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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
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2023年14期
        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 621000)

        民用雷達(dá)系統(tǒng)能夠精確探測客運飛機(jī)的方位、高度以及速度信息,廣泛運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)答信號越來越密集,應(yīng)答脈沖交織情況越來越嚴(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:1) 只采用和通道的幅度信號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,會直接導(dǎo)致脈沖提取丟失。2) 只采用6 db 門限對脈沖沿進(jìn)行判斷,當(dāng)脈沖交織部分疊加或抵消后幅度變化超過門限時,會導(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,通過幅度和相位的變化進(jìn)行脈沖提取,采用兩級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)載詢問機(jī)發(fā)起詢問,機(jī)載應(yīng)答機(jī)收到詢問后產(chǎn)生應(yīng)答,詢問機(jī)接收到應(yīng)答信號后可以計算應(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F1 脈沖的位置抖動為±0.1 μs。

        3/A 模式為客運飛機(jī)識別碼,編碼順序為{A4A2A1 B4B2B1 C4C2C1 D4D2D1},包括12 位編碼信息位可編成4 096(212)個獨立的客運飛機(jī)代碼,在不重復(fù)的情況下可以表示空域內(nèi)的4096 架客運飛機(jī);3/C 模式為客運飛機(jī)高度碼,編碼順序為{D1D2D4 A1A2A4 B1B2B4 C1C2C4},按照國際民用組織規(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

        在詢問機(jī)的接收端,當(dāng)2 個應(yīng)答信號的到達(dá)時間差小于20.3 μs 時,詢問機(jī)接收到的應(yīng)答框架就會產(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)因脈寬判斷錯誤而導(dǎo)致誤碼或無法譯碼[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

        由于多個客運飛機(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是一個從尖鋒干擾信號到長電平的情況,對單脈沖民用雷達(dá)的譯碼處理來說,需要從接收到的視頻信號中提取單個或多個的脈沖信號的上升沿,這就是應(yīng)答脈沖信號提取[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,差通道幅度信號只用于單脈沖測角計算,并且沒有使用相位信息。

        2.1.1 脈沖PSV 處理

        脈沖PSV 處理,通過門限判斷的方式得到PSV 信號,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,考慮實際信號上升沿和下降沿的變化需要時間,該步驟得到的PSV信號比實際的脈沖寬度更寬。2)按照0.15 μs、6 db 的判斷條件,識別脈沖信號的前/后沿位置。3)同時滿足上述2 個條件,得到脈沖的PSV 信號輸出。

        如圖2 所示,在2 個脈沖交疊的情況下,如果交疊部分脈沖幅度變化超過6 dB,就可能提取脈沖PSV 信號出現(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 信號的基礎(chǔ)上,根據(jù)脈沖PSV 信號的寬度對脈沖沿信號進(jìn)行判斷,完成應(yīng)答脈沖的提取工作:1)當(dāng)PSV 脈沖信號的脈寬大于或等于0.35 μs時,判斷上升沿輸出為脈沖前沿信號ALE(前沿)。2)當(dāng)PSV 脈沖信號的脈寬大于或等于0.6 μs 時,在提前下降沿0.45 μs 處輸出脈沖沿信號PLE。3)當(dāng)PSV 脈沖信號的脈寬大于或等于0.95 μs 并且小于或等于1.3 μs 時,在距上升沿后0.45 μs 處輸出脈沖沿信號XLE(認(rèn)為是多個脈沖交織情況下的第二個脈沖的前沿,偽前沿)。3) 脈沖沿組合輸出PsvEdge=ALE|PLE|XLE。當(dāng)對三重及以上的脈沖交織進(jìn)行處理時,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 個步驟,但是脈沖PSV 處理分為和/差2 個通道并行處理,脈沖沿提取分為和幅度、差幅度以及和/差相位3 個通道并行處理,最后按照一定規(guī)則將3 個通道提取的脈沖沿信號相關(guān)聯(lián)得到最終輸出的脈沖沿信號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 個處理通道的輸入獨立進(jìn)行處理(如圖3 所示),每個獨立通道的處理包括以下2 個步驟: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,提取6 dB 脈沖信號EPSV。2)交織脈沖頂部幅度變化可能超過6 dB,為了避免由此導(dǎo)致的脈沖分裂,盡可能檢測出有效脈沖,采用噪聲門限對有效脈沖進(jìn)行提取。當(dāng)信號大于噪聲門限時,提取底噪脈沖信號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 個獨立通路提取脈沖沿,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 信號的前沿為真脈沖沿ALE。由于當(dāng)脈沖交疊時,EPSV 存在分裂的可能性相對較大,因此為了盡可能減少脈沖沿的判斷丟失,此處通過判斷NPSV 寬度來確定是否存在(兩重或以上)交織脈沖,即從EPSV 的后沿開始計算,當(dāng)此前NPSV 寬度大于或等于0.6 μs 時,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 信號有效時,判斷脈沖頂部的細(xì)微沿信號變化。

        通常情況下,對接收脈沖信號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,會導(dǎo)致脈沖信號和/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。

        但是在實際系統(tǒng)中,當(dāng)目標(biāo)方位距離波束中心越近時,相位準(zhǔn)則的偏差越大,因此可以根據(jù)系統(tǒng)實際的通道特性進(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,因此可以通過設(shè)置目標(biāo)信號和/差通道的幅度差門限來進(jìn)行目標(biāo)適應(yīng)性篩選,可以設(shè)置當(dāng)目標(biāo)信號和/差幅度差小于或等于20 dB時,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°、時間門限為0.1 μs,在EPSV 有效位置,當(dāng)和/差通道相位差超過(90±10)°范圍時,認(rèn)為脈沖存在交疊。

        2.2.2.4 偽脈沖沿容錯處理

        提取的真、偽脈沖沿對應(yīng)的脈沖信號可能存在重復(fù)(脈沖前后沿的關(guān)系),需要以真脈沖沿為基準(zhǔn)對偽脈沖沿進(jìn)行濾除,還需要根據(jù)以下條件判斷識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 個獨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,以時間最先檢測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證

        為了驗證該文提出的脈沖提取方法的實現(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。

        驗證結(jié)果如圖4 所示,使用噪聲門限和6 dB 門限對應(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,對交織應(yīng)答信號完成解析,識別正確的應(yīng)答代碼。

        圖4 脈沖提取仿真

        4 結(jié)語

        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),沒有交織的脈沖的和/差2 個通道信號存在穩(wěn)定的相位差,因此可以采用相位差的變化來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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