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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)答信號強(qiáng)度的方法,通過設(shè)置有效應(yīng)答信號范圍,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。通過外場實(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)接收微弱信號的能力,靈敏度越高就表示接收機(jī)接收微弱信號的能力越強(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)的抗過載能力[1]；也可以通過自動增益控制(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)用中并沒有進(jìn)行深入的研究,常規(guī)的方法是手動調(diào)節(jié)信道接收機(jī)接收靈敏度的方法來限定詢問機(jī)的接收范圍,在公開發(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,通過信號處理終端數(shù)字電路硬件電路現(xiàn)場可編程門陣列(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/應(yīng)答系統(tǒng)組成,詢問系統(tǒng)包含詢問天線、詢問機(jī)主機(jī)、后端航跡處理、顯示控制設(shè)備等，如圖1所示。詢問機(jī)主機(jī)由信道和信號處理終端組成,完成目標(biāo)識別功能,將識別結(jié)果傳送給航跡處理器和顯示設(shè)備。

圖1　詢問機(jī)組成框圖

信號處理終端在完成目標(biāo)識別的過程中,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)接收微弱信號的能力,靈敏度越高就表示接收機(jī)接收微弱信號的能力越強(qiáng),因而通信距離就越大。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中,詢問機(jī)的接收靈敏度可以通過設(shè)置信道接收機(jī)來進(jìn)行手動調(diào)節(jié),但在整個(gè)詢問過程中調(diào)節(jié)后的STC門限保持不變,如圖3所示。詢問機(jī)接收應(yīng)答信號過程中,應(yīng)答目標(biāo)越近,空間衰減越小,接收到的應(yīng)答信號越強(qiáng);應(yīng)答目標(biāo)越遠(yuǎn)，衰減越大，信號越弱。由于復(fù)雜的空間環(huán)境影響,詢問機(jī)接收到有效應(yīng)答目標(biāo)的同時(shí),通過主瓣和旁瓣接收到各種信號強(qiáng)度大小不一的反射和串?dāng)_目標(biāo)。詢問機(jī)在單次詢問過程中,對應(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　詢問機(jī)接收的應(yīng)答目標(biāo)信號強(qiáng)度曲線

通過這種調(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(弱信號),但其效果也比較有限,而且降低了詢問機(jī)作用距離的同時(shí)無法剔除對于信號強(qiáng)度高于接收靈敏度的竄擾和多徑等干擾信號,同時(shí)對于在S模式和模式4等應(yīng)答延時(shí)長的工作模式下,傳統(tǒng)的STC設(shè)計(jì)也無法應(yīng)用。此外，可以手動調(diào)節(jié)接收機(jī)靈敏度的方法也增加了詢問機(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(信號空間傳播時(shí)間)而變化的新方法，即數(shù)字STC。詢問機(jī)啟動詢問后,信號處理終端在FPGA內(nèi)部根據(jù)詢問模式判斷應(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)答信號強(qiáng)度,根據(jù)詢問機(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為詢問機(jī)發(fā)射詢問脈沖到接收到應(yīng)答信號的時(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,詢問機(jī)的接收靈敏度與詢問機(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)詢問機(jī)接收到應(yīng)答信號的強(qiáng)度,公式為

(2)

式中,Pi為詢問機(jī)主機(jī)射頻輸入口接收到應(yīng)答信號的強(qiáng)度(dBW)；Gi為詢問天線增益(dB)；Lr為詢問機(jī)詢問主機(jī)到詢問天線間的射頻電纜損耗(dB)；LΣ為詢問天線對不準(zhǔn)損耗、對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)與詢問機(jī)間距離(m)；λr為應(yīng)答信號波長,應(yīng)答頻率為1090 MHz,即為0.275 m。在國際民航組織(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)詢問機(jī)天線端接收到應(yīng)答信號的強(qiáng)度,如表1所示,當(dāng)應(yīng)答機(jī)距離詢問機(jī)0.5 km時(shí),詢問機(jī)天線端接收到最小信號為-38.7 dBm,最大信號強(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的強(qiáng)度加上詢問天線的增益再減去詢問機(jī)主機(jī)到天線的電纜衰減,同時(shí)考慮幾dB的容差。對應(yīng)不同的詢問天線其詢問機(jī)的STC門限值不一樣,實(shí)際應(yīng)用中可以通過實(shí)時(shí)計(jì)算每個(gè)距離點(diǎn)所對應(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)通過查表的方式得到數(shù)據(jù)以降低計(jì)算量。

表1　詢問機(jī)天線端信號強(qiáng)度與距離對應(yīng)值

6數(shù)據(jù)采集

圖6為詢問機(jī)在無線實(shí)驗(yàn)外場實(shí)際工作中,FPGA通過Chipscope得到的AD對接收應(yīng)答信號的采樣數(shù)據(jù),圖中藍(lán)色為和通道信號,紅色為差通道信號,綠色為STC門限。在詢問主瓣內(nèi),和通道信號幅度大于差通道,在主瓣接收到正常應(yīng)答信號的同時(shí),通過旁瓣接收到了一組近距離反射信號(多徑干擾信號),之后,主瓣又接收到一組異步串?dāng)_應(yīng)答信號,該信號如果按傳統(tǒng)的信號處理方法無法剔除,被判為有效應(yīng)答,只能通過后期的數(shù)據(jù)融合目標(biāo)凝聚來剔除。而我們通過自適應(yīng)數(shù)字STC處理時(shí),通過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),只保留了信號幅度在門限內(nèi)的應(yīng)答信號脈沖，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

具有S模式的詢問機(jī)在采用數(shù)字STC門限時(shí),詢問過程中會出現(xiàn)接收到的ADS-B信號低于STC門限丟失的情況,詢問機(jī)在詢問結(jié)束后正常接收,詢問機(jī)接收應(yīng)答信號的時(shí)間一般少于1 ms,外場實(shí)際應(yīng)用過程中驗(yàn)證該情況出現(xiàn)不會對系統(tǒng)造成影響。該設(shè)計(jì)已經(jīng)在工程應(yīng)用中實(shí)現(xiàn),并通過多個(gè)項(xiàng)目的外場無線實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其效果顯著。隨著FPGA產(chǎn)品資源越來越豐富,功耗越來越低,設(shè)計(jì)者可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)更有效的信號處理,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

作者簡介：

中圖分類號：TN958.96

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：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