二次雷达接收系统设计及幅相处理

摘要：为了准确判定目标偏离天线轴的方向和消除旁瓣应答信息干扰，二次雷达接收系统采用了三路对数接收机单脉冲比幅体制，将带有目标信息的射频信号变换成对数视频送至应答处理，通过对和、差通道脉冲信号鉴相器处理，判定目标偏离天线轴的方向；运用对和、控制通道脉冲幅度比较的方法，产生接收旁瓣抑制信号以消除应答干扰。从实验和产品交竹后的使用情况来看，接收机设计合理，幅相处理效果满足雷达整机的要求。
关键词：二次雷达；对数接收机；鉴相器；脉冲比幅

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。

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。