二次雷达接收系统设计及幅相处理

0 引言
    二次雷达也称为航空交通管制雷达信标系统，通过地面站和目标应答器之间的询问和应答，实现对目标的跟踪，接收到的回波中包含了目标的距离和方位信息、气压高度信息，还可以用于对军用和民用目标的识别。二次雷达采用问答方式工作，询问与应答射频信号波长不同，消除了地物杂波、气象杂波的干扰，因此应答回波比一次雷达反射回波强得多。
    二次雷达的接收系统采用对数比幅单脉冲体制。其中关键在于高精度、大动态的对数放大器，由于对数放大器为一种非线性放大器，其输出幅度与输入幅度的对数成正比。这样，当输入信号在较大的范围内变化时，输出信号只在较小的范围内变化，大大压缩了接收机输出信号的动态范围，因而具有较好的抗饱和特性；它可以使雷达的接收机在强信号作用下不饱和，同时也减少了小目标的丢失，能同时监视多个强弱悬殊很大的目标回波。

1 接收系统设计
    雷达的接收系统由三路对数接收机组成，采用单脉冲比幅体制。原理框图如图1所示。

    接收系统将天线送来的∑，△，Ω三路射频信号，分别在幅相特性一致三个通道中进行限幅、低噪声放大、时间灵敏度控制，滤除镜像频率及带外各种杂散频率的干扰信号，然后与本振混频，下变频为60 MHz中频信号，中频信号由前置中放放大、滤波，再经对数放大成视频信号，其中，∑，△视频信号log∑和log△传送给视频处理机进行A／D变换；∑，△对放输出的中频信号经鉴相，送出相位符号码和置信度码以判定目标偏离天线轴的方向；∑，Ω中频信号经脉冲比幅后，输出接收旁瓣抑制脉冲信号。
    接收机采用一次下变频方式，前置限幅器防止接收机被大功率信号烧毁；通过RFSTC来控制接收通道的增益，扩展接收机的动态范围，可以根据二次雷达工作时周围的电磁环境来装订STC曲线，对落入接收机带内的强干扰信号进行衰减；射频滤波器抑制镜像频率，防止镜像杂散通过寄生通道落入中频带内，并且可以抑制带外的干扰信号；整个接收机的频带宽度决定于60 MHz中频带通滤波器的带宽。

2 切线灵敏度
    切线灵敏度和通常所说的接收机灵敏度的概念既有相同又有区别，它们都是表征雷达正常工作时接收最小信号的能力，不同在于，切线灵敏度专指脉冲调制信号，是在接收机对数放大器输出的视频信号中，当无信号时的噪声顶部和有信号时的噪声底部处于同一电平时(即噪声相切)的信号功率。如图2所示是进行切线灵敏度测试时，示波器观察到噪声相切的状态。测试切线灵敏度指标时，关键在于判断脉冲信号噪声顶部与底部是否正好相切，这与观察判断等主观因素有关，也与接收机带宽和测试周围环境明亮有关。

    切线灵敏度：Si(dBm)=-114(dBm)+F(dB)+So／No(dB)+△f／1 MHz(dB)，其中，F为噪声系数；△f为中频带宽；So／No为接收机输出端的信号噪声功率。
    对于单脉冲二次雷达接收机，要求噪声系数小于7 dB或So／No=2时灵敏度为-93 dBm，带宽为10 MHz，根据上述公式可知Si(dBm)=-94 dBm，符合灵敏度指标的要求。[page]

3 对数放大器
    接收系统采用三通道对数接收机，对数放大器是一种非线性放大器，具有很大的动态范围，因此具有优良的抗过载特性，能在强信号或者强干扰作用下不饱和，从而实现正常接收。
    对数放大器的技术指标(50 Ω阻抗匹配)如下：工作频率为60 MHz；动态范围为60 dB；对数斜率为40 mV／dB；对数精度达±30 mV；输入信号功率为-60 dBm时，对数起点为100 mV±10 mV；输入信号功率为0 dBm时，对数终点为2 500 mV±100 mV；输入信号为噪声时，对数零点小于100 mV。
    由于应答回波信号是一串连续的窄脉冲(脉宽为0．45μs)，二次雷达的终端在进行信息处理的时候，要求输入信号具有足够陡峭的前沿。因此，经对数放大后，输出波形对应于输入波形不能恶化，脉冲的前后沿不会变差。特别是在对放的输入为大信号的时候，脉冲前后沿控制在120 ns以内才能保持应答处理采样稳定。

4 鉴相处理
4．1 相位差的鉴别
    单脉冲二次雷达接收到的和差回波信号的相位差反映了目标偏离天线轴的方向。对和、差接收通道的60 MHz中频信号进行鉴相处理，鉴相器根据鉴相结果产生相位符号码和置信度码。
    用相位符号码来确定应答信号是在天线轴的哪个方向：处在天线轴向右方的∑，△信号是同相的，处在天线轴向左方的∑，△信号相位差180°，在天线轴向的∑，△信号相位差90°；用置信度码来表示鉴相的结果是否可信，如图3所示。

    鉴相处理原理框图如图4所示。
4．2 相位鉴别的关键问题
4．2．1 相位补偿与校准
    在对和差信号鉴相前，通过中频移相器来进行相位的校准，消除∑，△通道本身的相位差，保证鉴相结果真实可靠。选择中频移相器时，要考虑到其移相范围是否能满足通道相位差的校准。
4．2．2 噪声门限的设定
    由于接收前端有低噪声放大器、补偿放大器和中放，整个接收通道的增益会给系统带来本底噪声，把本底噪声的幅度设定为一个门限，小于这个幅度的信号都作为噪声来进行处理。
4．2．3 动态范围
    鉴相器在整个接收机的动态范围内工作正常，特别要考虑到如果和差信号强弱悬殊很大时，根据设定的系统底噪声，当其中一路信号的幅度低于噪声门限时，当作噪声来处理，鉴相结果：置信度为0(即鉴相结果不可信)，相位符号在0和1之间翻转。
4．2．4 脉冲前后沿的对齐
    根据图3所示，对∑，△通道信号进行脉冲鉴相，不同的相位差对应各自的相位符号状态。相位符号在0或1不同状态时要保持前沿对齐，误差控制在30 ns以内，否则应答处理无法正常采样。
4．2．5 脉冲宽度的保持
    接收的应答信号脉宽为0．45μs，其中，上升沿和下降沿各0．1μs，经过鉴相后，相位符号和置信度的脉冲平顶需保持在0．25μs以上，使应答处理采样稳定。
4．3 鉴相处理的实验结果
    图5，图6是示波器观察到的鉴相结果，即对应不同相位差时输出的相位符号码。

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5 接收旁瓣抑制
5．1 旁瓣抑制的原理
    当二次雷达工作的时候，近距离的飞机能够被天线的旁瓣探测到，如果没有特殊的旁瓣抑制措施，会使地面接收装置接收到来自旁瓣的应答信息，从而夸大飞机的数量。因此，在接收时，将旁瓣抑制通道(Ω通道)收到的回波也利用起来，将Ω通道与∑通道回波比幅：当∑大于Ω信号幅度，认为是主瓣接收的信号；而当Ω大于∑信号幅度，则认为是旁瓣接收的信号，此时送出接收旁瓣抑制信号，对旁瓣进行抑制。
5．2 脉冲比幅的方法
    脉冲比幅原理框图如图7所示。

    从图7中的∑-Ω时域上可以看到：对∑脉冲延迟0．5个脉宽，对Ω脉冲延迟1个脉宽，将延迟后的Ω脉冲与原Ω脉冲合成，经过合成后，Ω脉冲扩展至2个脉宽，在进行脉冲幅度比较的时候，∑脉冲的前沿和后沿均被脉宽经过扩展的Ω脉冲完全覆盖，采用这样的处理方法，很好的解决了脉冲比幅时前沿难以对齐的问题。
5．3 脉冲比幅的关键问题
5．3．1 幅度一致性
    接收机三个通道的幅相特性保持一致，振幅差控制在1 dB以内，在脉冲比幅前，消除不同接收通道增益差异对Σ信号和Ω信号自身幅度的影响，保证比幅的结果真实可靠。
5．3．2 动态范围
    脉冲比幅的信号幅度在整个接收机的动态范围内，特别是∑信号和Ω信号强弱悬殊很大，其中一路信号幅度接近噪声电平或者是信号与噪声的幅度比较的情况下，比幅的结果也要保持正确，输出的接收旁瓣抑制为稳定的0或1脉冲信号。
5．4 脉冲比幅的实验结果
    图8是示波器观察到的脉冲比幅结果：接收旁瓣抑制信号。

6 结语
    接收系统采用三路对数接收机单脉冲比幅体制，设计简单合理，可靠性高，完全满足某型号二次雷达研制的技术指标要求，经过外场试验和产品交付用户使用的情况来看，接收机对应答脉冲信号的幅相处理达到了预期的效果，对于其他二次雷达接收机的研制，具有很好的参考和借鉴作用。