基于二次雷達(dá)通道信號(hào)細(xì)微特征的信號(hào)配對(duì)方法*

李武旭 李海軍

（四川九洲空管科技有限責(zé)任公司 綿陽(yáng) 621000）

1 引言

二次監(jiān)視雷達(dá)（SSR）通過(guò)對(duì)空中飛行目標(biāo)應(yīng)答信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位，為管制員提供空域交通態(tài)勢(shì)信息。

二次雷達(dá)天線有三個(gè)信號(hào)通道，分別是Σ、Δ、Ω通道，二次雷達(dá)通過(guò)其天線接收空中飛機(jī)的二次雷達(dá)回波信號(hào)，信號(hào)經(jīng)濾波、放大、檢波處理，分別形成Σ、Δ、Ω三路視頻信號(hào)，信號(hào)處理模塊根據(jù)三路信號(hào)的幅度信息進(jìn)行接收旁瓣抑制處理（Received Side-Lobe Suppression，RSLS）、偏離視軸角計(jì)算（OBA）和SSR譯碼處理。RSLS處理：信號(hào)處理模塊在時(shí)域上對(duì)Σ信號(hào)與Ω信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，如果Σ信號(hào)強(qiáng)度大于等于Ω信號(hào)強(qiáng)度，則當(dāng)作主瓣的信號(hào)保留，送后續(xù)譯碼處理，如果Σ信號(hào)強(qiáng)度小于Ω信號(hào)強(qiáng)度，則當(dāng)作旁瓣的信號(hào)抑制；OBA計(jì)算：信號(hào)處理模塊將時(shí)域上對(duì)應(yīng)的Δ信號(hào)與Σ信號(hào)幅度進(jìn)行差值計(jì)算，根據(jù)差值得出目標(biāo)與波束法線間的夾角；SSR譯碼處理：信號(hào)處理模塊根據(jù)應(yīng)答標(biāo)準(zhǔn)脈沖序列，從Σ視頻中進(jìn)行應(yīng)答脈沖框架提取和代碼信息提取。二次雷達(dá)接收信號(hào)處理如圖1所示。

圖1 二次雷達(dá)接收信號(hào)處理框圖

二次雷達(dá)天線的Σ、Δ、Ω三個(gè)通道由于其波束覆蓋范圍不同，所以三個(gè)通道在相同時(shí)刻有可能接收到不同來(lái)源的信號(hào)，例如：環(huán)境反射造成的多徑信號(hào)、其它設(shè)備同頻率信號(hào)干擾、多目標(biāo)信號(hào)疊加。同頻信號(hào)疊加，相位差在（-2π/3，2π/3）區(qū)間，疊加后信號(hào)增強(qiáng)，相位差-2π/3和2π/3時(shí)，疊加后信號(hào)強(qiáng)度不變，相位差在（-2π/3，-π）（2π/3，π）區(qū)間，疊加后信號(hào)減弱。干擾信號(hào)疊加會(huì)造成天線三個(gè)通道的輸入信號(hào)不同，而信號(hào)處理模塊是根據(jù)Σ、Δ、Ω三個(gè)通道的信號(hào)幅度相對(duì)關(guān)系進(jìn)行處理，所以當(dāng)有環(huán)境反射造成的多徑、同頻率信號(hào)干擾或多目標(biāo)信號(hào)疊加情況存在時(shí)，三個(gè)通道的信號(hào)幅度就偏離了真實(shí)情況，從而導(dǎo)致二次雷達(dá)信號(hào)處理（RSLS、OBA測(cè)角和譯碼功能）異常。

圖2 二次雷達(dá)天線波束方向圖

2 通道信號(hào)干擾特性分析

2.1 實(shí)際環(huán)境中的反射干擾情況

二次雷達(dá)在實(shí)際運(yùn)用環(huán)境中，會(huì)面對(duì)很多的同步反射干擾的情況，在詢問(wèn)和應(yīng)答信號(hào)通過(guò)相同路徑反射情況下，經(jīng)常會(huì)造成真實(shí)目標(biāo)代碼跳變，或在多個(gè)方位上出現(xiàn)多條虛假的目標(biāo)。

電磁波波遇到障礙物反射是一定有衰減的，所以直達(dá)波的信號(hào)幅度一定是大于反射波信號(hào)。基于上述觀點(diǎn)，針對(duì)如圖3所示的反射情況，在后端點(diǎn)航跡處理時(shí)采用幅度判斷的方法，相似的信號(hào)，保留幅度強(qiáng)的信號(hào)，剔除較弱的信號(hào)。不過(guò)由于在實(shí)際環(huán)境中存在以下幾種情況是該方法不能處理的：

圖3 反射干擾情況

1）天線所接收的信號(hào)，可能是多個(gè)反射信號(hào)疊加，可能造成反射信號(hào)幅度大于真實(shí)的直達(dá)信號(hào)，各通道信號(hào)幅度不一致的變化；

2）直達(dá)信號(hào)被環(huán)境障礙遮擋，二次雷達(dá)只能接收到反射信號(hào)時(shí)；

3）Σ、Δ、Ω三個(gè)通道覆蓋范圍不同，三個(gè)通道有不同的疊加，最終所接收的信號(hào)結(jié)果偏離實(shí)際，導(dǎo)致錯(cuò)誤的接收旁瓣抑制，錯(cuò)誤的偏離視軸角計(jì)算；

4）反射信號(hào)與直達(dá)信號(hào)相互疊加，造成脈沖波形寬度和幅度產(chǎn)生不可預(yù)知的變化，如圖4所示，錯(cuò)誤的視頻信號(hào)，最終導(dǎo)致錯(cuò)誤的譯碼信息。

圖4 正常及反射應(yīng)答信號(hào)包絡(luò)對(duì)比

2.2 信號(hào)疊加特性分析

二次雷達(dá)信號(hào)是ASK調(diào)制，一個(gè)應(yīng)答機(jī)所發(fā)射的應(yīng)答信號(hào)各脈沖相位是連續(xù)的。真實(shí)信號(hào)與干擾信號(hào)是非相參的，存在隨機(jī)的相位差φ1，

應(yīng)答機(jī)發(fā)射信號(hào)：

同頻干擾信號(hào)：

實(shí)際接收到的信號(hào)S：

由式（5）可知，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)相位差為0°時(shí)，疊加后幅度值最大；當(dāng)相位差為±2π/3時(shí)，疊加后幅度與原信號(hào)相等；當(dāng)相位差±π時(shí)，疊加后信號(hào)幅度為最小；信號(hào)疊加后，產(chǎn)生φ/2的相位偏移。

相位差φ1與疊加后信號(hào)幅度差異曲線，如圖5所示，橫坐標(biāo)為相位差φ［-π，π］，縱坐標(biāo)為差異值。

圖5 信號(hào)相位差與疊加幅度影響曲線

當(dāng)干擾信號(hào)與真實(shí)信號(hào)相位差φ在±2π/3點(diǎn)附近時(shí)，幅度差異值接近于0，疊加后信號(hào)的幅度變化是微弱的，其波動(dòng)小于信道噪聲的波動(dòng)門限，僅從幅度無(wú)法判斷是否發(fā)生信號(hào)疊加。由于信號(hào)疊加后，會(huì)產(chǎn)生φ/2的相位偏移，故可增加相位偏移的因素加以判斷，當(dāng)幅度無(wú)法判斷是否有干擾信號(hào)疊加時(shí)，相位的差異顯著；當(dāng)相位無(wú)法判斷時(shí)，幅度差異顯著。疊加信號(hào)相位差φ與幅度相位綜合差異值曲線圖如圖6所示，橫坐標(biāo)為疊加信號(hào)相位差φ［-π，π］，縱坐標(biāo)為幅度相位綜合差異值。當(dāng)疊加信號(hào)相位差在±2π/3點(diǎn)附近時(shí)，從幅度相位綜合差異值看，仍然有顯著的差異值，可判斷是否發(fā)生信號(hào)疊加。

圖6 信號(hào)相位差與幅度/相位綜合影響曲線

3 解決方案

為避免二次雷達(dá)在上述情況下出現(xiàn)錯(cuò)誤信息，可在信號(hào)處理前，識(shí)別干擾疊加的存在，并將其剔除，從而可避免錯(cuò)誤信號(hào)參與后續(xù)處理，造成系統(tǒng)輸出錯(cuò)誤目標(biāo)信息。

該方案處理流程包括：信號(hào)引接和采樣、正交分解、下變頻、信號(hào)幅度和相位序列提取、特征突變標(biāo)注、信號(hào)選通控制。信號(hào)處理流程如圖7所示。

圖7 流程圖

信號(hào)引接：從二次雷達(dá)接收機(jī)中頻輸出點(diǎn)，分別引接Σ、Δ、Ω通道的中頻信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散數(shù)字信號(hào)S0(t)。

正交分解：采用與中頻信號(hào)同頻的本振信號(hào)f0對(duì)三路中頻信號(hào)進(jìn)行正交分解，低通濾波，分別生成Σ、Δ、Ω的零中頻I（t）、Q（t）信號(hào)。

幅度相位序列提取：生成I（t）、Q（t）信號(hào)后，求解信號(hào)的幅度序列Amp（t）和相位序列P（t）。

真實(shí)信號(hào)與干擾信號(hào)是非相參的，存在隨機(jī)的相位差φ1，干擾信號(hào)S1(t)：

實(shí)際接收到的信號(hào)S（t）：

綜合可慮，在具體實(shí)施時(shí)，基于幅度序列Amp（t）和相位序列P（t）共同來(lái)判斷信號(hào)疊加，可覆蓋［-π，π］的范圍。幅度序列變化值ΔAmp大于門限或相位序列變化值ΔP大于門限，可判斷信號(hào)發(fā)生疊加，進(jìn)行特征突變標(biāo)注。判斷邏輯為

式中：Kamp為信號(hào)幅度變化門限值，系統(tǒng)指標(biāo)要求脈沖不平度小于1dB，該門限值根據(jù)信道特性取值，范圍在1dB～2dB之間；Kp為相位變化的門限值，系統(tǒng)通道相位噪聲小于10°，該門限值為10°。

下面說(shuō)明具體方案實(shí)施改造點(diǎn)，如圖8所示。

圖8 改進(jìn)設(shè)計(jì)原理框圖

1）信號(hào)引接：可采用耦合的方式從原系統(tǒng)的中頻點(diǎn)引接信號(hào)；

2）特征提取和匹配：處理模塊執(zhí)行采樣、正交分解、下變頻、信號(hào)幅度和相位序列提取、特征突變標(biāo)注、信號(hào)選通控制；

3）選通控制的執(zhí)行，在原系統(tǒng)中增加視頻開關(guān)，開關(guān)受選通信號(hào)控制。

對(duì)Σ、Δ、Ω通道的信號(hào)序列分別按照式（15），進(jìn)行判斷，如果三個(gè)通道信號(hào)都沒(méi)有被標(biāo)注，則可認(rèn)為信號(hào)匹配，閉合視頻開關(guān)，將信號(hào)送后續(xù)的OBA計(jì)算、RSLS處理和譯碼處理。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本方案的實(shí)施，將會(huì)減少二次雷達(dá)因環(huán)境反射多徑信號(hào)、其它設(shè)備同頻率信號(hào)干擾、多目標(biāo)信號(hào)疊加造成的錯(cuò)誤信息，從而提高二次雷達(dá)在特定環(huán)境下信號(hào)處理（OBA計(jì)算、RSLS處理和譯碼）的正確率。本方案的實(shí)施，不改變?cè)到y(tǒng)的信號(hào)處理流程，旁路處理，可在現(xiàn)有二次雷達(dá)的硬件基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)實(shí)施。