基于和差双通道幅相特征的雷达应答脉冲提取方法

邹 亮 蒋 鑫

（四川九洲空管科技有限责任公司，四川 绵阳 621000）

民用雷达系统能够精确探测客运飞机的方位、高度以及速度信息，广泛运用于民用线路飞行等空中交通管制领域。由于航空飞行流量大幅提高，因此空域内民用雷达的应答信号越来越密集，应答脉冲交织情况越来越严重[1]。

现有的常规模式应答脉冲提取方法存在以下缺点：1） 只采用和通道的幅度信号作为脉冲提取的依据，在和通道存在脉冲交织抵消的情况下，会直接导致脉冲提取丢失。2） 只采用6 db 门限对脉冲沿进行判断，当脉冲交织部分叠加或抵消后幅度变化超过门限时，会导致脉冲伪前沿提取失败甚至造成提取脉冲分裂，最终导致脉冲提取丢失。

因此，该文提出了一种基于和/差双通道幅相特征的民用雷达应答脉冲提取方法，需要和/差双通道的幅度和相位作为输入，通过幅度和相位的变化进行脉冲提取，采用两级幅度门限判断交织脉冲的真沿/伪沿，能够有效提高脉冲以及交织脉冲的提取概率。

1 民用雷达应答脉冲及其交织特性分析

1.1 民用雷达应答脉冲序列

SSR 工作原理如下：由地面或机载询问机发起询问，机载应答机收到询问后产生应答，询问机接收到应答信号后可以计算应答机所在目标的位置[2]。

民用使用的标准SSR 常规模式应答信号如图1 所示，这些码位的代码依次是F1、C1、A1、C2、A2、C4、A4、X、B1、D1、B2、D2、B4、D4、F2 和SPI。其中：1）F1和F2 是框架脉冲，间隔20.3 μs。2）SPI 为特殊位置识别码，其位置比F2 脉冲延迟4.35 μs，且SPI 只在A 模式应答下可选。3）X 脉冲位为备用脉冲。4）F1～F2 之间的脉冲位均匀间隔1.45 μs，所有脉冲相对F1 脉冲的位置抖动为±0.1 μs。

3/A 模式为客运飞机识别码，编码顺序为{A4A2A1 B4B2B1 C4C2C1 D4D2D1}，包括12 位编码信息位可编成4 096（212）个独立的客运飞机代码，在不重复的情况下可以表示空域内的4096 架客运飞机；3/C 模式为客运飞机高度码，编码顺序为{D1D2D4 A1A2A4 B1B2B4 C1C2C4}，按照国际民用组织规定，D1 在C 模式应答下为0，因此剩余的11位编码信息位可表示-365.76 m～38 618.16 m的飞行高度，最小分辨率为30.48 m。

1.2 应答脉冲交织特性分析

在询问机的接收端，当2 个应答信号的到达时间差小于20.3 μs 时，询问机接收到的应答框架就会产生交织[3]。

在特殊情况下甚至会出现码元脉冲交叠（如图2 所示），存在脉冲叠加或抵消等2 种异常现象，导致接收机输出的视频脉冲发生畸变，该干扰易使译码系统因脉宽判断错误而导致误码或无法译码[3]。

图2 两重交叠脉冲PSV 提取示意图

2 民用雷达应答脉冲提取方法

由于多个客运飞机的应答脉冲可能存在不同程度的交织或交叠，另外，模拟部分可能出现干扰，因此接收到的脉冲视频信号是一个从尖锋干扰信号到长电平的情况，对单脉冲民用雷达的译码处理来说，需要从接收到的视频信号中提取单个或多个的脉冲信号的上升沿，这就是应答脉冲信号提取[1]。

2.1 传统的应答脉冲提取方法

传统的应答脉冲提取方法分为2 个主要步骤，即脉冲PSV 处理和脉冲沿提取。传统的脉冲提取方法只使用了和通道幅度信号，差通道幅度信号只用于单脉冲测角计算，并且没有使用相位信息。

2.1.1 脉冲PSV 处理

脉冲PSV 处理，通过门限判断的方式得到PSV 信号，分为脉冲主体判断和脉冲沿判断等主要步骤：1）使用和通道幅度与灵敏度门限（灵敏度门限设置为大于通道噪声的固定门限）比较的方法提取脉冲主体PSV 信号，考虑实际信号上升沿和下降沿的变化需要时间，该步骤得到的PSV信号比实际的脉冲宽度更宽。2）按照0.15 μs、6 db 的判断条件，识别脉冲信号的前/后沿位置。3）同时满足上述2 个条件，得到脉冲的PSV 信号输出。

如图2 所示，在2 个脉冲交叠的情况下，如果交叠部分脉冲幅度变化超过6 dB，就可能提取脉冲PSV 信号出现分裂变窄，导致下一步脉冲沿提取出现异常。

2.1.2 脉冲沿的提取

在上一节提取的脉冲PSV 信号的基础上，根据脉冲PSV 信号的宽度对脉冲沿信号进行判断，完成应答脉冲的提取工作：1）当PSV 脉冲信号的脉宽大于或等于0.35 μs时，判断上升沿输出为脉冲前沿信号ALE（前沿）。2）当PSV 脉冲信号的脉宽大于或等于0.6 μs 时，在提前下降沿0.45 μs 处输出脉冲沿信号PLE。3）当PSV 脉冲信号的脉宽大于或等于0.95 μs 并且小于或等于1.3 μs 时，在距上升沿后0.45 μs 处输出脉冲沿信号XLE（认为是多个脉冲交织情况下的第二个脉冲的前沿，伪前沿）。3） 脉冲沿组合输出PsvEdge=ALE|PLE|XLE。当对三重及以上的脉冲交织进行处理时，该方法可能导致PLE、XLE 脉冲沿提取丢失或者导致提取结果与实际脉冲沿位置存在偏差。

2.2 基于和差双通道幅相特征的应答脉冲提取方法

该文提出的基于和差双通道幅相特征的应答脉冲提取方法同样分为脉冲PSV 处理和脉冲沿提取2 个步骤，但是脉冲PSV 处理分为和/差2 个通道并行处理，脉冲沿提取分为和幅度、差幅度以及和/差相位3 个通道并行处理，最后按照一定规则将3 个通道提取的脉冲沿信号相关联得到最终输出的脉冲沿信号PsvEdge。

2.2.1 脉冲PSV 处理

该文采用的脉冲PSV 处理方法分别使用和、差通道的幅度作为2 个处理通道的输入独立进行处理（如图3 所示），每个独立通道的处理包括以下2 个步骤：1）为了尽可能准确地判断出脉冲的前/后沿，采用6 dB 门限判断的方式进行有效脉冲提取。当信号大于噪声门限且满足6 dB门限的上升沿和下降沿判断条件时，提取6 dB 脉冲信号EPSV。2）交织脉冲顶部幅度变化可能超过6 dB，为了避免由此导致的脉冲分裂，尽可能检测出有效脉冲，采用噪声门限对有效脉冲进行提取。当信号大于噪声门限时，提取底噪脉冲信号NPSV。

图3 和/差通道幅相提取脉冲沿示意图

2.2.2 脉冲沿的提取

为了更准确以及更高概率地提取信号脉冲沿的位置，该方法先选择和幅度、差幅度以及和/差相位差等3 个独立通路提取脉冲沿，再按照一定的规则融合判断脉冲沿，得到最终用于应答框架判断的脉冲沿序列。

和、差幅度通道提取的脉冲沿分为真脉冲沿ALE 和伪脉冲沿ELE，和/差相位差通道提取的脉冲沿为相位伪脉冲沿PELE，如图3 所示。

2.2.2.1 幅度真脉冲沿提取

取EPSV 信号的前沿为真脉冲沿ALE。由于当脉冲交叠时，EPSV 存在分裂的可能性相对较大，因此为了尽可能减少脉冲沿的判断丢失，此处通过判断NPSV 宽度来确定是否存在（两重或以上）交织脉冲，即从EPSV 的后沿开始计算，当此前NPSV 宽度大于或等于0.6 μs 时，认为存在交叠脉冲，提前该EPSV 后沿0.45 μs 处存在幅度真脉冲沿PLE。

2.2.2.2 幅度伪脉冲沿提取

当NPSV 信号有效时，判断脉冲顶部的细微沿信号变化。

通常情况下，对接收脉冲信号顶部的一致性要求小于或等于1 dB，据此设置脉冲顶部的细微沿信号变化的幅度门限为1.5 dB（可随系统特性进行调整），时间门限为0.1 μs。

2.2.2.3 相位伪脉冲沿提取

当应答脉冲存在交叠时，会导致脉冲信号和/差通道相位差发生变化，因此，可以根据和/差通道相位差满足±90°的规律判断脉冲交织。

但是在实际系统中，当目标方位距离波束中心越近时，相位准则的偏差越大，因此可以根据系统实际的通道特性进行目标适应性筛选。由于目标方位距离波束中心的偏差角与和/差通道的幅度差存在相关性，因此可以通过设置目标信号和/差通道的幅度差门限来进行目标适应性筛选，可以设置当目标信号和/差幅度差小于或等于20 dB时，适用于进行相位伪脉冲沿的提取。

通常情况下，可设置相位差变化门限为10°、时间门限为0.1 μs，在EPSV 有效位置，当和/差通道相位差超过（90±10）°范围时，认为脉冲存在交叠。

2.2.2.4 伪脉冲沿容错处理

提取的真、伪脉冲沿对应的脉冲信号可能存在重复（脉冲前后沿的关系），需要以真脉冲沿为基准对伪脉冲沿进行滤除，还需要根据以下条件判断识别该位置是否为有效的ELE、PELE。

伪脉冲前沿判断条件：1）该位置±0.1 μs 内不存在真脉冲沿。2）该位置往前推算（0.45±0.1） μs 内不存在真脉冲沿。3）该位置往后推算，底噪脉冲宽度大于或等于0.45 μs。

伪脉冲后沿判断条件：1）该位置往前推算（0.45±0.1） μs内不存在真脉冲沿。2）该位置往前推算，底噪脉冲宽度大于或等于0.45 μs。

2.2.2.5 脉冲沿融合处理

结合上述和幅度、差幅度以及和/差相位差等3 个独立通路提取得到的幅度真脉冲沿ALEPLE、幅度伪脉冲沿ELE 以及相位伪脉冲沿PELE，以时间最先检测到的真脉冲沿为基准剔除位置重叠在±0.1 μs 内的伪脉冲沿以及当前沿位置后0.1 μs 内的真脉冲沿，得到最终的脉冲沿PSVEDGE 输出。

3 脉冲提取算法仿真验证

为了验证该文提出的脉冲提取方法的实现效果，下面给出1 组三重应答交织的数据，交织的代码分别为7777、6666 和5555。

验证结果如图4 所示，使用噪声门限和6 dB 门限对应答脉冲完成PSV 提取处理，得到EPSV 和NPSV，能够有效防止出现因PSV 脉冲分裂而导致脉冲沿提取失败的情况；采用该文所述的脉冲沿提取方法能够在提取ALE、ELE 以及PELE 的基础上，最终融合得到正确的脉冲沿信号，对交织应答信号完成解析，识别正确的应答代码。

图4 脉冲提取仿真

4 结语

该文提出了一种基于和/差双通道幅相特征的民用雷达应答脉冲提取方法，由于在脉冲交织的情况下和/差通道的幅度同时被叠加或抵消的概率较小，因此采用和/差双通道的幅度作为脉冲提取的依据，能够有效提高脉冲的提取概率。由于在有效的波束宽度内，没有交织的脉冲的和/差2 个通道信号存在稳定的相位差，因此可以采用相位差的变化来判断脉冲交织的位置，提取脉冲的伪沿，能够有效提高交织脉冲的提取概率。采用两级门限进行脉冲沿判断，即采用6 db 门限判断脉冲真沿以及采用1.5 db 门限判断脉冲伪沿，能够有效提高交织脉冲的提取概率。