多點定位場面監(jiān)視雷達(dá)信號處理方法研究

顏波濤，周 喃

（中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥230088）

0 引 言

多點定位機場場監(jiān)雷達(dá)通過接收民航飛機應(yīng)答脈沖信號探測目標(biāo)的空間位置，提供機場地面及附近空域中各目標(biāo)的位置，實現(xiàn)機場區(qū)對飛機的精確定位和識別，改善繁忙機場的場面監(jiān)視能力，提高機場的安全性［1］。信號處理是整個雷達(dá)系統(tǒng)的核心——如何正確捕捉應(yīng)答信號脈沖串，解決到達(dá)時間（TOA）高精度的測時，并進(jìn)行目標(biāo)定位解算是實現(xiàn)多點定位的關(guān)鍵。

1 多點定位場監(jiān)雷達(dá)定位原理

多點定位機場場監(jiān)雷達(dá)是通過布置在機場附近的各傳感器（遠(yuǎn)端單元）捕獲飛機（車輛）的應(yīng)答信號，各遠(yuǎn)端站利用捕獲到的飛機應(yīng)答脈沖信號進(jìn)行脈沖串檢測、應(yīng)答信號解碼，測量出各站接收到應(yīng)答信號的到達(dá)時間，并將檢測到的應(yīng)答信號到達(dá)時間和應(yīng)答碼送至中心站匹配，利用多站TOA解算出目標(biāo)的具體位置［2－3］，定位技術(shù)原理圖見圖1。

2 信號處理設(shè)計實現(xiàn)

多點定位機場場監(jiān)雷達(dá)信號處理分系統(tǒng)分為信號處理A（遠(yuǎn)端站）與信號處理B（中心站）2個部分實現(xiàn)。

圖1 多站TOA時差定位技術(shù)原理圖

2.1 遠(yuǎn)端站信號處理實現(xiàn)方法

遠(yuǎn)端站需要完成應(yīng)答信號脈沖檢測、框架檢測、去混疊處理、解碼，脈沖TOA測量、目標(biāo)數(shù)據(jù)包處理等功能［4］。

遠(yuǎn)端站的功能框圖如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)端站信號處理系統(tǒng)功能框圖

2.1.1 脈沖檢測模塊設(shè)計

應(yīng)答碼是一串脈沖信號，信號處理的首要環(huán)節(jié)就是把接收到的應(yīng)答信號形成滿足脈沖特性的脈沖信號。各個站點分布處于不同地點，接收機也是獨立的，信號強弱不等，為保證前后沿統(tǒng)一，需要分析脈沖前后沿特性。圖3中橫向為時間，單位0.05 μs；縱向為線性幅度，歸一化值為1。

圖3 脈沖信號與經(jīng)過低通系統(tǒng)后的波形對比

由圖3可見，前、后沿在采集脈沖信號均值的0.5的位置。對于對數(shù)信號，前后沿位置為比脈沖幅度小6dB的位置。選取適當(dāng)?shù)墓潭ㄩT限加噪聲門限，大于門限認(rèn)為1，否則為0。脈沖檢測時采用滑窗檢測法，滿足N／M準(zhǔn)則，則認(rèn)為是脈沖信號。若脈沖過寬，則認(rèn)為是干擾信號（如雷達(dá)脈沖信號或電臺信號的諧波），予以剔除。

2.1.2 框架檢測與解碼

當(dāng)飛機上的應(yīng)答機收到二次雷達(dá)地面站的詢問信號后，就根據(jù)詢問模式自動回答一串脈沖，這串脈沖稱為應(yīng)答碼。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2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(dá)應(yīng)答信號的標(biāo)志脈沖，均恒為“1”狀態(tài)。X位是備用狀態(tài)，恒為“0”。2個框架脈沖（F1與F2）之間的12個信息碼位C1、A1、C2、A2、C4、A4、X、B1、D1、B2、D2、B4、D4為信息碼，可以編成4 096個獨立的應(yīng)答碼。

正常情況下，2個框架脈沖的間隔為20.3±0.1μs，因此，一個框架就認(rèn)為2個前沿間有404～408個時鐘周期（20MHz抽樣頻率）。在本系統(tǒng)中，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，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5個時鐘脈沖的變化范圍，F(xiàn)2與F1的前沿延時404～408個時鐘周期的任一個對齊，都認(rèn)為是一個正確的框架。

圖4 應(yīng)答信號組成

圖5 20MHz采樣真實應(yīng)答信號

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，解碼過程依據(jù)每個應(yīng)答碼間的距離都是1.45μs，比較相對于框架脈沖可能出現(xiàn)應(yīng)答碼的位置上的幅度值與框架脈沖幅度之間的差值，若超出一定的幅度范圍則應(yīng)答碼為0，否則為1?？紤]到每個應(yīng)答碼與框架脈沖間的距離有一定的容許誤差，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(rèn)為是正確的應(yīng)答碼的位置。

2.1.3 應(yīng)答碼混疊處理

在機場場面監(jiān)視中，由于可能有多架飛機且相距較近，其應(yīng)答信號幾乎同時響應(yīng)而使系統(tǒng)的接收信號發(fā)生混疊。對于混疊，考慮2種情況：一種為碼元不混疊，只是碼元（脈沖）交替出現(xiàn)，即碼元時間間隔不是1.45μs，這個可以通過判別碼元時間間隔即可知道；另一種為碼元脈沖混疊，即脈沖寬度比0.45μs要大。因此，通過脈沖前后沿的時間差來識別碼元脈沖是否交疊［5－6］。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)收到的一脈沖串存在混疊現(xiàn)象時，其解碼就不能按照不混疊的情況處理，否則可能有誤。

首先，判斷框架脈沖第1個脈沖是否有交疊。

若沒有（即時間間隔0.6μs以上，等效距離間隔180m以上），則對其以后的脈沖處理，按照前沿（th＋0.1＋1.45＊n）μs采樣，后沿（tb－0.1＋1.45＊n）μs采樣，n＝1，…，14。若二者一致，則該碼元信息提取無誤。不同時，優(yōu)選信息狀態(tài)為“0”，因為2個應(yīng)答信號的脈沖（“1”狀態(tài)）接收后相當(dāng)于“或”邏輯。為脈沖且脈寬為0.45μs時，則質(zhì)心估計時刻可用。0.1μs的偏差主要是防止前后沿的檢測偏差，因此，兩目標(biāo)的定位分辨時間間隔大于0.2 μs，即120m。

若交疊，則說明兩目標(biāo)相距很近，可以分別以前后沿處理2批目標(biāo)信息碼。為避免框架脈沖檢測時因第1個脈沖存在交疊，造成框架丟失或編碼判斷不準(zhǔn)確，可以在單次脈沖檢測時即對脈沖寬度進(jìn)行判斷，如若脈沖寬度大于0.45μs，則該脈沖可能存在混疊。對于混疊的脈沖，可以利用脈沖寬度及其前后沿特性對脈沖進(jìn)行切分，將1個混疊脈沖分離為2個獨立脈沖（如圖6）。脈沖A前沿即以混疊脈沖前沿為前沿，后沿為混疊脈沖前沿（th＋0.45μs）。脈沖B前沿以混疊脈沖后沿（tb－0.45μs）為前沿，后沿即為混疊脈沖后沿。

圖6 混疊脈沖切分示意圖

用以上方法處理2個目標(biāo)應(yīng)答碼混疊時，信息碼解碼一般不會出現(xiàn)問題。為了防止信息碼解碼時的誤碼，要求后端空間定位時間匹配時，對信息碼不要求所有位匹配，否則多目標(biāo)混疊導(dǎo)致解碼錯誤，將出現(xiàn)無解或空間定位錯誤。這一點要從工程實際允許應(yīng)答信號混疊嚴(yán)重程度去要求，在目標(biāo)定位漏警和虛警中尋求平衡。

處理中，為了方便中心站應(yīng)答信號匹配處理，混／不混疊應(yīng)答信號等建立不同標(biāo)記，以示不同的TOA信用標(biāo)志。

2.1.4 高精度脈沖TOA測量

精確測量應(yīng)答信號的到達(dá)時間以滿足多點定位的需要是機場場面高精度綜合監(jiān)視系統(tǒng)的技術(shù)難點之一。本系統(tǒng)設(shè)計出了適應(yīng)系統(tǒng)工程化的自適應(yīng)門限檢測方法、差值測時法、多點數(shù)據(jù)綜合測時法的優(yōu)化解決方案，解決了多點定位系統(tǒng)到達(dá)時間測量對脈沖幅度的偶合作用，使測時精度更好地滿足系統(tǒng)對目標(biāo)精確定位的要求［7］。

（1）自適應(yīng)門限檢測法

為了解決各遠(yuǎn)端基站因接收到脈沖幅度不同，而引起固定門限帶來的脈沖到達(dá)時間測量誤差，考慮采用自適應(yīng)門限的方法提高測時精度，即采用脈沖幅度的固定比例為門限，確定脈沖到達(dá)時間。由圖7可以看出，即使脈沖幅度不同，脈沖幅度的固定比例時間仍在同一時間點t上，脈沖到達(dá)時間測量不受脈沖幅度的影響。

圖7 輸入正交信號的自適應(yīng)門限檢測示意圖

以上方法適用于輸入IQ信號時的門限檢測。由于本系統(tǒng)輸入信號為求模取對數(shù)后的幅度信號，脈沖幅度的固定比例為門限的檢測方法即轉(zhuǎn)化為脈沖幅度降固定數(shù)值為門限，如圖8所示。

圖8 輸入模對數(shù)值的自適應(yīng)門限檢測示意圖

（2）差值法到達(dá)時間測量

由以往脈沖到達(dá)時間測量分析可知，采用逐次臨近法選取與幅度均值接近的幅度時間偏差來獲得脈沖到達(dá)時間偏差，所得到達(dá)時間測量精度為10ns，且會引起2.89ns的量化誤差。為了避免量化誤差對本系統(tǒng)定位精度上的影響，滿足到達(dá)時間測量精度為1ns的系統(tǒng)精度要求，可采用差值測時法計算脈沖偏差時間。

脈沖上升沿差值測時方法可以近似于梯形進(jìn)行運算。如圖9所示，假設(shè)過門限脈沖頂端幅度均值減去固定差值所獲得的脈沖前沿時刻幅度為S－，脈沖前沿時刻t落于采樣點時刻t1、t2之間，A1、A2為t1、t2時刻的100M 采樣幅度值，A1＜S－＜A2，則：

圖9 差值法到達(dá)時間測量示意圖

由式（1）可得脈沖前沿時刻t：

采用差值測時的方法，解決了逐次臨近法帶來的量化誤差，進(jìn)一步提高了單站到達(dá)時間測時精度（1ns）。

另外還有多點數(shù)據(jù)綜合測時法，由于篇幅所限，本文就不一一介紹。

2.2 中心站信號處理實現(xiàn)方法

中心站主要實現(xiàn)各遠(yuǎn)端站點的編碼匹配處理、多點定位處理等功能。

中心站的功能框圖如圖10所示。

遠(yuǎn)端站通過各通道將實時應(yīng)答信號解碼信息及時間信息TOA送入中心站數(shù)字信號處理器（DSP）進(jìn)行編碼匹配處理，匹配后獲得來自同一個目標(biāo)的應(yīng)答信號及TOA等信息組合送目標(biāo)解算計算機，解算目標(biāo)位置。

2.2.1 多站匹配軟件實現(xiàn)

中心站多站匹配軟件在一片DSP中實現(xiàn)，軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計由解應(yīng)答數(shù)據(jù)包、多站目標(biāo)信息匹配、生成目標(biāo)數(shù)據(jù)包軟件單元組合組成。其中，多站目標(biāo)信息匹配軟件單元組合由匹配鏈表操作、目標(biāo)信息匹配、提取匹配目標(biāo)信息3個軟件單元組成。軟件單元組成如圖11所示。

圖10 中心站信號處理系統(tǒng)原理框圖

圖11 中心站軟件單元組成框圖

2.2.2 多點定位算法

當(dāng)中心站獲取了各站到達(dá)時間，則只要通過空間三維方程求解即可，因此只要滿足4個站點即可定位目標(biāo)的三維空間位置（x，y，z），則：

由于實際不能獲得當(dāng)前應(yīng)答信號從目標(biāo)到各站的TOA傳播時間，只是獲得脈沖到達(dá)的時刻，因此由時間差信息可組成3個方程的方程組［8］：

在目標(biāo)計算機中，只要解算該方程組，即可獲得目標(biāo)空間位置。這就是多點定位的基本思想，也是多點定位場監(jiān)雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)的關(guān)鍵內(nèi)容。

3 測試結(jié)果

本系統(tǒng)可通過車載應(yīng)答模擬器模擬飛機發(fā)出真實的應(yīng)答信號，對整個信號處理結(jié)果進(jìn)行測試。在實驗場中搭建5個遠(yuǎn)端站（接收站），如圖12所示，利用GPS測得各遠(yuǎn)端站點具體坐標(biāo)位置。定位測試時，按一定軌跡推動車載應(yīng)答器，其發(fā)出的應(yīng)答信號經(jīng)過信號處理后在終端畫面上形成圖中運動目標(biāo)的圓形軌跡，經(jīng)數(shù)據(jù)分析該系統(tǒng)定位誤差小于2m。

圖12 車載應(yīng)答模擬器運行軌跡

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