基于二次雷达通道信号细微特征的信号配对方法*

李武旭 李海军

（四川九洲空管科技有限责任公司 绵阳 621000）

1 引言

二次监视雷达（SSR）通过对空中飞行目标应答信号处理，实现对目标的定位，为管制员提供空域交通态势信息。

二次雷达天线有三个信号通道，分别是Σ、Δ、Ω通道，二次雷达通过其天线接收空中飞机的二次雷达回波信号，信号经滤波、放大、检波处理，分别形成Σ、Δ、Ω三路视频信号，信号处理模块根据三路信号的幅度信息进行接收旁瓣抑制处理（Received Side-Lobe Suppression，RSLS）、偏离视轴角计算（OBA）和SSR译码处理。RSLS处理：信号处理模块在时域上对Σ信号与Ω信号强度进行对比，如果Σ信号强度大于等于Ω信号强度，则当作主瓣的信号保留，送后续译码处理，如果Σ信号强度小于Ω信号强度，则当作旁瓣的信号抑制；OBA计算：信号处理模块将时域上对应的Δ信号与Σ信号幅度进行差值计算，根据差值得出目标与波束法线间的夹角；SSR译码处理：信号处理模块根据应答标准脉冲序列，从Σ视频中进行应答脉冲框架提取和代码信息提取。二次雷达接收信号处理如图1所示。

图1 二次雷达接收信号处理框图

二次雷达天线的Σ、Δ、Ω三个通道由于其波束覆盖范围不同，所以三个通道在相同时刻有可能接收到不同来源的信号，例如：环境反射造成的多径信号、其它设备同频率信号干扰、多目标信号叠加。同频信号叠加，相位差在（-2π/3，2π/3）区间，叠加后信号增强，相位差-2π/3和2π/3时，叠加后信号强度不变，相位差在（-2π/3，-π）（2π/3，π）区间，叠加后信号减弱。干扰信号叠加会造成天线三个通道的输入信号不同，而信号处理模块是根据Σ、Δ、Ω三个通道的信号幅度相对关系进行处理，所以当有环境反射造成的多径、同频率信号干扰或多目标信号叠加情况存在时，三个通道的信号幅度就偏离了真实情况，从而导致二次雷达信号处理（RSLS、OBA测角和译码功能）异常。

图2 二次雷达天线波束方向图

2 通道信号干扰特性分析

2.1 实际环境中的反射干扰情况

二次雷达在实际运用环境中，会面对很多的同步反射干扰的情况，在询问和应答信号通过相同路径反射情况下，经常会造成真实目标代码跳变，或在多个方位上出现多条虚假的目标。

电磁波波遇到障碍物反射是一定有衰减的，所以直达波的信号幅度一定是大于反射波信号。基于上述观点，针对如图3所示的反射情况，在后端点航迹处理时采用幅度判断的方法，相似的信号，保留幅度强的信号，剔除较弱的信号。不过由于在实际环境中存在以下几种情况是该方法不能处理的：

图3 反射干扰情况

1）天线所接收的信号，可能是多个反射信号叠加，可能造成反射信号幅度大于真实的直达信号，各通道信号幅度不一致的变化；

2）直达信号被环境障碍遮挡，二次雷达只能接收到反射信号时；

3）Σ、Δ、Ω三个通道覆盖范围不同，三个通道有不同的叠加，最终所接收的信号结果偏离实际，导致错误的接收旁瓣抑制，错误的偏离视轴角计算；

4）反射信号与直达信号相互叠加，造成脉冲波形宽度和幅度产生不可预知的变化，如图4所示，错误的视频信号，最终导致错误的译码信息。

图4 正常及反射应答信号包络对比

2.2 信号叠加特性分析

二次雷达信号是ASK调制，一个应答机所发射的应答信号各脉冲相位是连续的。真实信号与干扰信号是非相参的，存在随机的相位差φ1，

应答机发射信号：

同频干扰信号：

实际接收到的信号S：

由式（5）可知，当两个信号相位差为0°时，叠加后幅度值最大；当相位差为±2π/3时，叠加后幅度与原信号相等；当相位差±π时，叠加后信号幅度为最小；信号叠加后，产生φ/2的相位偏移。

相位差φ1与叠加后信号幅度差异曲线，如图5所示，横坐标为相位差φ［-π，π］，纵坐标为差异值。

图5 信号相位差与叠加幅度影响曲线

当干扰信号与真实信号相位差φ在±2π/3点附近时，幅度差异值接近于0，叠加后信号的幅度变化是微弱的，其波动小于信道噪声的波动门限，仅从幅度无法判断是否发生信号叠加。由于信号叠加后，会产生φ/2的相位偏移，故可增加相位偏移的因素加以判断，当幅度无法判断是否有干扰信号叠加时，相位的差异显著；当相位无法判断时，幅度差异显著。叠加信号相位差φ与幅度相位综合差异值曲线图如图6所示，横坐标为叠加信号相位差φ［-π，π］，纵坐标为幅度相位综合差异值。当叠加信号相位差在±2π/3点附近时，从幅度相位综合差异值看，仍然有显著的差异值，可判断是否发生信号叠加。

图6 信号相位差与幅度/相位综合影响曲线

3 解决方案

为避免二次雷达在上述情况下出现错误信息，可在信号处理前，识别干扰叠加的存在，并将其剔除，从而可避免错误信号参与后续处理，造成系统输出错误目标信息。

该方案处理流程包括：信号引接和采样、正交分解、下变频、信号幅度和相位序列提取、特征突变标注、信号选通控制。信号处理流程如图7所示。

图7 流程图

信号引接：从二次雷达接收机中频输出点，分别引接Σ、Δ、Ω通道的中频信号，对信号进行采样，从模拟信号转变为离散数字信号S0(t)。

正交分解：采用与中频信号同频的本振信号f0对三路中频信号进行正交分解，低通滤波，分别生成Σ、Δ、Ω的零中频I（t）、Q（t）信号。

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

真实信号与干扰信号是非相参的，存在随机的相位差φ1，干扰信号S1(t)：

实际接收到的信号S（t）：

综合可虑，在具体实施时，基于幅度序列Amp（t）和相位序列P（t）共同来判断信号叠加，可覆盖［-π，π］的范围。幅度序列变化值ΔAmp大于门限或相位序列变化值ΔP大于门限，可判断信号发生叠加，进行特征突变标注。判断逻辑为

式中：Kamp为信号幅度变化门限值，系统指标要求脉冲不平度小于1dB，该门限值根据信道特性取值，范围在1dB～2dB之间；Kp为相位变化的门限值，系统通道相位噪声小于10°，该门限值为10°。

下面说明具体方案实施改造点，如图8所示。

图8 改进设计原理框图

1）信号引接：可采用耦合的方式从原系统的中频点引接信号；

2）特征提取和匹配：处理模块执行采样、正交分解、下变频、信号幅度和相位序列提取、特征突变标注、信号选通控制；

3）选通控制的执行，在原系统中增加视频开关，开关受选通信号控制。

对Σ、Δ、Ω通道的信号序列分别按照式（15），进行判断，如果三个通道信号都没有被标注，则可认为信号匹配，闭合视频开关，将信号送后续的OBA计算、RSLS处理和译码处理。

4 结语

通过本方案的实施，将会减少二次雷达因环境反射多径信号、其它设备同频率信号干扰、多目标信号叠加造成的错误信息，从而提高二次雷达在特定环境下信号处理（OBA计算、RSLS处理和译码）的正确率。本方案的实施，不改变原系统的信号处理流程，旁路处理，可在现有二次雷达的硬件基础上进行改进实施。