)剔除。

圖3 時(shí)域脈壓原理框圖

3.2 工作電路

在實(shí)際電路設(shè)計(jì)時(shí)，為節(jié)約電路中FPGA芯片的邏輯電路資源，將公式（1-6）改寫為復(fù)用方式：

同時(shí)，選取FPGA內(nèi)部計(jì)數(shù)器、運(yùn)算器工作頻率在80MHz以上的芯片，由于芯片外部數(shù)據(jù)率相對(duì)較低，可以利用分時(shí)、分節(jié)拍來節(jié)省芯片內(nèi)部資源，即輸入輸出采用低數(shù)據(jù)率傳輸，芯片內(nèi)部采用高數(shù)據(jù)并行流水處理。綜上，航管一次雷達(dá)時(shí)域脈壓電路選用stratix系列FPGA器件實(shí)現(xiàn)其功能，時(shí)域脈壓電路組成框圖如圖4所示。

圖4 時(shí)域脈壓電路組成框圖

無論采用線性或非線性信號(hào)形式，系統(tǒng)信號(hào)處理都將產(chǎn)生兩種信號(hào)波形，為了使兩種波形相互兼容，同時(shí)在器件規(guī)模允許的條件下達(dá)到更高的運(yùn)算速度，系統(tǒng)采用并行流水結(jié)構(gòu)的復(fù)數(shù)乘法累加器。經(jīng)過優(yōu)化后，系統(tǒng)采用對(duì)稱系數(shù)加權(quán)法使運(yùn)算量減少了一半，在工作頻率為80MHz情況下，按照型號(hào)為EP1S60器件規(guī)模（EP1S60內(nèi)部包含：5萬個(gè)邏輯單元、5Mbit RAM、144個(gè)18bit高速乘法器），系統(tǒng)可完成250點(diǎn)0.4μs的復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算。

3.3 脈壓后結(jié)果

圖5和圖6分別給出了非線性和線性兩種信號(hào)波形經(jīng)脈壓后的結(jié)果。

圖5 非線性調(diào)頻信號(hào)500點(diǎn)脈壓結(jié)果

圖6 線性調(diào)頻信號(hào)500點(diǎn)脈壓結(jié)果

4.結(jié)束語

近年來，國(guó)內(nèi)軍民機(jī)場(chǎng)對(duì)一次雷達(dá)的需求不斷上升，國(guó)產(chǎn)化一次雷達(dá)也再不斷推廣。信號(hào)處理作為航管一次雷達(dá)的核心技術(shù)之一，采用雙模信號(hào)形式可解決航管一次雷達(dá)空間探測(cè)距離上的問題。本文提出的時(shí)域脈壓電路，可有效滿足雙波形下信號(hào)的脈壓需求，同時(shí)對(duì)原算法進(jìn)行改進(jìn)，在器件規(guī)模允許的條件下使運(yùn)算速度得到了提高。

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張家勇（1983—），男，安徽肥西人，碩士研究生，工程師，主要研究方向：航管一次雷達(dá)。