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二次雷達(dá)數(shù)字時(shí)間靈敏度控制處理的實(shí)現(xiàn)*

黃曉卿**

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

摘要：如何有效剔除二次雷達(dá)系統(tǒng)中存在的干擾目標(biāo),提升設(shè)備的處理能力和效率,一直是系統(tǒng)最關(guān)注的方向之一。區(qū)別于傳統(tǒng)信道接收機(jī)靈敏度簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)的方法,提出了一種基于可編程門陣列(FPGA)實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)應(yīng)答信號(hào)強(qiáng)度的方法,通過(guò)設(shè)置有效應(yīng)答信號(hào)范圍,在應(yīng)答脈沖處理階段剔除時(shí)間靈敏度控制(STC)門限外由多徑及異步等引起的干擾脈沖,減少了后期處理的信息數(shù)據(jù),提升了系統(tǒng)效率和系統(tǒng)的多目標(biāo)處理能力。通過(guò)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該方法能有效減少二次雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)70%的虛警目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：二次雷達(dá)；時(shí)間靈敏度控制；串?dāng)_；虛警；發(fā)射功率；接收靈敏度；多目標(biāo)處理

1引言

隨著飛機(jī)密度的日益增加,其造成的混擾、串?dāng)_、多徑等各種干擾也變得更加復(fù)雜。二次監(jiān)視雷達(dá)作為空中交通管制的一種重要手段,對(duì)目標(biāo)的處理容量、處理速度和處理精度提出了更高的要求。

接收靈敏度表示接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力,靈敏度越高就表示接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力越強(qiáng),接收范圍就越廣。一次雷達(dá)系統(tǒng)中,可以在接收機(jī)中進(jìn)行時(shí)間靈敏度控制(Sensitivity Time Control,STC),先進(jìn)行射頻衰減再進(jìn)行中頻衰減,提高接收機(jī)的抗過(guò)載能力[1]；也可以通過(guò)自動(dòng)增益控制(Automatic Gain Control,AGC)系統(tǒng)[2],實(shí)現(xiàn)靈敏度時(shí)間控制功能。在二次雷達(dá)系統(tǒng)中,STC在實(shí)際應(yīng)用中并沒(méi)有進(jìn)行深入的研究,常規(guī)的方法是手動(dòng)調(diào)節(jié)信道接收機(jī)接收靈敏度的方法來(lái)限定詢問(wèn)機(jī)的接收范圍,在公開(kāi)發(fā)表文獻(xiàn)中未查到類似數(shù)字STC處理方法的應(yīng)用報(bào)道。

本文針對(duì)二次雷達(dá)系統(tǒng)協(xié)同工作方式中目標(biāo)多、干擾復(fù)雜等特點(diǎn),著重介紹了數(shù)字STC處理方法,通過(guò)信號(hào)處理終端數(shù)字電路硬件電路現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA),實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)靈敏度控制,在降低成本和設(shè)計(jì)難度的同時(shí)極大地提高了詢問(wèn)機(jī)的目標(biāo)處理能力,降低了虛警目標(biāo),提升了系統(tǒng)的性能。

2二次雷達(dá)系統(tǒng)組成

單脈沖二次雷達(dá)系統(tǒng)[3]主要由詢問(wèn)/應(yīng)答系統(tǒng)組成,詢問(wèn)系統(tǒng)包含詢問(wèn)天線、詢問(wèn)機(jī)主機(jī)、后端航跡處理、顯示控制設(shè)備等，如圖1所示。詢問(wèn)機(jī)主機(jī)由信道和信號(hào)處理終端組成,完成目標(biāo)識(shí)別功能,將識(shí)別結(jié)果傳送給航跡處理器和顯示設(shè)備。

圖1　詢問(wèn)機(jī)組成框圖

信號(hào)處理終端在完成目標(biāo)識(shí)別的過(guò)程中,主要由FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解調(diào)、自適應(yīng)門限(STC)處理、干擾(混擾和串?dāng)_)及旁瓣等應(yīng)答脈沖剔除、應(yīng)答脈沖信息提取等多目標(biāo)處理，如圖2所示。由于空域目標(biāo)繁多造成復(fù)雜的電磁環(huán)境,為了提高系統(tǒng)的多目標(biāo)處理能力,需要在FPGA內(nèi)部提取應(yīng)答信息前盡可能多地剔除無(wú)效的應(yīng)答信息,而如何鑒定及剔除干擾脈沖則成為其關(guān)鍵。

圖2　FPGA應(yīng)答信號(hào)處理

3二次雷達(dá)傳統(tǒng)的STC功能

二次雷達(dá)系統(tǒng)中詢問(wèn)機(jī)接收靈敏度與其作用成正比,靈敏度表示接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力,靈敏度越高就表示接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力越強(qiáng),因而通信距離就越大。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中,詢問(wèn)機(jī)的接收靈敏度可以通過(guò)設(shè)置信道接收機(jī)來(lái)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié),但在整個(gè)詢問(wèn)過(guò)程中調(diào)節(jié)后的STC門限保持不變,如圖3所示。詢問(wèn)機(jī)接收應(yīng)答信號(hào)過(guò)程中,應(yīng)答目標(biāo)越近,空間衰減越小,接收到的應(yīng)答信號(hào)越強(qiáng);應(yīng)答目標(biāo)越遠(yuǎn)，衰減越大，信號(hào)越弱。由于復(fù)雜的空間環(huán)境影響,詢問(wèn)機(jī)接收到有效應(yīng)答目標(biāo)的同時(shí),通過(guò)主瓣和旁瓣接收到各種信號(hào)強(qiáng)度大小不一的反射和串?dāng)_目標(biāo)。詢問(wèn)機(jī)在單次詢問(wèn)過(guò)程中,對(duì)應(yīng)答目標(biāo)個(gè)數(shù)的解碼能力及解碼時(shí)間是有限制的,如果先接收到的干擾目標(biāo)多,將影響較遠(yuǎn)距離的有效目標(biāo)的接收及解碼,同時(shí)增加了后端的數(shù)據(jù)處理信息,降低了系統(tǒng)的目標(biāo)處理能力和效率。

圖3　詢問(wèn)機(jī)接收的應(yīng)答目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度曲線

通過(guò)這種調(diào)節(jié)接收機(jī)接收靈敏度的方法,雖然接收機(jī)靈敏度降低減少了接收的干擾信號(hào)(弱信號(hào)),但其效果也比較有限,而且降低了詢問(wèn)機(jī)作用距離的同時(shí)無(wú)法剔除對(duì)于信號(hào)強(qiáng)度高于接收靈敏度的竄擾和多徑等干擾信號(hào),同時(shí)對(duì)于在S模式和模式4等應(yīng)答延時(shí)長(zhǎng)的工作模式下,傳統(tǒng)的STC設(shè)計(jì)也無(wú)法應(yīng)用。此外，可以手動(dòng)調(diào)節(jié)接收機(jī)靈敏度的方法也增加了詢問(wèn)機(jī)信道分機(jī)的設(shè)計(jì)難度和成本。

4數(shù)字STC處理的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法

針對(duì)西方體制Mark XII中應(yīng)答機(jī)各種模式有固定應(yīng)答延時(shí)的特點(diǎn),本文提出一種接收靈敏度隨應(yīng)答目標(biāo)距離的遠(yuǎn)近(信號(hào)空間傳播時(shí)間)而變化的新方法，即數(shù)字STC。詢問(wèn)機(jī)啟動(dòng)詢問(wèn)后,信號(hào)處理終端在FPGA內(nèi)部根據(jù)詢問(wèn)模式判斷應(yīng)答機(jī)的固定應(yīng)答延時(shí),扣除該應(yīng)答延時(shí)后根據(jù)時(shí)間實(shí)時(shí)計(jì)算接收到應(yīng)答機(jī)的有效應(yīng)答信號(hào)幅度(理論值),同時(shí)根據(jù)該幅度信息計(jì)算一個(gè)最大幅度值和最小幅度值(需考慮應(yīng)答機(jī)發(fā)射功率的標(biāo)準(zhǔn)范圍),作為該詢問(wèn)機(jī)的STC門限，如圖4所示,FPGA在門限比較時(shí),將和通道接收到高于STC門限最大值和低于STC門限最小值的應(yīng)答信息脈沖判為干擾目標(biāo)脈沖,直接剔除,只保留STC門限范圍內(nèi)的有效脈沖,再進(jìn)行后續(xù)處理。

圖4　STC門限處理

如圖5所示,通過(guò)STC門限處理能將絕大部分竄擾和多徑反射造成的干擾目標(biāo)信息脈沖剔除,極大地減少了后端的處理脈沖數(shù)據(jù)。

圖5　STC門限曲線圖

5STC計(jì)算

詢問(wèn)機(jī)計(jì)算STC門限值的方法是,首先計(jì)算各距離標(biāo)準(zhǔn)的正常應(yīng)答信號(hào)強(qiáng)度,根據(jù)詢問(wèn)機(jī)接收應(yīng)答目標(biāo)信息時(shí)間計(jì)算目標(biāo)距離,公式為

R=(T-Td)C/2 。

(1)

式中,T為詢問(wèn)機(jī)發(fā)射詢問(wèn)脈沖到接收到應(yīng)答信號(hào)的時(shí)間；Td為應(yīng)答機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答延時(shí),模式1、2、3/A、C的應(yīng)答延時(shí)為3±0.5 μs,模式4的應(yīng)答延時(shí)為202+4N(N=0,1,2,…,15)μs[4],模式S的應(yīng)答延時(shí)為128 μs；C為電磁波在空間的傳播速度。

詢問(wèn)機(jī)的發(fā)射功率[5]與應(yīng)答機(jī)的接收范圍成正比,詢問(wèn)機(jī)的接收靈敏度與詢問(wèn)機(jī)的接收范圍成正比,根據(jù)二次雷達(dá)作用距離公式可以計(jì)算應(yīng)答機(jī)處于不同距離時(shí)詢問(wèn)機(jī)接收到應(yīng)答信號(hào)的強(qiáng)度,公式為

(2)

式中,Pi為詢問(wèn)機(jī)主機(jī)射頻輸入口接收到應(yīng)答信號(hào)的強(qiáng)度(dBW)；Gi為詢問(wèn)天線增益(dB)；Lr為詢問(wèn)機(jī)詢問(wèn)主機(jī)到詢問(wèn)天線間的射頻電纜損耗(dB)；LΣ為詢問(wèn)天線對(duì)不準(zhǔn)損耗、對(duì)流層吸收損耗及余量之和,一般按2 dB計(jì)算;Pr為應(yīng)答機(jī)射頻輸出口的發(fā)射功率(dBW)；Gr為應(yīng)答天線增益(dB)；Lr為應(yīng)答機(jī)主機(jī)到應(yīng)答天線的射頻電纜損耗(dB)；R為應(yīng)答機(jī)與詢問(wèn)機(jī)間距離(m)；λr為應(yīng)答信號(hào)波長(zhǎng),應(yīng)答頻率為1090 MHz,即為0.275 m。在國(guó)際民航組織(ICAO)附件10中規(guī)定,低空應(yīng)答機(jī)(高度低于4750 m)天線端口的發(fā)射功率為18.5~27 dBW,高空應(yīng)答機(jī)標(biāo)(高度高于4750 m)天線端口的發(fā)射功率為21~27 dBW[6],應(yīng)答天線為全向天線,增益為0 dB,Pr+Gr-Lr的范圍為18.5~27 dBW。根據(jù)公式計(jì)算可得各距離點(diǎn)詢問(wèn)機(jī)天線端接收到應(yīng)答信號(hào)的強(qiáng)度,如表1所示,當(dāng)應(yīng)答機(jī)距離詢問(wèn)機(jī)0.5 km時(shí),詢問(wèn)機(jī)天線端接收到最小信號(hào)為-38.7 dBm,最大信號(hào)強(qiáng)度為-30.7 dBm。根據(jù)表1,我們可以設(shè)置FPGA的STC處理門限,門限值為天線端接收到信號(hào)的強(qiáng)度加上詢問(wèn)天線的增益再減去詢問(wèn)機(jī)主機(jī)到天線的電纜衰減,同時(shí)考慮幾dB的容差。對(duì)應(yīng)不同的詢問(wèn)天線其詢問(wèn)機(jī)的STC門限值不一樣,實(shí)際應(yīng)用中可以通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算每個(gè)距離點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的幅度值得到STC門限值。根據(jù)公式(2)計(jì)算得到距離每增加1倍,信號(hào)強(qiáng)度衰減6 dB。所以一般情況下我們根據(jù)最大作用距離提前分段計(jì)算各段距離的STC值,處理時(shí)通過(guò)查表的方式得到數(shù)據(jù)以降低計(jì)算量。

表1　詢問(wèn)機(jī)天線端信號(hào)強(qiáng)度與距離對(duì)應(yīng)值

6數(shù)據(jù)采集

圖6為詢問(wèn)機(jī)在無(wú)線實(shí)驗(yàn)外場(chǎng)實(shí)際工作中,FPGA通過(guò)Chipscope得到的AD對(duì)接收應(yīng)答信號(hào)的采樣數(shù)據(jù),圖中藍(lán)色為和通道信號(hào),紅色為差通道信號(hào),綠色為STC門限。在詢問(wèn)主瓣內(nèi),和通道信號(hào)幅度大于差通道,在主瓣接收到正常應(yīng)答信號(hào)的同時(shí),通過(guò)旁瓣接收到了一組近距離反射信號(hào)(多徑干擾信號(hào)),之后,主瓣又接收到一組異步串?dāng)_應(yīng)答信號(hào),該信號(hào)如果按傳統(tǒng)的信號(hào)處理方法無(wú)法剔除,被判為有效應(yīng)答,只能通過(guò)后期的數(shù)據(jù)融合目標(biāo)凝聚來(lái)剔除。而我們通過(guò)自適應(yīng)數(shù)字STC處理時(shí),通過(guò)和通道脈沖幅度門限比較就可以直接剔除,將和通道幅度與STC門限比較,將小于門限最小值和高于門限最大值的幅度直接剔除(和差幅度同時(shí)設(shè)為0),只保留了信號(hào)幅度在門限內(nèi)的應(yīng)答信號(hào)脈沖，如圖7所示,這樣極大地減少了后端的脈沖框架判斷信息提取及多目標(biāo)處理的數(shù)據(jù)量,提高了詢問(wèn)機(jī)的處理能力和處理效率。

圖6　Chipscope采樣STC門限處理前

圖7　Chipscope采樣STC門限處理后

當(dāng)詢問(wèn)機(jī)天線架設(shè)的位置周圍有建筑物形成反射面的話,極易形成虛警目標(biāo),而且該虛警目標(biāo)在后端數(shù)據(jù)融合航跡處理時(shí)也極難剔除,在實(shí)際工程中,通過(guò)數(shù)字STC門限則能有效減少70%以上的虛警目標(biāo)產(chǎn)生,極大地提升了系統(tǒng)的性能。

7結(jié)束語(yǔ)

具有S模式的詢問(wèn)機(jī)在采用數(shù)字STC門限時(shí),詢問(wèn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)接收到的ADS-B信號(hào)低于STC門限丟失的情況,詢問(wèn)機(jī)在詢問(wèn)結(jié)束后正常接收,詢問(wèn)機(jī)接收應(yīng)答信號(hào)的時(shí)間一般少于1 ms,外場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中驗(yàn)證該情況出現(xiàn)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響。該設(shè)計(jì)已經(jīng)在工程應(yīng)用中實(shí)現(xiàn),并通過(guò)多個(gè)項(xiàng)目的外場(chǎng)無(wú)線實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其效果顯著。隨著FPGA產(chǎn)品資源越來(lái)越豐富,功耗越來(lái)越低,設(shè)計(jì)者可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)更有效的信號(hào)處理,不斷提升設(shè)備及系統(tǒng)更高的抗干擾能力和多目標(biāo)處理效率。

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黃曉卿(1981—),男,浙江遂昌人,2003年于西安電子科技大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為工程師,主要研究方向?yàn)槎卫走_(dá)數(shù)字信號(hào)處理。

HUANG Xiaoqing was born in Suichang,Zhejiang Province,in 1981. He received the B.S. degree from Xidian University in 2003.He is now an engineer.His research concerns digital signal processing of secondary radar systems.

Email:hjjhxq@sina.comdoi:10.3969/j.issn.1001-893x.2015.05.019

引用格式：黃曉卿.二次雷達(dá)數(shù)字時(shí)間靈敏度控制處理的實(shí)現(xiàn)[J].電訊技術(shù),2015,55(5):570-573.[HUANG Xiaoqing.Implementation of Sensitivity Time Control Signal Processing for Secondary Radar[J].Telecommunication Engineering,2015,55(5):570-573.]

Implementation of Sensitivity Time Control Signal Processing

for Secondary Radar

HUANG Xiaoqing

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Abstract：How to effectively eliminate interference targets existing in secondary radar and improve equipment processing capability and effectiveness is the orientation of system design concerned. Different from the traditional method of simple channel receiver sensitivity adjustment,this paper proposes a method of real-time calculation of the target response intensity based on Field Programmable Gate Array(FPGA). By setting the effective response signal range and eliminating the multipath and asynchronous interference pulses outside the Sensitivity Time Control(STC) threshold in reply pulse processing stage,the amount of information data is reduced,the system efficiency and multi-target processing capability are improved. Field test shows that this method can effectively reduce 70% of the false targets in the secondary radar systems.

Key words：secondary radar;sensitivity time control;garble;false alarm;transmitting power;receiving sensitivity;multi-target processing

作者簡(jiǎn)介：

中圖分類號(hào)：TN958.96

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-893X(2015)05-0570-04

通訊作者：**hjjhxq@sina.comCorresponding author：hjjhxq@sina.com

收稿日期：*2014-12-26；修回日期：2015-04-20Received date:2014-12-26；Revised date：2015-04-20

doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2015.05.018