摘 要：用EPLD實現(xiàn)的單脈沖二次雷達應答處理器。其主要功能包括：應答框架脈沖檢測，應答信息解碼，將應答信息裝配成飛機的同步應答組形成目標報告，丟棄非同步虛假應答。
關鍵詞：單脈沖二次雷達 應答模式 EPLD
1 一次雷達與二次雷達
二次雷達與一次雷達基本上是并行發(fā)展的。與一次雷達相比，二次雷達有回波強、無目標閃爍效應、詢問波長與應答波長不等的特點，從而消除了地物雜波和氣象雜波的干擾。單脈沖技術應用于二次雷達，可以方便地基于多個波束對目標測量，進而有效地增加數(shù)據(jù)冗余度，提高角度測量的精度。對應答處理而言，單脈沖技術的應用，大大提高了在混疊或交織情況下對應答碼的解碼能力，使單脈沖二次雷達與常規(guī)二次雷達相比實現(xiàn)了一次質(zhì)的飛躍。
二次雷達與一次雷達的根本區(qū)別是工作方式不同。一次雷達依靠目標對雷達發(fā)射的電磁波的反射機理工作，它可以主動發(fā)現(xiàn)目標并對目標定位;二次雷達則是在地面站和目標應答機的合作下，采用問答模式工作。目前的航管二次雷達共有七種詢問模式，分別稱為1、2、3/A、B、C、D和S模式。根據(jù)詢問脈沖P1與P3 的間距決定(S模式除外)各種詢問模式。
機載應答機發(fā)出的應答碼由16個信息碼位組成，這些碼位的代號依次是 F1、C1、A1、C2、A2、C4、A4、X、B1、D1、B2、D2、B4、D4、F2 和SPI。每個碼位都有兩種狀態(tài)，即有脈沖或無脈沖。有脈沖時為“1”，無脈沖時為“0”。F1與F2的0.5電平處的脈沖前沿間隔為 20.3±0.1μs，稱為框架脈沖，它們是二次雷達應答信號的標志脈沖，均恒為“1”狀態(tài)。X位是備用狀態(tài)，恒為“0”。兩個框架脈沖(F1與F2)之間的12個信息碼位，可以編成4 096個獨立的應答碼。SPI是特殊定位識別碼，當兩架飛機相互接近或者應答碼相同時，調(diào)度員可以要求其中的一架飛機在已回答的12個碼位基礎上再增加一個SPI脈沖，以便準確識別。二次雷達應答信號組成如圖1所示。
2 應答處理器系統(tǒng)組成
單脈沖二次雷達應答信號處理的基本流程如圖2所示。
在視頻預處理器中，和與差支路的∑、△視頻信號，經(jīng)A/D轉換器進行數(shù)字化處理后，變成兩組8位的數(shù)字信號傳送給應答處理機;將∑接收單元與△接收單元的信號經(jīng)相位鑒別器，生成表示目標在波束中心左側或右側的軸向指示信號BI(2位)，送應答處理器;∑與Ω兩視頻幅度進行比較，產(chǎn)生表示應答為旁瓣應答還是主瓣應答的RSLS(1位);接收信號經(jīng)6dB檢測、反窄處理、二分層產(chǎn)生PSV(處理后的和視頻，1位)。視頻預處理器產(chǎn)生上述信號并輸入給應答處理機，進行框架檢測、和差比計算、碼裝配等處理，最終形成應答報告輸出給點/航跡處理計算機。應答處理機系統(tǒng)的組成如圖3。
在應答處理機中選用了Lattice公司的EPLD作為主處理芯片(ispLSI1032E)。該芯片有64個I/O端，8個指定輸入端，6 000個邏輯門，192個寄存器，最大時延≤12ns，通過簡單的5線接口，即可用PC機對線路板上菊花鏈結構的最多8個芯片進行編程。PC104是嵌入式計算機，其CPU是一片兼容的64位第六代處理器，運行速度可達300MHz，其圖形處理器可支持各種LCD及TFT顯示屏，同時支持PS/2鍵盤、 PS/2鼠標、兩串行接口、一并行接口、USB接口、聲卡功能。
應答處理機的工作原理：1位PSV、8位和視頻、8位差視頻、2位軸向指示及1位接收旁瓣抑制信號，在經(jīng)過輸入緩沖并與系統(tǒng)時鐘信號同步后，其中的PSV 信號進入邊沿產(chǎn)生電路，所產(chǎn)生的前沿延遲一個框架時間(20.3μs)后與未延遲的前沿信號相與給出目標框架，啟動4個解碼器中處于空閑狀態(tài)的裝配器開始解碼工作，產(chǎn)生解碼需要的定時脈沖序列。同時和視頻、差視頻、軸向指示、旁瓣抑制信號送入視頻采樣電路，經(jīng)過視頻采樣產(chǎn)生的SVA(和視頻幅度)和 DVA(差視頻幅度)經(jīng)和差比計算電路產(chǎn)生SDR值，SVA、DVA、SDR送數(shù)字寄存器進行延遲，延遲及未延遲的SVA、SDR、軸向指示、接收旁瓣抑制和目標前沿信號一起送入代碼裝配器，在定時脈沖的作用下，對目標應答信息進行解碼、去除幻影應答、解旁瓣應答和軍事告急應答。經(jīng)過進一步相關、確認和修正后，將目標的SVA和SDR代碼、綜合的代碼置信度信息及一些標志信息送代碼裝配總線，在輸出控制的情況下依次寫入先進先出(FIFO)，PC機依次讀出GPS時間信息及FIFO中的目標報告。
3 系統(tǒng)的具體實現(xiàn)
3.1 旁瓣抑制與邊沿提取
近距離的飛機能夠被天線的旁瓣探測到，但如果沒有特殊的旁瓣抑制措施，就會使地面接收裝置接收到來自旁瓣的應答信息，從而夸大飛機的數(shù)量。P2作為旁瓣抑制脈沖由Ω通道發(fā)射，在天線的主瓣波束內(nèi)，P1與P3的幅度會高于P2，而在天線的旁瓣內(nèi)，P2會高于P1與P3，機載應答機根據(jù)P1、P3與P2的幅度關系決定是否做出應答，對旁瓣內(nèi)的詢問不予應答。
單脈沖二次雷達的PSV信號是由接收機和通道(∑)內(nèi)的應答信號，經(jīng)過特定門限電平進行二值化處理后輸出的0或1電平。前后沿的提取，可以將PSV信號輸入兩個寄存器，通過與門電路實現(xiàn)。實現(xiàn)電路如圖4所示。
ALE與ATE分別是與時鐘脈寬(0.1208μs)相同的前沿與后沿。當PSV信號的寬度大于一個應答碼的寬度時，就認為接收到的是兩個或多個脈沖的混疊，于是產(chǎn)生了一個偽前沿(PLE)。PLE的產(chǎn)生時間是從ATE開始向前數(shù)四個時鐘周期(因為一個標準的脈沖寬度為四個時鐘周期)，如果PSV的脈寬更長，可認為有更多個應答脈沖的交疊，一個額外前沿(XLE)在ALE與PLE之間產(chǎn)生，在以后的處理中只用于幫助判斷結果的正確性。前沿與PSV的關系如圖5所示。
3.2 視頻采樣
視頻采樣分為ALE采樣與PLE采樣。
ALE采樣使用了4×4寄存器陣列，這樣就能夠存儲多于一個的采樣值。為確保寄存器陣列的建立與保持時間，ALE脈沖經(jīng)一級觸發(fā)后，由延遲器產(chǎn)生一個 40μs的延遲，并限制寫脈沖到30μs。寄存器陣列的寫地址由4位計數(shù)器產(chǎn)生，每個采樣脈沖計數(shù)器加1。PLE采樣與ALE采樣電路不同之處是它只需要存儲一個PLE采樣值。本系統(tǒng)的采樣時鐘為8.276MHz。
3.3 SDR計算
由于SDR模塊中采用了對數(shù)運算，所以在進行和幅度與差幅度比值的運算時，只需要將差信號反相后接在加法器的輸入端。除在波束中心外的和信號小于差信號外，△-∑在波束中心出現(xiàn)負峰值，所以在負峰值最大處為波束的中心。根據(jù)其他△-∑的值并參照負峰值，可轉化為偏離波束中心的角度。
3.4 框架檢測與應答解碼
正常情況下，兩個框架脈沖的間隔為20.3±0.1μs，因此，一個框架就認為兩個前沿間有167、168或169個時鐘周期。本系統(tǒng)框架脈沖的檢測是根據(jù)比較延時的前沿與非延時情況下的重合情況，如圖6所示。延時的前沿對應于框架脈沖F1，非延時的前沿對應脈沖F2，F(xiàn)1相對于F2延時20.3μs。由于F2相對于F1有3個時鐘脈沖的變化范圍，所以F2與F1的前沿延時167、168或169個時鐘周期的任一個對齊，都認為是一個正確的框架。
以下三種情況下框架檢測將被禁止：
(1)F1、F2都是來自旁瓣的應答信號;
(2)兩個相鄰的框架之間的間隔小于3個時鐘周期;
(3)S模式的頭應答被檢測到，框架檢測間被禁止120μs，因為一個S模式應答持續(xù)120μs。
應答信息相互交織產(chǎn)生幻影框架，如圖7所示。假如只用框架脈沖間的時間間隔為20.3μs的原則檢測，可檢測到4個框架脈沖對，框架檢測器不能區(qū)分“虛假”框架和來自飛機的真實框架脈沖對。
補救措施是同時只處理兩個應答。當?shù)谝粋€應答被檢測到，隨后21μs中檢測到的應答為臨時應答，如果另外又發(fā)現(xiàn)一個重疊應答，這個臨時應答就被取消此過程重復進行，直到檢測到最后一個應答，此應答被保留。因為第一個檢測到的框架肯定是真實應答，沒有更早的脈沖產(chǎn)生錯誤框架。同樣，最后一個框架肯定是真實應答，沒有更晚的脈沖能產(chǎn)生錯誤框架，中間檢測到的框架是可疑的，假定它們不正確。
當一個正確的框架被檢測到，接下來的任務就是檢測此次應答碼的內(nèi)容。首先，解碼過程依據(jù)每個應答碼間的時間間隔都是1.45μs，SPI與F2間的時間間隔是4.35μs，因此在離框架脈沖各個應答碼可能出現(xiàn)的位置上檢測是否有應答脈沖出現(xiàn)?？紤]到每個應答碼與框架脈沖間的時間間距有一定的允許誤差，在距框架脈沖相應的應答碼出現(xiàn)的位置上，提前或延后一個時鐘周期都認為是正確應答碼的位置。將相對于框架脈沖可能出現(xiàn)應答碼的位置上的值與框架脈沖(非旁瓣脈沖)比較，得出應答碼為1或0，有以下幾種情況：
(1)高置信度0：在應答碼出現(xiàn)的地方?jīng)]有檢測到應答脈沖的存在，若僅以幅度測量，則僅出現(xiàn)低幅度值。
(2)高置信度1：在應答碼出現(xiàn)的地方出現(xiàn)主波束內(nèi)的應答碼，幅度與其對應的參考脈沖相關，與其他應答的參考脈沖不相關。
(3)低置信度0：若此應答脈沖被標記為旁瓣應答脈沖或此應答脈沖與相應的參考脈沖不相關，則與其他應答的參考脈沖相關。
(4)低置信度1：主波束應答碼存在，但與參考脈沖不相關或與另外應答的參考脈沖相關，或既與相應的應答框架相關又與另外的框架相關。
3.5 碼裝配
碼裝配包括SVA代碼裝配器和SDR代碼裝配器兩部分。SVA代碼裝配器的功能根據(jù)SVA平均值進行置信度確定，產(chǎn)生對應的置信度碼位;SDR代碼裝配器的功能是檢測到一個框架對 F1、F2時，便檢查該應答脈沖的內(nèi)容。對每個代碼位，根據(jù)SDR 平均值進行置信度確定，產(chǎn)生對應的置信度碼位，然后將該代碼和置信度位與來自SVA裝配器的相應位進行組合。
因為最多能同時處理四個應答，故有四組相同的SVA代碼裝配器和SDR代碼裝配器。其主要工作原理是：為了求得SVA的平均值，需要在一個應答的起始時刻建立一個SVA的參考值。一般情況下，以F1為參考值，若F1為旁瓣應答或反射應答，則用F2為參考值。當應答碼與參考值相比，得到一個高置信度碼時，產(chǎn)生的SVA值才被認為是一個應答碼。SDR的工作過程與SVA類似。把SVA代碼/置信度與相應的SDR代碼/置信度進行組合，串行輸出的代碼和置信度碼經(jīng)過串-并轉換輸出到FIFO，計算機(PC104)讀取FIFO的內(nèi)容，送給點/航跡計算機處理，顯示飛機的相關信息。
二次雷達在民航系統(tǒng)和軍用敵我識別系統(tǒng)中起著非常重要的作用。隨著飛機密度的增加，對二次雷達的性能提出了更高的要求。利用上述應答處理器，使單脈沖二次雷達達到≥400批/天線轉的處理能力，同時提高了處理精度，減小了系統(tǒng)的體積，增加了靈活性。
參考文獻
[1] STEVENS M C.Secondary surveillance radar：Artech House.Boston and London，1988.
[2] 山秀明.航管二次雷達.北京：國防工業(yè)出版社，1983.
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