论文总字数：28645字

摘 要

随着通信技术的发展和社会的进步，雷达技术发展迅速，其被广泛运用于军事，民用航空及实时监测等各个方面。二次雷达是一种新的雷达技术发展的产物，同时也是空中交通管制的最重大的技术进展。信息处理是二次雷达系统中最重要的组成部分之一，对混叠的目标信号进行分离能够提高二次雷达系统的监测性能，对多目标信号混叠分离算法的研究显得尤为重要。

本文中基于二次雷达系统，对系统中S模式信号源进行建模仿真，加深对S模式信号格式的认识，计算分析实现信号源参数可调。设计不同的信号混叠方式，利用迫零算法(ZF)，最小均方误差算法（MMSE）以及PA算法和SOBI算法对混淆信号进行分离，通过仿真结果对以上算法进行对比分析研究。

就目前研究结果来看，基本完成了以MATLAB为平台，利用算法对混叠信号进行分离，达到了研究预期目的。

关键词 ：二次雷达，S模式，分离算法，MATLAB

A Study On The Separation Algorithm For Multi-objective Aliasing Signal

Abstract

With the development of communication technology and the progress of the society, and the rapid development of radar technology, radar is widely used in military, civil aviation and real time monitoring and other aspects. Secondary radar is a kind of new product development of radar technology, as well as the most significant technological progress of the air traffic control. Information processing is the most important part of the secondary radar system, separation of aliasing signal can improve the monitoring performance of secondary radar system ,the study of Multi-objective aliasing signal separation algorithm is particular important.

This article is based on secondary radar system, it contains the modeling and simulation on mode S signal. It deepens the understanding of mode S signal format to realize the possibility of changing the value of factors of the source signal. I design different aliasing ways of signals and use different algorithms such as SF, MMSE, PA and SOBI to separate the aliasing signals, and study through comparing the results of the simulation above the algorithm research.

In terms of the present study, I use the algorithms above to separate the source signals on the platform of the MATLAB, and achieve the goals that I supposed.

KEY WORDS: Secondary radar, Mode S, Separation Algorithm, MATLAB

目录

摘要.............................................................................................................................................................

Abstract……………………………………………………………………………………………………………………………………………

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 二次雷达分离算法研究背景，意义及现状 1

1.2.1项目研究背景 1

1.2.2项目研究目的与意义 1

1.2.3项目研究历史与现状 2

1.3本文所做主要工作和论文结构 2

第二章 二次雷达系统两种应答模式及数据格式 4

2.1 引言 4

2.2 SSR系统简介 4

2.3 二次雷达系统的两种应答模式及缺陷分析 5

2.3.1 A/C应答模式及遇到的问题 6

2.3.2 S应答模式和可预见的问题 7

2.4 二次雷达S模式数据链接的改进 9

2.5 阵列天线信号模型 10

2.5.1接收数据模型 10

2.5.2MATLAB建模 11

2.6 本章小结 12

第三章 信号分离算法仿真分析 13

3.1 引言 13

3.2 均衡算法简介 13

3.3 ZF及MMSE数学原理及仿真 13

3.3.1 ZF和MMSE数学原理 13

3.3.2仿真结果 14

3.3.3分析 16

3.4 投影算法（PA） 17

3.4.1 SVD 分解原理 17

3.4.2 MOORE PENROSE 广义逆矩阵 18

3.4.3 投影算法（PA） 18

3.4.4仿真结果 20

3.4.5分析 22

3.5本章小结 23

第四章 盲源分离算法 24

4.1 引言 24

4.2 盲源分离的预处理 24

4.2.1信号零均值化 24

4.2.2 信号白化 24

4.3 联合对角化盲源分离 25

4.3.1独立分量分析 25

4.3.2基于二阶统计量的盲源（SOBI）分离算法 25

4.4 仿真结果与分析 27

4.4.1仿真结果 27

4.4.2分析 30

4.5本章小结 31

第五章 雷达信号分离可视化界面 32

5.1 引言 32

5.2 MATLAB GUI 图形界面设计 32

5.3 GUI 的设计原则和一般步骤 32

5.4 雷达信号分离可视化界面实现 33

5.5 本章小结 34

第六章 总结与进一步的工作 35

6.1 总结 35

6.2 进一步的工作 35

致谢 36

参考文献 36

第一章 绪 论

1.1 引言

民用航空的职能是把旅客和货物安全快捷地从一个地点运输到另一个地点，空中交通管制就是为了达到此目的而建立的应用于民用航空的重要服务体系。随着飞机性能提高以及机上的无线通讯设备的应用，各国相继建立起了安全飞行的规则。同时，在沿航建立起管制中心，通过这样的管制中心，飞行员和管制员可以相互通讯，从而确定飞机的位置，发布命令，实施管制，从而形成了“程序管制“为核心的空中交通管制(ATC-Air Traffic Control)。

雷达管制是ATC中一个重要的组成部分，是指管制员利用雷达为已被识别的航空器提供的管制服务。管制员需要准确的定位数据来控制飞机之间的航距。由于航空规模的不断发展，空中交通密度也在增大。利用二次雷达通讯时，当航线接近的两架飞机发出通讯信号，地面站接收的信号是这两个信号的重叠，分离出单架飞机的信号尤为重要，避免飞行事故的发生。

1.2 二次雷达分离算法研究背景，意义及现状

1.2.1项目研究背景

空中交通管制（ATC）的要求基本可以归纳为：能够有效率地，有秩序地将货物或者乘客安全从一个地点空运到另一个地点，依赖于精确可靠的监测控制系统。自雷达技术在空中交通管制邻域的应用，出现了SSR(Secondary Surveillance Radar 二次监视雷达，简称二次雷达)系统，管制员能够通过雷达屏幕上获得飞机的代码、空间位置、速度、上升下降等参数。

一次雷达探测定位的机理是利用目标散射雷达发射的电磁波反射定位，而二次雷达利用机载应答机应答地面询问机发射的电磁波对目标（飞机）进行探测定位。由于二次雷达能够实现地面站与飞机的信息交互，这使得雷达由原本单纯的监视的工具变为空中交通管制的手段，二次雷达这一重大突破给控制交通控制提供了更安全的保障。二次雷达系统能提供更好的监视能力、空中和地面的数据连接能力，但这个系统存在的一些缺陷限制了它的数据连接能力，一种分布式S模式二次雷达系统诞生，能够克服传统S模式带旋转天线询问机的局限性。分布式系统装备着固定的宽波束天线，飞机可以被随时访问，这样通信时延非常短。本文的所有研究都是基于这种分布式S模式SSR上来考虑并实现的。

1.2.2项目研究目的与意义

SSR虽然能够提供较好的监视能力、空中地面的数据连接能力，但相应的它的缺陷也是存在的。随着人们对航空安全的重视逐渐提高，所以用户对这样的一套监测控制系统的缺陷容忍度越来越低。在SSR系统中，必然会存在飞机探测错误以及相关信号数据解码错误等等这样的问题存在。SSR采用1030MHZ的询问信号以及1090MHZ的应答信号来客服询问应答信号之间的相互干扰，但多径效应的影响以及其他干扰源的干扰仍然会导致错误的发生。

随着空中交通密度的不断提高，可能会出现两架或者多架飞机，他们的位置非常接近并且都对同一个询问信号应答。这就会导致两个应答信号叠加在一起并且相互影响，这给管制员对信号的识别造成麻烦。而通常情况下，当收到是交叠信号时，由于缺乏处理的机制，只好丢弃。此时，管制员只能通过其他方式如VHF广播与飞行员进行对话，这就增加了飞行员的工作负担，同时地面站对信息的准确性也无法保证。

基于二次雷达S应答模式的解混淆算法的研究能够推动雷达检测精度上升到一个新的高度，对于算法的研究，找到最适合雷达目标源分离的算法，从而用软件来弥补硬件的不足。这一研究能够帮助实现雷达监测更加精确，从而确保空中交通的安全。由于二次雷达S模式应用正处于起步阶段，所以对于解混淆这一重要问题，需要投入更多的研究，才能更好的发挥二次雷达的作用。本论文主要研究基于分布式S模式二次雷达地基系统的用于多目标信号混叠分离的算法。通过对分离算法的对比分析，能够排除干扰，能够对采集到的混叠信号进行分离，从而能够帮助实现二次雷达实时监视多个目标的功能。

1.2.3项目研究历史与现状

目前，我们国家的二次雷达系统使用的应答信号主要是A/C模式，较少使用S模式，而二次雷达的询问信号仍然采用的是A/C模式。通常情况下二次雷达和一次雷达配合使用。应答信号之间相互形成干扰，表现为基带信号的混叠，即为编码脉冲串的混叠。相关研究表明，如果信号混叠无法分离，检测概率达到95%时飞机的数量应该小于121架；若概率达到99%时，飞机的数量则下降到24架。但是，如果能够将两个信号分离开，则达到95%和99%的飞机数量分别增 加到2284架和984架，由此可见，将混叠信号分离开对提高检测概率的效果非常明显。权威民航组织制定的规范中，在多点定位系统中对检测概率的要求很高，所以，解混叠是多点定位系统达到上述指标的关键技术之一。

Nicolas Petrochilos的博士对雷达信号做出了几种有效的分离算法，如：MDA(Mancherster Decoding Algorithm)、ZCMA（Zero/Constant Modules Algorithm）、ESPRIT-SOBI(ESPRIT-Second-Order-Blind Identification Algorithm)等，这几种算法适用于特定的场合,计算也比较复杂。后来他和Gaspare Galati、Emilio Piracci等一起研究出比较使用的投影算法（PA），这个算法是基于阵列的基础上，计算量相对较低，易于实现。

信号分离算法中盲源分离开始得最早，1991年Herault和Jutten用递归网络提出的神经网络算法，后来人们称之为H-J算法。后来的1994年Comon开创了独立分量分析的理论框架并提出比照函数的概念。他们的工作都为盲源分离研究的发展做出了贡献。之前盲源分离算法通常运用在处理语音信号，而近些年研究者尝试把盲源分离算法应用于雷达信号中，并取得了很大突破。大体上说，盲源分离处理从若干观测数据中分离提取出单个未知信号源。盲源处理中“盲”体现在：1）信号源未知；2）信道未知。

1.3本文所做主要工作和论文结构

论文主要研究内容为在阵列天线信号模型下S模式雷达应答信号分离算法对比分析，基于MATLAB的可视化界面软件。

整个论文共分为六章，安排如下：

第一章，主要是简单介绍了本论文所研究的背景意义以及国内外研究的现状。首先对二次雷达应用背景做了相关介绍，进一步阐述了雷达信号分离的目的以及意义，接着是对雷达信号分离研究的现状进行了叙述，最后是介绍本论文的架构。

第二章，主要介绍了SSR（二次雷达）相关知识，二次雷达的两种模式以及他们各自的缺陷分析，介绍了两种应答的数据模式，最后简单介绍了分布式地面站系统。

第三章，研究了基于天线阵列的两个信号交迭的三种算法，分别是迫零算法（ZF）,最小均方误差算法（MMSE）和投影算法（PA）,前两种是信道已知情况下的分离，算法度低，但只能在特定环境下，特定信道下完成。PA算法能够较好分离出信道未知情况下的原信号。通过MATLAB建模仿真，并进行对比分析。

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