隨機步進頻引信近距泄漏抑制方法研究

張學斌， 周明宇， 王 榮， 程妹華

（1.海軍駐上海地區航天系統軍事代表室，上海200233；2.上海無線電設備研究所，上海200090）

0 引言

從近十年的戰爭發展趨勢來看，高超聲速武器、強防護武器利用低空或者超低空飛行實施低空突防，破壞敵方防御系統，然后展開全方位、多層次攻擊，已經成為一種屢試不爽的常見戰術手段［1］。這就要求防空導彈引信具備低空作戰條件下精細化探測目標的能力，基于精細化探測的信息實現對目標的高效毀傷。頻率步進引信通過對載頻離散調制合成很寬的系統帶寬，獲得距離維高分辨的效果，其系統瞬時帶寬低、數據運算量小，且可以通過增加信號脈寬來提高平均功率，解決了極窄脈沖存在的峰值功率限制問題［2］。隨機步進頻引信是頻率步進引信的一種，由于發射信號載頻的隨機性，它還具有優秀的抗干擾能力，即具備復雜戰場環境下精細化探測目標的能力。

防空導彈大多要求引信小盲區或無盲區探測，近距泄漏會影響到引信的小盲區或無盲區探測能力，因此本文對隨機步進頻引信近距泄漏抑制方法進行研究。

1 隨機步進頻引信探測能力分析

隨機步進頻引信發射的信號為一串載頻隨機跳變的窄帶矩形脈沖（設有N 個脈沖），脈寬為T，窄帶脈沖載頻為fi=f0+xiΔf，其中xi為范圍（0～N—1）內整數的隨機排列。對這串脈沖的回波信號與其載頻相應的本振頻率進行混頻，再對這N個脈沖混頻后的結果進行IDFT處理，這樣綜合得到的脈沖寬度可達T/N，距離分辨率提高 （N—1）倍［3］。

圖1為頻率隨機步進雷達發射信號的步進示意圖，發射信號表達式為

模糊函數是分析系統分辨能力、模糊度、測量精度以及雜波抑制能力的有效數字工具［4］。對于頻率隨機步進信號，不同脈沖間頻率近似正交，模糊圖主要集中在中心模糊帶，即內。模糊函數如式（2）所示。

從式（2）可以看出，脈沖間頻率隨機跳變，不會在模糊圖上產生“斜刃”現象，中心模糊帶除了原點，能量分布更趨于均勻，即模糊圖更趨于圖釘型。圖2為頻率隨機步進脈沖串信號模糊圖（中心帶條），圖3為τ—χ切面圖（ξ=0），圖4為等高線圖。計算時參數為：Δf=5 MHz；N=64；T=100 ns；Tr=1μs。從圖2至圖4中可以看出，隨機步進頻脈沖串信號模糊圖近似圖釘型，沒有距離速度耦合現象，且時延分辨率為1/（NΔf）；其速度模糊以1/Tr出現。

2 近距泄漏對探測能力影響分析

引信收發天線之間不會完全隔離，發射信號由引信發射天線直接泄漏進接收天線，由于泄漏信號與本振信號完全相關，經過信號處理之后會在近距成虛假目標像，從而造成引信虛警。

為了定量地分析近距泄漏對系統探測能力的影響，假設一個隨機步進頻引信系統各項參數：步進頻率Δf=2.5 MHz；步進階數N=64；脈沖重復周期Tr=1μs；最大作用距離10 m；目標RCS為1 m2（本文所述目標RCS均按此值計算）；最大距離RCS為1 m2目標回波峰值功率為—90 d BW，即啟動靈敏度為S=—90 d BW；發射功率Pt=5 d BW；收發天線隔離度為I=65 d B。發射功率減去收發隔離度即為近距泄漏信號功率，為—60 d BW，比引信啟動靈敏度高30 d B。10 m處目標回波信號、近距泄漏信號以及目標回波疊加近距泄漏信號如圖5所示，圖中信號相對于目標回波疊加近距泄漏信號最大值歸一化。從圖5中可以看出，10 m處目標回波信號已經被近距泄漏信號完全淹沒。

對相對距離為10 m、相對速度為1 000 m/s的目標回波進行處理，得到的綜合波形如圖6所示，近距泄漏（相對距離為0.5 m、相對速度為0 m/s）的綜合波形如圖7所示，目標（相對距離為10 m、相對速度為1 000 m/s）回波疊加近距泄漏綜合得到的波形如圖8所示，綜合波形均相對于目標疊加近距泄漏綜合波形的最大值歸一化。

對比圖6和圖7，可以看出近距泄漏信號聚焦峰值遠遠大于目標峰值，受到隨機步進頻信號較大底噪的影響，近距泄漏信號經過處理后的綜合波形底噪比目標峰值高14 d B，即引信作用距離降低14 dB以上。從圖8中可以看出，目標已經完全被近距泄漏信號的底噪淹沒。

經過上述分析，近距泄漏會引起隨機步進頻引信底噪淹沒目標回波信號，造成引信近距啟動性能極大降低。

3 隨機步進頻引信近距泄漏抑制方法

對于一個相對距離為R，相對速度為v的目標回波進行匹配接收，按照脈沖重復周期采樣后得到的信號為［5］

式中：A為信號幅度，與回波功率相關；fc為發射信號載頻；c為光速；xi為偽隨機序列碼；i為采樣周期序號；Tr為脈沖重復周期。

由于近距泄漏信號相對距離很小，相對速度可近似為0 m/s，式（3）中采樣信號相位的第三項和第四項可以忽略，第二項系數也很小，近距泄漏信號按照脈沖重復周期采樣，經過序列重排將偽隨機序列排為順序序列后，信號頻率很低。圖9為近距泄漏采樣信號頻譜，從圖中可以看出，近距泄漏的能量集中在低頻部分。

在彈目遭遇時，彈目相對速度遠大于0 m/s，即式（3）中采樣信號相位的第三項和第四項不可以忽略，即目標回波采樣信號的能量不集中在低頻部分。因此，可以對序列重排之后的信號先經過高通濾波再進行速度匹配對消，將近距泄漏信號濾除。圖10為近距泄漏信號濾波后頻譜（相對未濾波前信號頻譜幅度最大值歸一化），圖11為近距泄漏信號濾波后綜合波形（相對未濾波前目標疊加近距泄漏綜合波形的最大值歸一化），與前文近距泄漏未濾波的頻譜與綜合波形對比可以看出，近距泄漏被抑制33.8 d B。

相對距離為10 m、相對速度為1 000 m/s的目標回波疊加近距泄漏的信號經過高通濾波處理之后，綜合波形如圖12所示（相對最大值歸一化），從圖中可以看出，近距泄漏被抑制后，目標不被近距泄漏的底噪淹沒，可以從綜合波形中提取目標距離、速度信息。

4 結束語

隨機步進頻引信具備較好的距離分辨率和速度分辨率，且沒有距離速度耦合現象，具備良好的目標成像能力。但是，受到近距泄漏信號的影響，隨機步進頻引信的底噪會淹沒目標回波信號，導致引信近距啟動性能極大損失。基于近距泄漏信號與目標回波信號在頻譜上的不同特征，本文采用先經過高通濾波再進行速度匹配對消的方法濾除近距泄漏信號，根據仿真結果，抑制度達33.8 dB。經過抑制后，目標回波信號不再被近距泄漏的底噪淹沒，可以從綜合波形中提取目標距離、速度信息。