原创 航管一次机场监视雷达信号处理设计

1 引 言

监视航空器飞行活动是进行空中交通管制的基础，航管一次机场监视雷达是民航空中交通管制的重要设备，他使管制员可以不依赖飞行员或机载设备的配合就能够独立测定飞机位置，并完成对飞机的监视，我所研制的航管一次机场监视雷达集飞机监视和气象探测于一体，具有独直的目标通道和气象通道，可以自动提取飞机点迹数据和6个等级气象反射率数据，信号处理作为航管雷达的关键设备，采用了高可靠性模块化插件和超大规模可编程逻辑器件，高性能DSP芯片和先进的模块化设计技术，使系统设备量大大简化，降低了失效率，减少了维修时间。结构设计上采用双套冗余设备和完备的BITE测试，确保了航管雷达对高可靠性和高性能的要求。图1是系统流程框图。

整个系统分上、下两个分机组成，每个分机包含两个相互独立的目标和气象信号处理通道。当一个分机为主控设备时，另一分机就为从设备。由监控设备发送命令主从设备可以互换，从设备触发时序受主设备同步，互为冗余，每个分机包含3块信号处理插件：时序控制及气象处理插件，目标通道处理插件，点迹融合处理插件。

时序控制及气象处理插件主要产生整机及本系统同步、触发时序，自检数据库，模目触发，信号处理与监控通汛，STC控制，气象通道非线性调频脉压，FIR滤波，DVIP处理，距离订正，气象图点迹输出。目标通道处理插件主要完成目标通道非线性调频脉压，自适应MTD处理，自适应杂波图，分频道恒虚警，自适应门限图，慢门限，超杂波检测，双积累器检测，数据重排输出等。点迹融合处理插件主要完成点迹凝聚，通过监控指令对上下两个分机数据进行融合，将距离和方位上延伸的目标通过相关准则凝聚成一点，送到终端显示。

2 主要技术实现

2.1 目标通道

目标处理通道是以空中飞行器为探测对象，精确测定目标点迹的方位、距离参数，为了得到准最优滤波处理，目标通道采用AMTD方式，通过实时检测杂波的存在，判定杂波强度(如强、中、弱)，自动产生或选择滤波器加权因子，以期保证对地杂波高度抑制的前提下，尽量减少信噪比损失，提高对弱小目标的检测能力，零多普勒滤波器输出用来形成自适应杂波图，杂波图划分每个单元在方位上是1.4°，在距离上前60 km以2r为单位步长，60 km以后以16r为单位步长，每个单元都接收杂波单元中零多普勒滤波器的峰值输出，从而在多次扫描后得到一个动态的平均值，将杂波平均值划分为3挡：50 dB以上为强杂波区，50～20 dB为中杂波区，20 dB以下为弱杂波区。用杂波图强弱标志位选择滤波器加权系数，零速通道杂波图用于超杂波检测，当日标速度和杂波速度相同时，频率上不能区分，这时只能检测出超过杂波的强目标回波，每个滤波器都能独力地进行恒虚警率(CFAR)处理。那些响应于零多普勒的滤波器是以时间平均CFAR算法进行处理的，用于作自适应杂波图;那些不响应于零多普勒的滤波器则以距离平均CFAR进行处理，此法可以有效地消除地物杂波和距离相关的气象杂波，为了控制点状杂波边缘的虚警对CFAR窗的前半部和后半部分别取平均，再取两个平均值中的大者作CFAR门限。为了提高距离分辨能力，计算平均值时，先从CFAR窗中除掉最大回波及其两个相邻回波，这样可以避免因CFAR窗内出现飞机目标时不适当地提高CFAR门限，而出现漏警。恒虚警输出后，还有一定的剩余杂波，这时可以通过自适应门限图进一步降低虚警，后面接双积累器，双积累器工作原理是在同一距离单元上，在3个连续相参处理间隙中产生两个或多个检测时，双积累器输出一个检测值，他能够抑制在两个CPI之间不相关的回波，目标二次回波和单脉冲干扰，双积累器结果是增加了发现概率而减少了虚警率。双积累器的输出通过检测重排按一定格式送到点迹融合处理器进行点迹凝聚，处理框图如图2所示。

图3～图5是不同杂波强度下4点FIR滤波器输出。

2.2 气象通道

气象处理通道以降雨云为探测对象，测定气象分布的强度和范围，主要处理包括脉冲压缩、FIR滤波、DVlP处理、距离订正、参数修正、点迹形成等。气象通道滤波器受晴空杂波图控制，杂波区作滤波处理，清洁区选择直传脉压数据，通过这种方法可以最大程度上剔除分散的地物杂波回波，保留气象回波真值，有时地物杂波和气象杂波是混杂在一起的，而气象杂波的多普勒频移很小，经多普勒处理后气象杂波即被消除。利用交叉性信号和圆极化了的圆极性信号，可以区别气象杂波和其他杂波，用同极化信号来抑制气象杂波，用圆极化信号来抑制地杂波。DVIP处理主要进行距离和方位相关平均处理形成气象图，消除在距离上不相关的回波，距离订正是由于发射信号强度随着距离的增加而衰减，同样强度的气象在不同距离上所呈现的回波强度不同。为减少这种由能量衰减而造成强度的影响，采用强度一距离校正电路。即对不同距离上的气象幅度均值，加上一个修正量。气象图类似于杂波图，将整个雷达覆盖范围分解为方位上以1.4°为单元，距离上以16r为单元的许多小单元，在每个单元上。可获得多次扫描的气象平均值，通过6级门限形成气象等级点迹数据。处理框图如图6所示。

2.3 STC控制

由于近区地杂波很强容易造成接收机饱和，通过STC(灵敏度时间控制)来调节接收机中频衰减量使输入信号电平保持在合理的量级，防止信号失真和堵塞。STC控制可以和高低波束组合使用，具体实现方法是：由监控计算机将STC控制码数据打包，通过网线传送到时序控制板PC104电子硬盘中，PC104再将数据传到FPGA双口RAM中，最后，由双口RAM控制器将数据按距离、方位顺序传送到接收机系统。当整个系统调试完毕后，可以将STC控制代码固化到PC104电子盘中，每次开机系统就会自动将STC控制码调入FPGA双口RAM中，实时控制接收机中频衰减。STC控制工作流程如图7所示。

2.4 点迹处理

点迹相关和凝聚处理技术综合地利用目标回波的幅值、方位、距离以及多谱勒信息，对目标回波加以相关判别和凝聚处理，以求对覆盖域内的每一个运动目标在每次扫描时只产生单个精确的点迹报告。这一技术的应用能有效地抑制虚假点迹报告，并提高点迹目标的距离和方位的估值精度。影响点迹精度的主要是方位凝聚误差比较大。理论上分析影响测角精度主要有信噪比、处理时间间隔方位量化误差，当采用幅度信息测角时，测角精度主要取决于信噪比大小，有资料表明当信噪比大于12 dB时，测量角度误差会达到0.058θ0.5，但实际情况达不到这个要求，目标的回波幅度会随目标飞行姿态和周围环境的影响，天线的机械扫描会带来方位增量的误差，这些都会影响测角精度，当天线波束宽度为1.4°，转速为15转/s，通过优化重频设汁保证了一个波束内有效脉冲数为12个左右，做4点MTD处理时方位处理间隔为0.5°，获取目标幅度值为3个，这要取决于信噪比大小，信号弱时可能只有2个，大信噪比时可能会有5个，通过数据重排，虽然可得到目标的12个方位码，但目标的幅度值相对较少，因此可以寻找一种算法让目标的幅度值起伏对目标的方位精度影响较小。下面介绍两种MTD处理方式测角方法：

(1)求质心算法

将目标的幅度值和相应的方位角相乘累加，除以幅度值累加之和，即可求取目标的方位中心：

其中：Ai为目标幅度，ai对应目标幅度值的方位角。

(2)加权平均

取两次回波幅度f(θ1)，f(θ2)及相应的方位角θ1，θ2，对下式进行运算后求出目标方位中心值θ0，再通过多次方位中心值平均来确定目标方位。

目标起伏情况下方位角误差和信噪比S/N关系曲线如图8所示。

从上面关系曲线可以看出，当目标起伏不大时，求质心法估值精度要好于求平均加权法，当目标起伏大，信噪比又小时，加权平均法优于求质心法。在同一部雷达中用一种方法测角较为简单，航管雷达目标起伏不是很大，故采用求质心法测角是适宜的。

3 结 语

航管机场一次监视雷达信号处理系统集目标检测和气象探测于一体，采用了超大规模可编程逻辑器件和成熟的模块化设计技术，系统结构紧簇，维修方便。为改善杂波引入的虚警，采用了非线性脉冲压缩技术，在不牺牲信号增益的情况下有效地降低了脉压副瓣，采用自适应AMTD滤波技术和区域STC控制，提高雷达系统改善因子，增强了对弱小日标检测。为保证对故障单元的快速判断和更换，加强了BITE设计，信号处理分系统在设计上对每个可更换单元进行自检，所有故障送监控指示，整机可通过动态检查判定雷达通道的故障状态，在不停机的情况下，通过监控系统快速地将有故障的分机切换到维修状态，实行在线维修，也可在离线情况下检查系统，进一步确定故障部位，减小维修时间MTTR。