用EPLD實(shí)現單脈沖二次雷達的應答解碼處理

　　摘　要：用EPLD實(shí)現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(guān)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(wú)目標閃爍效應、詢(xún)問(wèn)波長(cháng)與應答波長(cháng)不等的特點(diǎn)，從而消除了地物雜波和氣象雜波的干擾。單脈沖技術(shù)應用于二次雷達，可以方便地基于多個(gè)波束對目標測量，進(jìn)而有效地增加數據冗余度，提高角度測量的精度。對應答處理而言，單脈沖技術(shù)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二次雷達相比實(shí)現了一次質(zhì)的飛躍。

　　二次雷達與一次雷達的根本區別是工作方式不同。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(dòng)發(fā)現目標并對目標定位；二次雷達則是在地面站和目標應答機的合作下，采用問(wèn)答模式工作。目前的航管二次雷達共有七種詢(xún)問(wèn)模式，分別稱(chēng)為1、2、3/A、B、C、D和S模式。根據詢(xún)問(wèn)脈沖P1與P3的間距決定（S模式除外）各種詢(xún)問(wèn)模式。

　　機載應答機發(fā)出的應答碼由16個(gè)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(gè)碼位都有兩種狀態(tài)，即有脈沖或無(wú)脈沖。有脈沖時(shí)為“1”，無(wú)脈沖時(shí)為“0”。F1與F2的0.5電平處的脈沖前沿間隔為20.3±0.1μs，稱(chēng)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(gè)框架脈沖（F1與F2）之間的12個(gè)信息碼位，可以編成4 096個(gè)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(shí)，調度員可以要求其中的一架飛機在已回答的12個(gè)碼位基礎上再增加一個(gè)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(jìn)行數字化處理后，變成兩組8位的數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(jìn)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(jìn)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(diǎn)/航跡處理計算機。應答處理機系統的組成如圖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(gè)I/O端，8個(gè)指定輸入端，6 000個(gè)邏輯門(mén)，192個(gè)寄存器，最大時(shí)延≤12ns，通過(guò)簡(jiǎn)單的5線(xiàn)接口，即可用PC機對線(xiàn)路板上菊花鏈結構的最多8個(gè)芯片進(jìn)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(shí)支持PS/2鍵盤(pán)、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(guò)輸入緩沖并與系統時(shí)鐘信號同步后，其中的PSV信號進(jìn)入邊沿產(chǎn)生電路，所產(chǎn)生的前沿延遲一個(gè)框架時(shí)間（20.3μs）后與未延遲的前沿信號相與給出目標框架，啟動(dòng)4個(gè)解碼器中處于空閑狀態(tài)的裝配器開(kāi)始解碼工作，產(chǎn)生解碼需要的定時(shí)脈沖序列。同時(shí)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(guò)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送數字寄存器進(jìn)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(shí)脈沖的作用下，對目標應答信息進(jìn)行解碼、去除幻影應答、解旁瓣應答和軍事告急應答。經(jīng)過(guò)進(jìn)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(xiàn)，在輸出控制的情況下依次寫(xiě)入先進(jìn)先出(FIFO)，PC機依次讀出GPS時(shí)間信息及FIFO中的目標報告。

　　3 系統的具體實(shí)現

　　3.1 旁瓣抑制與邊沿提取

　　近距離的飛機能夠被天線(xiàn)的旁瓣探測到，但如果沒(méi)有特殊的旁瓣抑制措施，就會(huì )使地面接收裝置接收到來(lái)自旁瓣的應答信息，從而夸大飛機的數量。P2作為旁瓣抑制脈沖由Ω通道發(fā)射，在天線(xiàn)的主瓣波束內，P1與P3的幅度會(huì )高于P2，而在天線(xiàn)的旁瓣內，P2會(huì )高于P1與P3，機載應答機根據P1、P3與P2的幅度關(guān)系決定是否做出應答，對旁瓣內的詢(xún)問(wèn)不予應答。

　　單脈沖二次雷達的PSV信號是由接收機和通道（∑）內的應答信號，經(jīng)過(guò)特定門(mén)限電平進(jìn)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(gè)寄存器，通過(guò)與門(mén)電路實(shí)現。實(shí)現電路如圖4所示。

　　ALE與ATE分別是與時(shí)鐘脈寬（0.1208μs）相同的前沿與后沿。當PSV信號的寬度大于一個(gè)應答碼的寬度時(shí)，就認為接收到的是兩個(gè)或多個(gè)脈沖的混疊，于是產(chǎn)生了一個(gè)偽前沿（PLE）。PLE的產(chǎn)生時(shí)間是從ATE開(kāi)始向前數四個(gè)時(shí)鐘周期（因為一個(gè)標準的脈沖寬度為四個(gè)時(shí)鐘周期），如果PSV的脈寬更長(cháng)，可認為有更多個(gè)應答脈沖的交疊，一個(gè)額外前沿（XLE）在A(yíng)LE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(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(gè)的采樣值。為確保寄存器陣列的建立與保持時(shí)間，ALE脈沖經(jīng)一級觸發(fā)后，由延遲器產(chǎn)生一個(gè)40μs的延遲，并限制寫(xiě)脈沖到30μs。寄存器陣列的寫(xiě)地址由4位計數器產(chǎn)生，每個(gè)采樣脈沖計數器加1。PLE采樣與ALE采樣電路不同之處是它只需要存儲一個(gè)PLE采樣值。本系統的采樣時(shí)鐘為8.276MHz。

　　3.3 SDR計算

    由于SDR模塊中采用了對數運算，所以在進(jìn)行和幅度與差幅度比值的運算時(shí)，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，△-∑在波束中心出現負峰值，所以在負峰值最大處為波束的中心。根據其他△-∑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(gè)框架脈沖的間隔為20.3±0.1μs，因此，一個(gè)框架就認為兩個(gè)前沿間有167、168或169個(gè)時(shí)鐘周期。本系統框架脈沖的檢測是根據比較延時(shí)的前沿與非延時(shí)情況下的重合情況，如圖6所示。延時(shí)的前沿對應于框架脈沖F1，非延時(shí)的前沿對應脈沖F2，F1相對于F2延時(shí)20.3μs。由于F2相對于F1有3個(gè)時(shí)鐘脈沖的變化范圍，所以F2與F1的前沿延時(shí)167、168或169個(gè)時(shí)鐘周期的任一個(gè)對齊，都認為是一個(gè)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(lái)自旁瓣的應答信號；

　　(2)兩個(gè)相鄰的框架之間的間隔小于3個(gè)時(shí)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(gè)S模式應答持續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(shí)間間隔為20.3μs的原則檢測，可檢測到4個(gè)框架脈沖對，框架檢測器不能區分“虛假”框架和來(lái)自飛機的真實(shí)框架脈沖對。

　　補救措施是同時(shí)只處理兩個(gè)應答。當第一個(gè)應答被檢測到，隨后21μs中檢測到的應答為臨時(shí)應答，如果另外又發(fā)現一個(gè)重疊應答，這個(gè)臨時(shí)應答就被取消此過(guò)程重復進(jìn)行，直到檢測到最后一個(gè)應答，此應答被保留。因為第一個(gè)檢測到的框架肯定是真實(shí)應答，沒(méi)有更早的脈沖產(chǎn)生錯誤框架。同樣，最后一個(gè)框架肯定是真實(shí)應答，沒(méi)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(gè)正確的框架被檢測到，接下來(lái)的任務(wù)就是檢測此次應答碼的內容。首先，解碼過(guò)程依據每個(gè)應答碼間的時(shí)間間隔都是1.45μs，SPI與F2間的時(shí)間間隔是4.35μs，因此在離框架脈沖各個(gè)應答碼可能出現的位置上檢測是否有應答脈沖出現?？紤]到每個(gè)應答碼與框架脈沖間的時(shí)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的位置上，提前或延后一個(gè)時(shí)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，則僅出現低幅度值。

　　(2)高置信度1：在應答碼出現的地方出現主波束內的應答碼，幅度與其對應的參考脈沖相關(guān)，與其他應答的參考脈沖不相關(guān)。

　　(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(guān)，則與其他應答的參考脈沖相關(guān)。

　　(4)低置信度1：主波束應答碼存在，但與參考脈沖不相關(guān)或與另外應答的參考脈沖相關(guān)，或既與相應的應答框架相關(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SVA平均值進(jìn)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(gè)框架對 F1、F2時(shí)，便檢查該應答脈沖的內容。對每個(gè)代碼位，根據SDR 平均值進(jìn)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(lái)自SVA裝配器的相應位進(jìn)行組合。

　　因為最多能同時(shí)處理四個(gè)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(gè)應答的起始時(shí)刻建立一個(gè)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(gè)高置信度碼時(shí)，產(chǎn)生的SVA值才被認為是一個(gè)應答碼。SDR的工作過(guò)程與SVA類(lèi)似。把SVA代碼/置信度與相應的SDR代碼/置信度進(jìn)行組合，串行輸出的代碼和置信度碼經(jīng)過(guò)串-并轉換輸出到FIFO，計算機（PC104）讀取FIFO的內容，送給點(diǎn)/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和軍用敵我識別系統中起著(zhù)非常重要的作用。隨著(zhù)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(xiàn)轉的處理能力，同時(shí)提高了處理精度，減小了系統的體積，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.