基于處理增益的連續(xù)波多普勒引信干擾效能分析方法

郭云鵬，閆曉鵬，李 澤，李 冉

(1.陸軍裝備部科研訂購局，北京 100072；2.北京理工大學機電學院，北京 100081)

基于處理增益的連續(xù)波多普勒引信干擾效能分析方法

郭云鵬1，閆曉鵬2，李 澤2，李 冉2

(1.陸軍裝備部科研訂購局，北京100072；2.北京理工大學機電學院，北京100081)

針對國內(nèi)外研究關(guān)于連續(xù)波多普勒引信的干擾有效性只作了大量的定性描述，幾乎沒有合適的量化表征參量的問題，提出了以處理增益為表征參量的分析方法，得到了連續(xù)波多普勒引信干擾波形的參數(shù)選擇依據(jù)。該方法理論推導(dǎo)了射頻噪聲干擾、噪聲調(diào)幅干擾、噪聲調(diào)頻干擾、正弦波調(diào)幅干擾、正弦波調(diào)頻干擾、三角波調(diào)幅干擾和三角波調(diào)頻干擾作用下連續(xù)波多普勒引信的處理增益，并進行了仿真驗證。定量分析和仿真結(jié)果表明：針對連續(xù)波多普勒引信來說，調(diào)幅類干擾信號干擾效能明顯優(yōu)于調(diào)頻類干擾信號，干擾信號的調(diào)制頻率要盡量與引信多普勒頻率一致。

連續(xù)波多普勒引信；處理增益；干擾效能；調(diào)幅干擾；調(diào)頻干擾

0 引言

連續(xù)波多普勒引信由于結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低的特點，至今仍被廣泛應(yīng)用于常規(guī)彈藥武器中[1-2]。早在上世紀四十年代，無線電引信誕生之初就有了針對無線電引信干擾的技術(shù)研究[3]。連續(xù)波多普勒引信作為目前主流裝備的引信體制之一，針對其干擾技術(shù)的研究一直沒停止過[4-6]。文獻[4]從自差機理論出發(fā)，研究了模擬回波對連續(xù)波多普勒引信的干擾有效性；文獻[5]仿真研究了高斯白噪聲干擾對連續(xù)波多普勒引信的干擾效果；文獻[6]從干擾信號頻譜的角度，分析了掃頻式干擾對連續(xù)波多普勒引信的干擾機理。

無線電引信具有瞬時工作、一次作用的特點，這就對干擾波形的有效性提出了很高的要求。國內(nèi)外文獻對干擾波形的有效性只作了大量的定性描述，但幾乎沒有量化的對比，這是因為缺乏合適的量化表征參量。處理增益體現(xiàn)了引信系統(tǒng)對干擾信號的抑制能力[7-12]，同時由于處理增益是基于干擾波形獲得的，因而也可用來量化對比不同干擾波形的干擾效果。

為此，本文以處理增益為表征參量，對典型干擾波形作用于連續(xù)波多普勒引信的干擾效果進行量化分析。

1 連續(xù)波多普勒引信工作原理

連續(xù)波多普勒引信是一種非調(diào)制連續(xù)波體制的無線電引信，其基本工作原理框圖如圖1所示。它首先向目標發(fā)射一定能量的電磁波，當電磁波遇到目標后部分能量被反射回引信的接收端，目標回波信號同本振信號進行混頻檢波得到含有目標信息的多普勒信號，引信對多普勒信號進行信號處理進而感知識別目標并適時引爆戰(zhàn)斗部。

連續(xù)波多普勒引信發(fā)射信號為：

St(t)=Atcos(2πf0t+φ0)

(1)

式中，At為發(fā)射信號幅值，f0為載頻頻率。

引信接收到的回波信號為：

Sr(t)=λAtcos[2πf0(t-τ)+φ0]

(2)

(3)

式中，λ為空間傳播損耗因子，τ為回波信號相對發(fā)射信號的延遲時間；k為混頻系數(shù)。

混頻信號經(jīng)由多普勒帶通濾波器，高頻分量被濾除，得到目標的多普勒信號的功率表達式：

(4)

對地無線電引信獲的多普勒信號幅值會隨著彈目距離的減少而增大，當達到預(yù)定幅值且多普勒頻率落入多普勒通頻帶內(nèi)時，引信會給出起爆信號，從而觸發(fā)執(zhí)行機構(gòu)。

根據(jù)連續(xù)波多普勒引信工作原理，本文考慮射頻噪聲干擾、噪聲調(diào)幅干擾、噪聲調(diào)頻干擾、正弦波調(diào)幅干擾、正弦波調(diào)頻干擾、三角波調(diào)幅干擾和三角波調(diào)頻干擾這七種典型干擾作用下連續(xù)波多普勒引信的處理增益。

2 典型干擾波形對連續(xù)波多普勒引信的干擾效果

處理增益G定義為系統(tǒng)的輸出信干比SJRO與輸入信干比SJRi的比值，即G=SJRO/SJRi，體現(xiàn)了引信對干擾信號的抑制能力。同時由于處理增益是基于干擾波形的，因而也可用來表征不同干擾波形對引信的干擾效果。本文理論推導(dǎo)了幾種典型干擾波形作用于連續(xù)波多普勒引信的處理增益，并通過仿真對其干擾效果進行了量化研究。

2.1 射頻噪聲的干擾效果

設(shè)引信高頻振蕩電路通帶寬帶為BH，則引信實際接收到的噪聲可視為高斯窄帶噪聲，時域表示為[10]：

J(t)=Un(t)cos[2πfjt+φ(t)]

(5)

若引信接收端高斯白噪聲功率密度為N0，則其接收到的噪聲功率為PJi=2BHN0，引信輸入信干比：

(6)

(7)

于是引信的輸出信干比：

(8)

射頻噪聲干擾作用下引信的處理增益：

(9)

2.2 噪聲調(diào)幅信號的干擾效果

噪聲調(diào)幅信號可以表示為[9]：

J(t)=[Uj+Un(t)]cos(2πfjt+φn)

(10)

Pn=2FnN0

(11)

由噪聲調(diào)幅干擾信號J(t)表達式，可得其平均功率為：

(12)

若引信高頻振蕩電路帶寬為BH，則引信實際接收到的干擾信號的功率為：

(13)

引信輸入信干比為：

(14)

噪聲調(diào)幅干擾信號同引信本振信號混頻后經(jīng)過帶寬為BS低通濾波器后，輸出信號功率為：

(15)

引信輸出信干比為：

(16)

噪聲調(diào)幅干擾作用下引信處理增益為：

(17)

2.3 噪聲調(diào)頻信號的干擾效果

噪聲調(diào)頻干擾信號可表示為[10]：

(18)

(19)

設(shè)引信振蕩器通帶寬度為BH，通帶范圍為[fL,fH]，則引信接收到的干擾功率為：

(20)

式中，Φ(x)表示標準正態(tài)分布隨機變量的分布函數(shù)。引信的輸入信干比：

(21)

噪聲調(diào)頻信號同引信本振信號混頻，并經(jīng)濾波器后得到：

(22)

設(shè)引信多普勒低通濾波器的通帶截止頻率為flp，則引信實際輸出的干擾信號的總平均功率為：

(23)

于是引信輸出信干比：

(24)

則噪聲調(diào)頻干擾作用下引信的處理增益為：

(25)

2.4 正弦波調(diào)幅信號的干擾效果

正弦波調(diào)幅干擾信號可表示為：

J(t)=Aj[1+macos(2πfdjt)]×cos(2πfjt+φj)

(26)

其中，Aj為干擾信號幅值，ma為調(diào)制深度(0≤ma≤1)，fdj為調(diào)制信號頻率，fj為干擾信號載波的頻率，φj為干擾信號相位。所以，干擾信號的輸入功率為：

(27)

則輸入信干比為：

(28)

正弦波調(diào)幅信號與引信本振信號混頻，并經(jīng)過多普勒低通濾波，可得輸出信號為：

(29)

所以，干擾信號輸出功率為：

(30)

輸出信干比為：

(31)

則正弦波調(diào)幅干擾作用下引信的處理增益為：

(32)

2.5 正弦波調(diào)頻信號的干擾效果

正弦波調(diào)頻干擾可以表示為：

(33)

其中，Aj為干擾信號幅值，KFM為最大頻偏，mF為調(diào)頻指數(shù)，fj為干擾信號載波的頻率，fdj為調(diào)制信號頻率，φj為干擾信號相位，Jn(mF)為n階貝塞爾函數(shù)。由貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)可知，干擾信號的輸入功率為：

(34)

所以輸入信干比為：

(35)

正弦波調(diào)頻信號與引信本振信號混頻，并經(jīng)過多普勒低通濾波，可得輸出信號為：

(36)

由上式，干擾信號輸出功率

(37)

所以輸出信干比為：

(38)

則正弦波調(diào)頻干擾作用下引信的處理增益為：

(39)

2.6 三角波調(diào)幅信號的干擾效果

三角波信號可以表示為如下傅里葉級數(shù)的形式：

(40)

那么，三角波調(diào)幅干擾信號可表示為：

(41)

其中，Aj為干擾信號幅值，m為調(diào)制深度(0≤m≤1)，fdj為調(diào)制信號頻率，fj為干擾信號載波的頻率，φj為干擾信號相位。

則輸入端干擾信號的功率為：

(42)

那么，輸入信干比為：

(43)

三角波調(diào)幅信號與引信本振信號混頻，并經(jīng)過低通濾波器，可得輸出信號為 ：

(44)

其中，AL是低通濾波器的增益。則輸出干擾信號的功率為：

(45)

那么，輸出信干比為：

(46)

則三角波調(diào)幅干擾下引信的處理增益為：

(47)

2.7 三角波調(diào)頻信號的干擾效果

三角波信號可表示為：

(48)

其中，Tj=1/fdj，fdj為調(diào)制信號頻率。那么三角波調(diào)頻干擾信號可表示為：

(49)

那么，輸入信干比為：

(50)

三角波調(diào)頻信號與引信本振信號混頻，并經(jīng)過低通濾波器，可得輸出信號為：

(51)

(52)

則三角波調(diào)頻干擾作用下引信的處理增益為：

(53)

上述理論推導(dǎo)獲取的不同干擾信號作用下連續(xù)波多普勒引信處理增益，匯總?cè)绫?所示。

表1 不同干擾信號作用下連續(xù)波多普勒引信處理增益

3 仿真與試驗

3.1 仿真驗證

根據(jù)連續(xù)波多普勒引信的工作原理，構(gòu)建了基于MATLAB的引信仿真模型，并對7種干擾波形作用效果進行了仿真驗證，計算其處理增益。仿真驗證具體步驟如下：

1)根據(jù)多普勒引信的工作原理構(gòu)建Simulink仿真模型，如圖2所示。仿真工作參數(shù)設(shè)置如下：引信載波頻率f0=500 MHz，高頻振蕩電路通帶寬帶BH=5 MHz，對應(yīng)接收頻帶范圍197.5～502.5 MHz，多普勒低通濾波器截止頻率為flp=1 MHz，即BS=1 MHz，信號幅值為1 V，信號處理各級系數(shù)為1；

2)選擇干擾信號的形式(見表2)，仿真參數(shù)如表3備注所示；

3)每次仿真時間為50 ms；

4)記錄仿真數(shù)據(jù)并計算處理增益。

表3給出了不同干擾波形作用下連續(xù)波多普勒引信處理增益的仿真結(jié)果?？梢?，針對連續(xù)波多普勒引信開展的不同干擾波形作用下引信處理增益計算和仿真值一致，證明了解析表達式的正確性。理論計算和虛擬仿真得到的各干擾波形的干擾效果由好到壞依次為：正弦波調(diào)幅干擾、三角波調(diào)幅干擾、

噪聲調(diào)幅干擾、三角波調(diào)頻干擾、正弦波調(diào)頻干擾、噪聲調(diào)頻干擾、射頻噪聲干擾。

3.1 干擾效果試驗測試

為進一步驗證理論推導(dǎo)和仿真分析所得結(jié)論，本文在微波暗室內(nèi)測試了各種干擾波形對某連續(xù)波多普勒引信的干擾效果，試驗中干擾系統(tǒng)與引信的空間位置不變。試驗測試結(jié)果如表2所示，試驗參數(shù)設(shè)置同表3備注。

表2 干擾波形下引信啟動的最小干擾功率測試結(jié)果

表3 不同干擾波形作用下連續(xù)波多普勒引信處理增益計算和仿真值對比

由表2可見，能使引信啟動的干擾功率越小的干擾波形干擾效果越好，因此，調(diào)幅類干擾樣式干擾效果明顯優(yōu)于調(diào)頻類干擾信號。

4 結(jié)論

本文以處理增益為表征參量，對典型干擾波形作用于連續(xù)波多普勒引信的干擾效果進行了定量分析，為連續(xù)波多普勒引信干擾波形設(shè)計提供了理論依據(jù)。理論推導(dǎo)、仿真和試驗測試表明多種干擾波形對連續(xù)波多普勒引信都有一定的干擾效果。同等干擾功率下，各干擾波形的干擾效果由好到壞依次為：正弦波調(diào)幅干擾、三角波調(diào)幅干擾、噪聲調(diào)幅干擾、三角波調(diào)頻干擾、正弦波調(diào)頻干擾、噪聲調(diào)頻干擾、射頻噪聲干擾。因此，在進行連續(xù)波多普勒引信干擾波形設(shè)計時，應(yīng)優(yōu)先選擇調(diào)幅類干擾信號，調(diào)制頻率要根據(jù)對抗目標的多普勒頻率范圍來確定。

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AnalysisofCWDopplerFuzeJammingPerformanceBasedonProcessingGain

GUO Yunpeng1，YAN Xiaopeng2，LI Ze2，LI Ran2

(1.Scientific Research and Procurement Bureau of Army Equipment, Beijing 100072, China； 2.School of Mechatronical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

The research on interference effectiveness of CW Doppler fuze is lack of suitable quantitative characterization parameter. To solve the problem, the jamming effect of typical jamming waveform on continuous wave Doppler fuze were quantitatively analyzed based on the characterization parameters of processing gain. The CW Doppler processing gains under the radio frequency noise jamming, noise AM(amplitude modulation) jamming, noise FM(frequency modulation) jamming, sine-wave AM jamming, sine-wave FM jamming, sine-wave jamming, triangle-wave AM jamming, triangle-wave FM jamming were theoretically deduced, and the simulation verifications were carried out. The quantitative analysis and simulation results indicated that, for the CW Doppler fuze, jamming effects of AM signals were obviously better than those of FM signals, and it's necessary to adjust the modulation frequency to match the Doppler frequency.

CW Doppler fuze; processing gain; jamming performance; AM jamming; FM jamming

2017-03-10

郭云鵬(1978—)，男，山西曲沃人，碩士，工程師，研究方向：信息系統(tǒng)頂層設(shè)計和規(guī)劃。E-mail：htcmisslv@163.com。

TJ434

A

1008-1194(2017)05-0020-06