基于和差雙通道幅相特征的雷達(dá)應(yīng)答脈沖提取方法

鄒 亮 蔣 鑫

（四川九洲空管科技有限責(zé)任公司，四川 綿陽(yáng) 621000）

民用雷達(dá)系統(tǒng)能夠精確探測(cè)客運(yùn)飛機(jī)的方位、高度以及速度信息，廣泛運(yùn)用于民用線路飛行等空中交通管制領(lǐng)域。由于航空飛行流量大幅提高，因此空域內(nèi)民用雷達(dá)的應(yīng)答信號(hào)越來(lái)越密集，應(yīng)答脈沖交織情況越來(lái)越嚴(yán)重[1]。

現(xiàn)有的常規(guī)模式應(yīng)答脈沖提取方法存在以下缺點(diǎn)：1） 只采用和通道的幅度信號(hào)作為脈沖提取的依據(jù)，在和通道存在脈沖交織抵消的情況下，會(huì)直接導(dǎo)致脈沖提取丟失。2） 只采用6 db 門(mén)限對(duì)脈沖沿進(jìn)行判斷，當(dāng)脈沖交織部分疊加或抵消后幅度變化超過(guò)門(mén)限時(shí)，會(huì)導(dǎo)致脈沖偽前沿提取失敗甚至造成提取脈沖分裂，最終導(dǎo)致脈沖提取丟失。

因此，該文提出了一種基于和/差雙通道幅相特征的民用雷達(dá)應(yīng)答脈沖提取方法，需要和/差雙通道的幅度和相位作為輸入，通過(guò)幅度和相位的變化進(jìn)行脈沖提取，采用兩級(jí)幅度門(mén)限判斷交織脈沖的真沿/偽沿，能夠有效提高脈沖以及交織脈沖的提取概率。

1 民用雷達(dá)應(yīng)答脈沖及其交織特性分析

1.1 民用雷達(dá)應(yīng)答脈沖序列

SSR 工作原理如下：由地面或機(jī)載詢問(wèn)機(jī)發(fā)起詢問(wèn)，機(jī)載應(yīng)答機(jī)收到詢問(wèn)后產(chǎn)生應(yīng)答，詢問(wèn)機(jī)接收到應(yīng)答信號(hào)后可以計(jì)算應(yīng)答機(jī)所在目標(biāo)的位置[2]。

民用使用的標(biāo)準(zhǔn)SSR 常規(guī)模式應(yīng)答信號(hào)如圖1 所示，這些碼位的代碼依次是F1、C1、A1、C2、A2、C4、A4、X、B1、D1、B2、D2、B4、D4、F2 和SPI。其中：1）F1和F2 是框架脈沖，間隔20.3 μs。2）SPI 為特殊位置識(shí)別碼，其位置比F2 脈沖延遲4.35 μs，且SPI 只在A 模式應(yīng)答下可選。3）X 脈沖位為備用脈沖。4）F1～F2 之間的脈沖位均勻間隔1.45 μs，所有脈沖相對(duì)F1 脈沖的位置抖動(dòng)為±0.1 μs。

3/A 模式為客運(yùn)飛機(jī)識(shí)別碼，編碼順序?yàn)閧A4A2A1 B4B2B1 C4C2C1 D4D2D1}，包括12 位編碼信息位可編成4 096（212）個(gè)獨(dú)立的客運(yùn)飛機(jī)代碼，在不重復(fù)的情況下可以表示空域內(nèi)的4096 架客運(yùn)飛機(jī)；3/C 模式為客運(yùn)飛機(jī)高度碼，編碼順序?yàn)閧D1D2D4 A1A2A4 B1B2B4 C1C2C4}，按照國(guó)際民用組織規(guī)定，D1 在C 模式應(yīng)答下為0，因此剩余的11位編碼信息位可表示-365.76 m～38 618.16 m的飛行高度，最小分辨率為30.48 m。

1.2 應(yīng)答脈沖交織特性分析

在詢問(wèn)機(jī)的接收端，當(dāng)2 個(gè)應(yīng)答信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差小于20.3 μs 時(shí)，詢問(wèn)機(jī)接收到的應(yīng)答框架就會(huì)產(chǎn)生交織[3]。

在特殊情況下甚至?xí)霈F(xiàn)碼元脈沖交疊（如圖2 所示），存在脈沖疊加或抵消等2 種異?，F(xiàn)象，導(dǎo)致接收機(jī)輸出的視頻脈沖發(fā)生畸變，該干擾易使譯碼系統(tǒng)因脈寬判斷錯(cuò)誤而導(dǎo)致誤碼或無(wú)法譯碼[3]。

圖2 兩重交疊脈沖PSV 提取示意圖

2 民用雷達(dá)應(yīng)答脈沖提取方法

由于多個(gè)客運(yùn)飛機(jī)的應(yīng)答脈沖可能存在不同程度的交織或交疊，另外，模擬部分可能出現(xiàn)干擾，因此接收到的脈沖視頻信號(hào)是一個(gè)從尖鋒干擾信號(hào)到長(zhǎng)電平的情況，對(duì)單脈沖民用雷達(dá)的譯碼處理來(lái)說(shuō)，需要從接收到的視頻信號(hào)中提取單個(gè)或多個(gè)的脈沖信號(hào)的上升沿，這就是應(yīng)答脈沖信號(hào)提取[1]。

2.1 傳統(tǒng)的應(yīng)答脈沖提取方法

傳統(tǒng)的應(yīng)答脈沖提取方法分為2 個(gè)主要步驟，即脈沖PSV 處理和脈沖沿提取。傳統(tǒng)的脈沖提取方法只使用了和通道幅度信號(hào)，差通道幅度信號(hào)只用于單脈沖測(cè)角計(jì)算，并且沒(méi)有使用相位信息。

2.1.1 脈沖PSV 處理

脈沖PSV 處理，通過(guò)門(mén)限判斷的方式得到PSV 信號(hào)，分為脈沖主體判斷和脈沖沿判斷等主要步驟：1）使用和通道幅度與靈敏度門(mén)限（靈敏度門(mén)限設(shè)置為大于通道噪聲的固定門(mén)限）比較的方法提取脈沖主體PSV 信號(hào)，考慮實(shí)際信號(hào)上升沿和下降沿的變化需要時(shí)間，該步驟得到的PSV信號(hào)比實(shí)際的脈沖寬度更寬。2）按照0.15 μs、6 db 的判斷條件，識(shí)別脈沖信號(hào)的前/后沿位置。3）同時(shí)滿足上述2 個(gè)條件，得到脈沖的PSV 信號(hào)輸出。

如圖2 所示，在2 個(gè)脈沖交疊的情況下，如果交疊部分脈沖幅度變化超過(guò)6 dB，就可能提取脈沖PSV 信號(hào)出現(xiàn)分裂變窄，導(dǎo)致下一步脈沖沿提取出現(xiàn)異常。

2.1.2 脈沖沿的提取

在上一節(jié)提取的脈沖PSV 信號(hào)的基礎(chǔ)上，根據(jù)脈沖PSV 信號(hào)的寬度對(duì)脈沖沿信號(hào)進(jìn)行判斷，完成應(yīng)答脈沖的提取工作：1）當(dāng)PSV 脈沖信號(hào)的脈寬大于或等于0.35 μs時(shí)，判斷上升沿輸出為脈沖前沿信號(hào)ALE（前沿）。2）當(dāng)PSV 脈沖信號(hào)的脈寬大于或等于0.6 μs 時(shí)，在提前下降沿0.45 μs 處輸出脈沖沿信號(hào)PLE。3）當(dāng)PSV 脈沖信號(hào)的脈寬大于或等于0.95 μs 并且小于或等于1.3 μs 時(shí)，在距上升沿后0.45 μs 處輸出脈沖沿信號(hào)XLE（認(rèn)為是多個(gè)脈沖交織情況下的第二個(gè)脈沖的前沿，偽前沿）。3） 脈沖沿組合輸出PsvEdge=ALE|PLE|XLE。當(dāng)對(duì)三重及以上的脈沖交織進(jìn)行處理時(shí)，該方法可能導(dǎo)致PLE、XLE 脈沖沿提取丟失或者導(dǎo)致提取結(jié)果與實(shí)際脈沖沿位置存在偏差。

2.2 基于和差雙通道幅相特征的應(yīng)答脈沖提取方法

該文提出的基于和差雙通道幅相特征的應(yīng)答脈沖提取方法同樣分為脈沖PSV 處理和脈沖沿提取2 個(gè)步驟，但是脈沖PSV 處理分為和/差2 個(gè)通道并行處理，脈沖沿提取分為和幅度、差幅度以及和/差相位3 個(gè)通道并行處理，最后按照一定規(guī)則將3 個(gè)通道提取的脈沖沿信號(hào)相關(guān)聯(lián)得到最終輸出的脈沖沿信號(hào)PsvEdge。

2.2.1 脈沖PSV 處理

該文采用的脈沖PSV 處理方法分別使用和、差通道的幅度作為2 個(gè)處理通道的輸入獨(dú)立進(jìn)行處理（如圖3 所示），每個(gè)獨(dú)立通道的處理包括以下2 個(gè)步驟：1）為了盡可能準(zhǔn)確地判斷出脈沖的前/后沿，采用6 dB 門(mén)限判斷的方式進(jìn)行有效脈沖提取。當(dāng)信號(hào)大于噪聲門(mén)限且滿足6 dB門(mén)限的上升沿和下降沿判斷條件時(shí)，提取6 dB 脈沖信號(hào)EPSV。2）交織脈沖頂部幅度變化可能超過(guò)6 dB，為了避免由此導(dǎo)致的脈沖分裂，盡可能檢測(cè)出有效脈沖，采用噪聲門(mén)限對(duì)有效脈沖進(jìn)行提取。當(dāng)信號(hào)大于噪聲門(mén)限時(shí)，提取底噪脈沖信號(hào)NPSV。

圖3 和/差通道幅相提取脈沖沿示意圖

2.2.2 脈沖沿的提取

為了更準(zhǔn)確以及更高概率地提取信號(hào)脈沖沿的位置，該方法先選擇和幅度、差幅度以及和/差相位差等3 個(gè)獨(dú)立通路提取脈沖沿，再按照一定的規(guī)則融合判斷脈沖沿，得到最終用于應(yīng)答框架判斷的脈沖沿序列。

和、差幅度通道提取的脈沖沿分為真脈沖沿ALE 和偽脈沖沿ELE，和/差相位差通道提取的脈沖沿為相位偽脈沖沿PELE，如圖3 所示。

2.2.2.1 幅度真脈沖沿提取

取EPSV 信號(hào)的前沿為真脈沖沿ALE。由于當(dāng)脈沖交疊時(shí)，EPSV 存在分裂的可能性相對(duì)較大，因此為了盡可能減少脈沖沿的判斷丟失，此處通過(guò)判斷NPSV 寬度來(lái)確定是否存在（兩重或以上）交織脈沖，即從EPSV 的后沿開(kāi)始計(jì)算，當(dāng)此前NPSV 寬度大于或等于0.6 μs 時(shí)，認(rèn)為存在交疊脈沖，提前該EPSV 后沿0.45 μs 處存在幅度真脈沖沿PLE。

2.2.2.2 幅度偽脈沖沿提取

當(dāng)NPSV 信號(hào)有效時(shí)，判斷脈沖頂部的細(xì)微沿信號(hào)變化。

通常情況下，對(duì)接收脈沖信號(hào)頂部的一致性要求小于或等于1 dB，據(jù)此設(shè)置脈沖頂部的細(xì)微沿信號(hào)變化的幅度門(mén)限為1.5 dB（可隨系統(tǒng)特性進(jìn)行調(diào)整），時(shí)間門(mén)限為0.1 μs。

2.2.2.3 相位偽脈沖沿提取

當(dāng)應(yīng)答脈沖存在交疊時(shí)，會(huì)導(dǎo)致脈沖信號(hào)和/差通道相位差發(fā)生變化，因此，可以根據(jù)和/差通道相位差滿足±90°的規(guī)律判斷脈沖交織。

但是在實(shí)際系統(tǒng)中，當(dāng)目標(biāo)方位距離波束中心越近時(shí)，相位準(zhǔn)則的偏差越大，因此可以根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際的通道特性進(jìn)行目標(biāo)適應(yīng)性篩選。由于目標(biāo)方位距離波束中心的偏差角與和/差通道的幅度差存在相關(guān)性，因此可以通過(guò)設(shè)置目標(biāo)信號(hào)和/差通道的幅度差門(mén)限來(lái)進(jìn)行目標(biāo)適應(yīng)性篩選，可以設(shè)置當(dāng)目標(biāo)信號(hào)和/差幅度差小于或等于20 dB時(shí)，適用于進(jìn)行相位偽脈沖沿的提取。

通常情況下，可設(shè)置相位差變化門(mén)限為10°、時(shí)間門(mén)限為0.1 μs，在EPSV 有效位置，當(dāng)和/差通道相位差超過(guò)（90±10）°范圍時(shí)，認(rèn)為脈沖存在交疊。

2.2.2.4 偽脈沖沿容錯(cuò)處理

提取的真、偽脈沖沿對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)可能存在重復(fù)（脈沖前后沿的關(guān)系），需要以真脈沖沿為基準(zhǔn)對(duì)偽脈沖沿進(jìn)行濾除，還需要根據(jù)以下條件判斷識(shí)別該位置是否為有效的ELE、PELE。

偽脈沖前沿判斷條件：1）該位置±0.1 μs 內(nèi)不存在真脈沖沿。2）該位置往前推算（0.45±0.1） μs 內(nèi)不存在真脈沖沿。3）該位置往后推算，底噪脈沖寬度大于或等于0.45 μs。

偽脈沖后沿判斷條件：1）該位置往前推算（0.45±0.1） μs內(nèi)不存在真脈沖沿。2）該位置往前推算，底噪脈沖寬度大于或等于0.45 μs。

2.2.2.5 脈沖沿融合處理

結(jié)合上述和幅度、差幅度以及和/差相位差等3 個(gè)獨(dú)立通路提取得到的幅度真脈沖沿ALEPLE、幅度偽脈沖沿ELE 以及相位偽脈沖沿PELE，以時(shí)間最先檢測(cè)到的真脈沖沿為基準(zhǔn)剔除位置重疊在±0.1 μs 內(nèi)的偽脈沖沿以及當(dāng)前沿位置后0.1 μs 內(nèi)的真脈沖沿，得到最終的脈沖沿PSVEDGE 輸出。

3 脈沖提取算法仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該文提出的脈沖提取方法的實(shí)現(xiàn)效果，下面給出1 組三重應(yīng)答交織的數(shù)據(jù)，交織的代碼分別為7777、6666 和5555。

驗(yàn)證結(jié)果如圖4 所示，使用噪聲門(mén)限和6 dB 門(mén)限對(duì)應(yīng)答脈沖完成PSV 提取處理，得到EPSV 和NPSV，能夠有效防止出現(xiàn)因PSV 脈沖分裂而導(dǎo)致脈沖沿提取失敗的情況；采用該文所述的脈沖沿提取方法能夠在提取ALE、ELE 以及PELE 的基礎(chǔ)上，最終融合得到正確的脈沖沿信號(hào)，對(duì)交織應(yīng)答信號(hào)完成解析，識(shí)別正確的應(yīng)答代碼。

圖4 脈沖提取仿真

4 結(jié)語(yǔ)

該文提出了一種基于和/差雙通道幅相特征的民用雷達(dá)應(yīng)答脈沖提取方法，由于在脈沖交織的情況下和/差通道的幅度同時(shí)被疊加或抵消的概率較小，因此采用和/差雙通道的幅度作為脈沖提取的依據(jù)，能夠有效提高脈沖的提取概率。由于在有效的波束寬度內(nèi)，沒(méi)有交織的脈沖的和/差2 個(gè)通道信號(hào)存在穩(wěn)定的相位差，因此可以采用相位差的變化來(lái)判斷脈沖交織的位置，提取脈沖的偽沿，能夠有效提高交織脈沖的提取概率。采用兩級(jí)門(mén)限進(jìn)行脈沖沿判斷，即采用6 db 門(mén)限判斷脈沖真沿以及采用1.5 db 門(mén)限判斷脈沖偽沿，能夠有效提高交織脈沖的提取概率。