針對連續波多普勒引信的干擾模式及效能分析

王長勝

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225001)

針對連續波多普勒引信的干擾模式及效能分析

王長勝

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225001)

以典型規則干擾波形和非規則干擾波形為例構建了不同的干擾源模型，研究和分析了在不同干擾源模型下連續波多普勒引信的起爆高度，利用MATLAB-Simulink搭建仿真系統，對輸出的仿真結果進行探討和分析。

連續波多普勒引信；干擾模型；MATLAB-Simulink

0 引 言

在現代戰爭中，不僅要著眼于對敵方人員設備造成毀滅性打擊，更需要在敵方的打擊中保持己方的存活率。電子引信干擾技術能夠有效地保護我方裝備，在我方陣地空域形成干擾屏障，對進入范圍的智能炮彈進行無線電干擾，減小敵方炮彈的有效殺傷范圍。

干擾泛指一切破壞和擾亂敵方電磁設備正常工作的戰術和技術措施的統稱。干擾的分類很多，按照干擾波形來分，一般分為規則波形干擾和非規則波形干擾。對于引信來說，干擾信號對引信的直接作用效果分為兩大類：早炸和瞎火。早炸是指引信在干擾作用下誤輸出啟動信號，使榴彈在戰斗部毀傷半徑范圍之外提前引爆。瞎火是指引信在正常設定的工作范圍內未輸出啟動信號。

在末制導階段，炮彈引信開機工作，對地面進行探測，引信輸出起爆信號的判據為：多普勒回波信號的頻率、幅度大小、幅度增幅速率同時滿足閾值條件。針對以上3個判定條件，本文以規則和非規則干擾波形建立不同的模型，對引信的干擾效果進行模擬分析。

信號發生模塊產生本振信號并發射，經目標反射形成回波?；夭案蓴_信號一起與本振混頻后進入處理模塊，若同時滿足3個判定條件則輸出起火引爆信號，模型仿真流程如圖1所示。

干擾源模塊以規則波形(正弦調幅掃頻、正弦調頻掃頻等)和非規則波形信號(噪聲調幅掃頻、噪聲調頻掃頻等)為例，進行壓制式和欺騙性干擾。

炮彈在離目標較遠處對其實施欺騙性干擾，使其早炸；在靠近目標時對其實施壓制性干擾，使其瞎火，如圖2所示。

1 規則波形信號對引信干擾的模擬

1.1 正弦波調幅掃頻干擾下的仿真實驗

掃頻式干擾信號的時域數學表達式為[1]：

(1)

式中：ω0為載波頻率；k為調頻系數；v(t)為對既有信號進行帶寬搬移的調制信號。

掃頻信號以鋸齒波作為頻率調制信號，其數學表達式為：

(2)

式中：As為鋸齒波斜率；Ts為鋸齒波周期。

構建連續波多普勒引信掃頻干擾仿真模型，仿真了引信距地面100～50 m的探測過程。引信速度為225 m/s，工作參數為：中心頻率f0=750MHz，幅度設為1。設榴彈的三維坐標從(0,0,100)飛行到(28,0,50)。

圖3為信號產生部分，載波和干擾源混頻所得多普勒回波信號通過低通濾波器采樣。

圖4為干擾源模塊，干擾樣式為正弦波調幅掃頻干擾。初始載頻740MHz，1kHz采樣頻率，每個頻率點停留10ms，調頻系數為1。正弦波調幅信號頻率為1 000Hz，幅度為20V。

如圖5，回波信號采樣后分2條支路：一條支路用于頻率檢測；另一條支路檢測幅度和幅度增幅。支路一將fd每128點為一組進行傅里葉變換，主要實現將連續波多普勒信號從時域轉換為頻域。支路二對fd取絕對值并濾波，將所得信號分成2路：一路直接放大；另一條支路采取Z變換，求取附近10個采樣點增幅變換率的平均值作為定距處的增幅速率[2]。

圖6為判決電路。支路一是多普勒信號幅度判決，范圍在20～70mV；支路二為多普勒信號頻率判決，范圍為990～1 520Hz，系統采樣率為20k，快速傅里葉變換(FFT)點數為128個點；支路三是幅度增幅判決，閾值為0.12～39mV/s。

炮彈對目標產生最大殺傷范圍的高度為11～4m。圖7為正弦波調幅掃頻干擾下輸出信號，圖7(d)中，大約在71m和68m出現2個啟動信號，干擾機對引信實施了欺騙干擾，使引信在71m處提前起爆。

1.2 正弦波調頻干擾下的仿真實驗

正弦波調頻干擾源模型以式(1)為基礎，用正弦波作為調制信號，數學表達式為：

(3)

式中：As為正弦波幅度；ωs為正弦波頻率；φs為正弦波初相位。

圖8中正弦波的幅度為1V，頻率為2 000Hz,壓控振蕩器(VCO)輸出帶寬為2MHz。輸出結果如圖9(d)，大約在53.02m、52.3m和51.2m出現3個啟動信號，炮彈約在離地面53m處起爆。

1.3 其他規則波干擾源模型建立

1.3.1 方波調頻干擾信號的產生

干擾源模型以式(1)為基礎，用方波作為調制信號掃頻干擾，方波在一個周期內的數學表達式為：

(4)

式中:A為方波幅度;T為方波周期。

模型如圖10所示。

1.3.2 三角波調頻干擾信號的產生

干擾源模型以式(1)為基礎，用三角波作為調制信號掃頻干擾，三角波在一個周期內的數學表達式為：

(5)

式中：A為三角波幅度；T為三角波周期。

模型如圖11所示。

2 非規則波形信號對引信干擾的模擬

2.1 噪聲調幅信號的特點

射頻噪聲是一種很好的干擾波形，但是一般情況下的射頻噪聲功率較低，不能滿足壓制性干擾的要求。人們常使用高斯噪聲去調制載頻來提高干擾噪聲的功率[3]。

(6)

式中：Uj為載波幅度；ωj為載波頻率。

噪聲調幅信號的均值為:

(7)

噪聲調幅信號的自相關函數為：

(8)

式中：Rn(τ)為高斯白噪聲n(t)的自相關函數。

可見，噪聲調幅信號的均值和自相關函數均和時間t有關，所以不是嚴格的平穩隨機信號。但是其均值和自相關函數均以2π/ωj為周期，所以其符合廣義周期平穩性。

假設連續波多普勒信號的幅度為Ut，中心角頻率為ω0，則連續波多普勒信號可表示為：

(9)

如果定距系統和目標之間的距離為R，光速為c，則信號的往返延遲時間為τ=2R/c，發射信號遇到目標反射回來，接收到的回波信號為：

(10)

接收機接收到的回波信號的功率為：

(11)

則回波功率為：

(12)

在噪聲調幅信號干擾的情況下，接收機在接收到正?；夭ㄐ盘柕耐瑫r，還能接收到噪聲調幅信號。如果不考慮噪聲信號到達接收機的延遲，則其時域表達式為：

(13)

可以計算出輸入的干擾信號平均功率為:

(14)

所以，連續波多普勒引信接收機的輸入信干比為:

(15)

信干比是信號與干擾信號之間的比值，能夠定量反映信號和干擾信號的大小關系，進而能分析出在多大的信干比下系統能夠被壓制。

2.2 噪聲調幅干擾下的仿真實驗

在連續波多普勒引信仿真模型基礎上，構建了噪聲調幅干擾仿真模型，仿真引信距地15～0m的探測過程。引信和干擾源之間相對運動速度為225m/s。引信的具體參數為：中心頻率f0=750MHz。圖12表示回波與噪聲調幅的干擾源相加，所得信號進入接收機內與本振信號混頻，得到多普勒信號。

圖13為回波信號的模擬，回波信號由本振進行延時和幅度衰減得到。

圖14為噪聲調幅信號的輸出，輸入信干比為-15 dB的情況下，噪聲功率過大，使得輸出信號包絡波動嚴重，遮蓋住有用信號包絡的形狀，從而不能同時滿足判定依據，引信被壓制無法啟動。啟動信號如圖15所示。

2.3 噪聲調頻信號特點

噪聲調頻干擾信號的表達式為[4]：

(16)

(17)

噪聲調頻信號的功率等于載波功率：

(18)

式中：Uj為噪聲調頻信號的幅度。

因此，調制噪聲功率不對已調波的功率發生影響。噪聲調頻信號干擾帶寬(半功率帶寬)為：

(19)

化簡式(19)得：

(20)

由于噪聲調頻干擾的頻率在較寬的頻帶內以很快的速度變動，而系統濾波器通帶寬度較窄(通常遠小于調頻頻寬)，假設為BH，通帶范圍(fL,fH)，只有當干擾頻率處于其頻帶內時才能使干擾信號進入接收機。因此，若引信干擾信號總功率為Pj，則進入系統接收機的平均干擾信號功率為：

(21)

式中：ΔF為引信振蕩器帶寬;ΔB為調頻頻寬。

系統接收信號功率為：

(22)

系統輸入信噪比為：

(23)

2.4 噪聲調頻干擾下的仿真實驗

圖16為噪聲調頻干擾源內部模塊，由高斯白噪聲調頻產生信號，經延時和衰減模塊得到干擾信號。噪聲調頻干擾源模塊如圖17所示。

圖18和圖19為噪聲調頻信號的輸出，輸入信干比為-15dB的情況下，由干擾信號作用導致多普勒回波信號失真嚴重，達不到判定閾值，結合引信輸出的仿真結果，未輸出起爆電平，所以引信被壓制無法啟動，造成瞎火。

3 結束語

本文采用規則和非規則干擾波形，建立了對連續波多普勒引信的干擾模型，并對其末制導階段進行干擾效能仿真。由仿真結果可知，正弦波調幅、調頻干擾源能夠對炮彈進行欺騙性干擾，而噪聲調幅、調頻干擾源能夠對炮彈實施壓制性干擾。仿真結果對工程應用具有較大的指導意義。

[1] 艾娜.外差式連續波多普勒引信干擾波形設計[J].航天制造技術,2004(12):24-26.

[2] 李洪濤.一種連續波多譜勒引信的干擾波形研究[J].電子信息對抗技術,2009(7):23-25.

[3] 趙惠昌.無線電引信設計原理及方法[M].北京:國防工業出版社,2010.

[4] WANG J,GET S S,LEE T H.Adaptive fuzzy sliding mode control of a class of nonlinear systems[C]//Proceedings of The 3rd Asian Control Conference.Shanghai,2000:599-604.

Jamming Mode and Efficiency Analysis to Continuous-wave Doppler Fuze

WANG Chang-sheng

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Taking typical regular jamming waveform and irregular jamming waveform as examples,this paper constructs different jamming source models,studies and analyzes the detonating height of continuous wave Doppler fuze under different jamming source models,uses MATLAB-Simulink to build simulation system,discusses and analyzes the output result.

continuous wave Doppler fuze;jamming model;MATLAB-Simulink

2016-06-24

TN972.1

A

CN32-1413(2017)01-0001-07

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.001