摘 要：用EPLD實現(xiàn)的單脈沖二次雷達" title="二次雷達">二次雷達應(yīng)答處理器。其主要功能包括：應(yīng)答框架脈沖檢測,，應(yīng)答信息解碼,，將應(yīng)答信息裝配成飛機的同步應(yīng)答組形成目標報告,，丟棄非同步虛假應(yīng)答。
關(guān)鍵詞：單脈沖二次雷達? 應(yīng)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(yīng),、詢問波長與應(yīng)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(shù)應(yīng)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(yīng)答處理而言,，單脈沖技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了在混疊或交織情況下對應(yīng)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(yīng)答機" title="應(yīng)答機">應(yīng)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(yīng)答機發(fā)出的應(yīng)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(yīng)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(yīng)答碼。SPI是特殊定位識別碼,，當(dāng)兩架飛機相互接近或者應(yīng)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(chǔ)上再增加一個SPI脈沖，以便準確識別,。二次雷達應(yīng)答信號組成如圖1所示,。
?
2 應(yīng)答處理器系統(tǒng)組成
??? 單脈沖二次雷達應(yīng)答信號處理的基本流程如圖2所示。
?
??? 在視頻預(yù)處理器中,，和與差支路的∑,、△視頻信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)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(yīng)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(cè)或右側(cè)的軸向指示信號BI（2位）,，送應(yīng)答處理器,；∑與Ω兩視頻幅度進行比較，產(chǎn)生表示應(yīng)答為旁瓣應(yīng)答還是主瓣應(yīng)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(yù)處理器產(chǎn)生上述信號并輸入給應(yīng)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(yīng)答報告輸出給點/航跡處理計算機,。應(yīng)答處理機系統(tǒng)的組成如圖3,。
?
??? 在應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)答信息進行解碼、去除幻影應(yīng)答,、解旁瓣應(yīng)答和軍事告急應(yīng)答,。經(jīng)過進一步相關(guān)、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(yīng)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(yīng)答機根據(jù)P1、P3與P2的幅度關(guān)系決定是否做出應(yīng)答,，對旁瓣內(nèi)的詢問不予應(yīng)答,。
??? 單脈沖二次雷達的PSV信號是由接收機和通道（∑）內(nèi)的應(yīng)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(dāng)PSV信號的寬度大于一個應(yīng)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" title="時鐘周期">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(yīng)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(jié)果的正確性,。前沿與PSV的關(guān)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(zhuǎn)化為偏離波束中心的角度。
3.4 框架檢測與應(yīng)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(yīng)于框架脈沖F1,，非延時的前沿對應(yīng)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(yīng)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(yīng)答被檢測到，框架檢測間被禁止120μs,，因為一個S模式應(yīng)答持續(xù)120μs,。
??? 應(yīng)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" title="時間間隔">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(yīng)答,。當(dāng)第一個" title="第一個">第一個應(yīng)答被檢測到，隨后21μs中檢測到的應(yīng)答為臨時應(yīng)答,，如果另外又發(fā)現(xiàn)一個重疊應(yīng)答,，這個臨時應(yīng)答就被取消此過程重復(fù)進行，直到檢測到最后一個應(yīng)答,，此應(yīng)答被保留,。因為第一個檢測到的框架肯定是真實應(yīng)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(yīng)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(dāng)一個正確的框架被檢測到,，接下來的任務(wù)就是檢測此次應(yīng)答碼的內(nèi)容,。首先，解碼過程依據(jù)每個應(yīng)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(yīng)答碼可能出現(xiàn)的位置上檢測是否有應(yīng)答脈沖出現(xiàn)?？紤]到每個應(yīng)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(yīng)的應(yīng)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(yīng)答碼的位置,。將相對于框架脈沖可能出現(xiàn)應(yīng)答碼的位置上的值與框架脈沖(非旁瓣脈沖)比較,，得出應(yīng)答碼為1或0，有以下幾種情況：
?? (1)高置信度0：在應(yīng)答碼出現(xiàn)的地方?jīng)]有檢測到應(yīng)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(yīng)答碼出現(xiàn)的地方出現(xiàn)主波束內(nèi)的應(yīng)答碼,，幅度與其對應(yīng)的參考脈沖相關(guān),，與其他應(yīng)答的參考脈沖不相關(guān)。
?? (3)低置信度0：若此應(yīng)答脈沖被標記為旁瓣應(yīng)答脈沖或此應(yīng)答脈沖與相應(yīng)的參考脈沖不相關(guān),，則與其他應(yīng)答的參考脈沖相關(guān),。
?? (4)低置信度1：主波束應(yīng)答碼存在，但與參考脈沖不相關(guān)或與另外應(yīng)答的參考脈沖相關(guān),，或既與相應(yīng)的應(yīng)答框架相關(guān)又與另外的框架相關(guān),。
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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)位進行組合,。
??? 因為最多能同時處理四個應(yīng)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(yīng)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(yīng)答或反射應(yīng)答，則用F2為參考值,。當(dāng)應(yīng)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(yīng)答碼,。SDR的工作過程與SVA類似,。把SVA代碼/置信度與相應(yīng)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(zhuǎn)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(guān)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(yīng)答處理器,，使單脈沖二次雷達達到≥400批/天線轉(zhuǎn)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.