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        基于和差雙通道幅相特征的雷達(dá)應(yīng)答脈沖提取方法

        2023-09-07 02:47:56
        關(guān)鍵詞:幅相交織雙通道

        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限(靈敏度門限設(shè)置為大于通道噪聲的固定門限)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)大于噪聲門限且滿足6 dB門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,采用噪聲門限對(duì)有效脈沖進(jìn)行提取。當(dāng)信號(hào)大于噪聲門限時(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)變化的幅度門限為1.5 dB(可隨系統(tǒng)特性進(jìn)行調(diào)整),時(shí)間門限為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)置相位差變化門限為10°、時(shí)間門限為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,使用噪聲門限和6 dB 門限對(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)門限進(jìn)行脈沖沿判斷,即采用6 db 門限判斷脈沖真沿以及采用1.5 db 門限判斷脈沖偽沿,能夠有效提高交織脈沖的提取概率。

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