航管一次雷達時域脈壓電路實現(xiàn)

安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 張家勇

航管一次雷達時域脈壓電路實現(xiàn)

安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 張家勇

航管一次雷達主要用于航路空域監(jiān)視，結(jié)構(gòu)上采用雙套冗余的系統(tǒng)設(shè)計，具備可靠性高、探測威力遠、獨立氣象通道等特點。航管一次雷達信號處理采用低副瓣非線性調(diào)頻數(shù)字脈沖壓縮、AMTD、CFAR、自適應(yīng)雜波圖和視頻積累處理等技術(shù)。文中介紹了航管一次雷達雙模信號波形組成，以及對雙模信號波形進行脈壓的一種時序脈壓電路。

一次雷達；信號波形；時域脈壓

1.引言

航管一次雷達主要用于航路監(jiān)視及機場附近區(qū)域飛機進近引導(dǎo)，探測對象包括各種合作及非合作飛行目標，同時航管一次雷達具備獨立氣象通道，給出終端區(qū)危及飛行安全的氣象信息，從而引導(dǎo)飛機避開氣象危險區(qū)域。航管一次雷達多采用全相參AMTD體制，結(jié)構(gòu)上具備雙套冗余系統(tǒng)，具有良好的雷達覆蓋范圍、可靠性高、目標數(shù)據(jù)量大等特點，目前我國航管一次雷達技術(shù)已具備較成熟技術(shù)，已在多個軍民航機場應(yīng)用。

航管一次雷達首要解決的問題是空間探測距離，要求探測距離遠且近區(qū)盲區(qū)小。航管一次雷達信號波形采用100μs脈寬、1.5MHz的非線性調(diào)頻，但由于航管一次雷達收發(fā)系統(tǒng)沒有分開，為了防止接收前端燒壞，發(fā)射時接收通道將關(guān)閉，這勢必將阻斷100μs以內(nèi)回波的接收。為彌補近區(qū)目標盲區(qū)，在寬脈沖前105μs發(fā)射一個1μs脈寬的單頻脈沖，實現(xiàn)15公里內(nèi)近程探測，即系統(tǒng)采用大時寬非線性調(diào)頻及小時寬單載頻脈沖雙模技術(shù)。為提高雷達的目標分辨率，航管一次雷達提供了另外一種備選方案，即采用100μs脈寬、2.5MHz的線性調(diào)頻，近區(qū)15公里內(nèi)采用5μs的線性調(diào)頻信號進行補盲。兩種雙模信號形式分別如圖1和圖2所示。

圖1 非線性窄、寬脈沖時序關(guān)系

圖2 線性窄、寬脈沖時序關(guān)系

2.時域脈沖壓縮原理

航管一次雷達的脈沖壓縮是采用時域匹配濾波器算法來實現(xiàn)。由信號與系統(tǒng)知識可知，假設(shè)回波序列為S(n)，匹配濾波器的脈沖響應(yīng)序列h(n)，匹配濾波器的輸出y(n)利用S(n)與h(n)卷積實現(xiàn)：

根據(jù)傅里葉變換理論可知，時域卷積等于頻域相乘，公式（1-1）采用快速傅里葉變換（FFT）及反快速傅里葉變換（IFFT）在頻域內(nèi)實現(xiàn)，可將公式（1-1）改為：

由于航管一次雷達的脈壓點數(shù)不多，這就等效于求離散接收信號與發(fā)射樣本信號間的離散樣本復(fù)相關(guān)運算求得。假設(shè)x(n)為樣本信號，w(n)為濾波器系數(shù)，時域脈壓的具體處理算法可表示為：

對于復(fù)信號來說，假設(shè)xI(n)、xQ(n)分別為采樣信號的實部與虛部，wI(n)，wQ(n)分別為濾波器系數(shù)的實部與虛部，即：

將公式（1-4）和（1-5）分別代入公式（1-3）后，(1-6)

為減少硬件資源開銷，將匹配濾波器系數(shù)設(shè)為對稱形式，將公式（1-6）簡化為偶對稱和奇對稱形式，其中m= Int (N/2)，Int (·) 為取整運算。

偶對稱為：

奇對稱為：

3.主要技術(shù)實現(xiàn)

3.1 設(shè)計原理

航管一次雷達時域脈壓處理的邏輯原理框圖如圖3所示，由于系統(tǒng)采用線性和非線性兩種信號形式，在設(shè)計時可通過波形庫中存入相應(yīng)的權(quán)系數(shù)，分別調(diào)用線性調(diào)頻和非線性調(diào)頻權(quán)系數(shù)完成相應(yīng)的脈壓處理。信號處理在工作時，需要完成抑制異步干擾工作，特別是其它雷達發(fā)射信號的干擾，系統(tǒng)在設(shè)計時設(shè)置了異步干擾消除電路。異步干擾消除電路設(shè)計方法為對輸入脈壓通道的過門限信號進行寬度判別，若信號寬度小于90μs，則判為異步干擾，將這組數(shù)據(jù)剔除。

圖3 時域脈壓原理框圖

3.2 工作電路

在實際電路設(shè)計時，為節(jié)約電路中FPGA芯片的邏輯電路資源，將公式（1-6）改寫為復(fù)用方式：

同時，選取FPGA內(nèi)部計數(shù)器、運算器工作頻率在80MHz以上的芯片，由于芯片外部數(shù)據(jù)率相對較低，可以利用分時、分節(jié)拍來節(jié)省芯片內(nèi)部資源，即輸入輸出采用低數(shù)據(jù)率傳輸，芯片內(nèi)部采用高數(shù)據(jù)并行流水處理。綜上，航管一次雷達時域脈壓電路選用stratix系列FPGA器件實現(xiàn)其功能，時域脈壓電路組成框圖如圖4所示。

圖4 時域脈壓電路組成框圖

無論采用線性或非線性信號形式，系統(tǒng)信號處理都將產(chǎn)生兩種信號波形，為了使兩種波形相互兼容，同時在器件規(guī)模允許的條件下達到更高的運算速度，系統(tǒng)采用并行流水結(jié)構(gòu)的復(fù)數(shù)乘法累加器。經(jīng)過優(yōu)化后，系統(tǒng)采用對稱系數(shù)加權(quán)法使運算量減少了一半，在工作頻率為80MHz情況下，按照型號為EP1S60器件規(guī)模（EP1S60內(nèi)部包含：5萬個邏輯單元、5Mbit RAM、144個18bit高速乘法器），系統(tǒng)可完成250點0.4μs的復(fù)數(shù)乘法運算。

3.3 脈壓后結(jié)果

圖5和圖6分別給出了非線性和線性兩種信號波形經(jīng)脈壓后的結(jié)果。

圖5 非線性調(diào)頻信號500點脈壓結(jié)果

圖6 線性調(diào)頻信號500點脈壓結(jié)果

4.結(jié)束語

近年來，國內(nèi)軍民機場對一次雷達的需求不斷上升，國產(chǎn)化一次雷達也再不斷推廣。信號處理作為航管一次雷達的核心技術(shù)之一，采用雙模信號形式可解決航管一次雷達空間探測距離上的問題。本文提出的時域脈壓電路，可有效滿足雙波形下信號的脈壓需求，同時對原算法進行改進，在器件規(guī)模允許的條件下使運算速度得到了提高。

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張家勇（1983—），男，安徽肥西人，碩士研究生，工程師，主要研究方向：航管一次雷達。