基于和差雙通道幅相特征的雷達應答脈沖提取方法

鄒 亮 蔣 鑫

（四川九洲空管科技有限責任公司，四川 綿陽 621000）

民用雷達系統能夠精確探測客運飛機的方位、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域。由于航空飛行流量大幅提高，因此空域內民用雷達的應答信號越來越密集，應答脈沖交織情況越來越嚴重[1]。

現有的常規模式應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，在和通道存在脈沖交織抵消的情況下，會直接導致脈沖提取丟失。2） 只采用6 db 門限對脈沖沿進行判斷，當脈沖交織部分疊加或抵消后幅度變化超過門限時，會導致脈沖偽前沿提取失敗甚至造成提取脈沖分裂，最終導致脈沖提取丟失。

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應答脈沖提取方法，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 民用雷達應答脈沖及其交織特性分析

1.1 民用雷達應答脈沖序列

SSR 工作原理如下：由地面或機載詢問機發起詢問，機載應答機收到詢問后產生應答，詢問機接收到應答信號后可以計算應答機所在目標的位置[2]。

民用使用的標準SSR 常規模式應答信號如圖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）個獨立的客運飛機代碼，在不重復的情況下可以表示空域內的4096 架客運飛機；3/C 模式為客運飛機高度碼，編碼順序為{D1D2D4 A1A2A4 B1B2B4 C1C2C4}，按照國際民用組織規定，D1 在C 模式應答下為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 應答脈沖交織特性分析

在詢問機的接收端，當2 個應答信號的到達時間差小于20.3 μs 時，詢問機接收到的應答框架就會產生交織[3]。

在特殊情況下甚至會出現碼元脈沖交疊（如圖2 所示），存在脈沖疊加或抵消等2 種異常現象，導致接收機輸出的視頻脈沖發生畸變，該干擾易使譯碼系統因脈寬判斷錯誤而導致誤碼或無法譯碼[3]。

圖2 兩重交疊脈沖PSV 提取示意圖

2 民用雷達應答脈沖提取方法

由于多個客運飛機的應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，這就是應答脈沖信號提取[1]。

2.1 傳統的應答脈沖提取方法

傳統的應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 信號出現分裂變窄，導致下一步脈沖沿提取出現異常。

2.1.2 脈沖沿的提取

在上一節提取的脈沖PSV 信號的基礎上，根據脈沖PSV 信號的寬度對脈沖沿信號進行判斷，完成應答脈沖的提取工作：1）當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。當對三重及以上的脈沖交織進行處理時，該方法可能導致PLE、XLE 脈沖沿提取丟失或者導致提取結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，最后按照一定規則將3 個通道提取的脈沖沿信號相關聯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）為了盡可能準確地判斷出脈沖的前/后沿，采用6 dB 門限判斷的方式進行有效脈沖提取。當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行提取。當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，再按照一定的規則融合判斷脈沖沿，得到最終用于應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，當此前NPSV 寬度大于或等于0.6 μs 時，認為存在交疊脈沖，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NPSV 信號有效時，判斷脈沖頂部的細微沿信號變化。

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，據此設置脈沖頂部的細微沿信號變化的幅度門限為1.5 dB（可隨系統特性進行調整），時間門限為0.1 μs。

2.2.2.3 相位偽脈沖沿提取

當應答脈沖存在交疊時，會導致脈沖信號和/差通道相位差發生變化，因此，可以根據和/差通道相位差滿足±90°的規律判斷脈沖交織。

但是在實際系統中，當目標方位距離波束中心越近時，相位準則的偏差越大，因此可以根據系統實際的通道特性進行目標適應性篩選。由于目標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性，因此可以通過設置目標信號和/差通道的幅度差門限來進行目標適應性篩選，可以設置當目標信號和/差幅度差小于或等于20 dB時，適用于進行相位偽脈沖沿的提取。

通常情況下，可設置相位差變化門限為10°、時間門限為0.1 μs，在EPSV 有效位置，當和/差通道相位差超過（90±10）°范圍時，認為脈沖存在交疊。

2.2.2.4 偽脈沖沿容錯處理

提取的真、偽脈沖沿對應的脈沖信號可能存在重復（脈沖前后沿的關系），需要以真脈沖沿為基準對偽脈沖沿進行濾除，還需要根據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 內不存在真脈沖沿。2）該位置往前推算（0.45±0.1） μs 內不存在真脈沖沿。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剔除位置重疊在±0.1 μs 內的偽脈沖沿以及當前沿位置后0.1 μs 內的真脈沖沿，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效果，下面給出1 組三重應答交織的數據，交織的代碼分別為7777、6666 和5555。

驗證結果如圖4 所示，使用噪聲門限和6 dB 門限對應答脈沖完成PSV 提取處理，得到EPSV 和NPSV，能夠有效防止出現因PSV 脈沖分裂而導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 的基礎上，最終融合得到正確的脈沖沿信號，對交織應答信號完成解析，識別正確的應答代碼。

圖4 脈沖提取仿真

4 結語

該文提出了一種基于和/差雙通道幅相特征的民用雷達應答脈沖提取方法，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，能夠有效提高脈沖的提取概率。由于在有效的波束寬度內，沒有交織的脈沖的和/差2 個通道信號存在穩定的相位差，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。