基于PXI的導彈引信對抗仿真系統(tǒng)設計

趙永濤，王義冬，梁 捷，張丁雄

(1.中國人民解放軍92228部隊, 北京 100072； 2.海軍航空大學, 山東 煙臺 264001)

導彈引信原理、系統(tǒng)及單元測試等內(nèi)容是安全操作培訓的主要內(nèi)容。一方面，隨著現(xiàn)代電子技術的飛速發(fā)展，引信的復雜程度進一步提高，天氣環(huán)境和工作場地等客觀條件制約培訓的開展，實物培訓成本進一步上升；另一方面，隨著各種培訓的持續(xù)深入和嚴格要求，培訓成為操作人員學習理論知識的不可缺少途徑，而實際培訓中存在培訓方式單一、效率不高等問題，操作人員難以直觀了解引信的工作原理、信號調(diào)制解調(diào)過程和抗干擾測試結果，短期內(nèi)難以達到培訓目標。

本文采用虛擬儀器技術，借鑒已有引信開發(fā)設計理論和經(jīng)驗，設計了一種用于導彈引信理論學習和培訓的引信對抗仿真系統(tǒng)。該仿真系統(tǒng)根據(jù)培訓需要，可開設偽隨機引信信號相關接收實驗、引信干擾和抗干擾實驗、引信回波模擬實驗、引信性能檢測實驗等實驗操作，可初步滿足引信理論學習和實踐培訓的需求。此外，引信對抗仿真系統(tǒng)提供基本技能培訓平臺，可以加快操作人員掌握操作技能，提升保障能力。

1 偽碼調(diào)相脈沖引信工作原理

偽碼調(diào)相脈沖引信工作原理如圖1所示，發(fā)射時，偽隨機碼生成器產(chǎn)生的偽碼一路經(jīng)過脈沖調(diào)制后，與振蕩器產(chǎn)生的載頻信號進行0/π調(diào)相，頻移到射頻段由天線發(fā)射出去。另一路偽隨機碼延時后作為參考碼輸入相關器中；接收時，回波信號同振蕩器的產(chǎn)生的本振信號進入混頻器進行混頻，通過濾波后得到含有偽隨機碼和多普勒信號的延時信號，經(jīng)過放大器的處理后與延時器的參考碼作碼相關處理，經(jīng)濾波、檢波后得到目標距離和速度信息。符合起爆要求時，執(zhí)行級輸出起爆信號引爆導彈。

圖1 偽碼調(diào)相脈沖引信工作原理框圖

2 偽隨機碼及其性能分析

2.1 偽隨機碼

偽隨機碼(PN Code)是一種具有統(tǒng)計特性且能重復產(chǎn)生和復制的序列[1]，它模擬了噪聲特性，但更具有規(guī)律性。一條攜帶完整信息的偽碼序列長度叫作碼序，碼序中每個元素稱作碼元，每段碼序包含碼元的數(shù)目叫做碼長，一組碼序所組成的集合稱作碼。

常見的偽碼序列包括M序列、Gold序列、m序列，本系統(tǒng)采用規(guī)律性強、容易生成的M序列。偽碼調(diào)相脈沖引信的調(diào)制脈沖的幅度取決于偽隨機碼的參數(shù)設置，通常調(diào)制脈沖周期和碼元寬度相同，偽隨機碼信號表示為

(1)

從圖2偽隨機碼的自相關函數(shù)曲線可以看出：自相關函數(shù)的周期是由脈沖周期決定的，峰底占兩個碼元寬度，碼元寬度越小，函數(shù)峰越尖銳，偽碼序列的自相關性越好。

圖2 偽隨機碼自相關函數(shù)曲線

偽隨機碼的自相關函數(shù)與它的功率譜是一組傅立葉變化[3]，即：

R(τ)?G(f)

偽隨機碼的功率譜性質影響了偽碼調(diào)相脈沖引信的性能，也為引信對抗仿真系統(tǒng)的設計參數(shù)選取提供了參考。

2.2 偽碼調(diào)相信號分析

偽碼調(diào)相過的信號可以攜帶信息卻不能發(fā)射，需要將信號調(diào)制到射頻才能發(fā)射出去，發(fā)射信號Ut表示為

Ut(t)=At·p(t)·cos(2πf0+φ0)

(2)

式(2)中：At是發(fā)射信號幅度；p(t)是偽隨機碼信號；f0是載波頻率；φ0是初始相位。

相關器輸出的結果是偽隨機碼信號和多普勒信號的乘積，為了提取彈目的距離和速度信息，需要對相關器輸出結果進行濾波和檢波等信號處理，利用FFT多普勒濾波器組合可以得到含有多普勒頻率的信息，如圖3所示。

圖3 FFT處理后輸出曲線

3 偽隨機碼特性及參數(shù)選擇

3.1 偽隨機碼的特性

1) 距離截止特性。截止距離是指引信完全起爆時最大距離與完全不起爆時最小距離差。距離差的大小決定了截止特性的好壞，檢波輸出函數(shù)斜率kj可以來體現(xiàn)距離差，即：

(3)

當偽碼長度遠大于1時，kj近似等于偽碼頻譜寬度1/Tm，斜率kj同碼元寬度Tm成反比，kj的值越小，偽碼頻譜寬度越大，雷達引信被攔截的幾率就越小。

2) 距離分辨能力。在一個碼元寬度內(nèi)，引信區(qū)分發(fā)射機到兩個相鄰目標的雙程延時傳播的距離的能力稱作距離分辨能力。目標區(qū)分最小距離Rmin為

(4)

從式(4)中可知，距離分辨能力是一個脈沖寬度對應的距離，目標區(qū)分最小距離越小，引信的距離分辨能力越好。

3) 最大無模糊距離。相關函數(shù)是周期函數(shù)，每個相關值會對應多個目標距離，這就產(chǎn)生了距離模糊，最大模糊距可以表示為

(5)

距離模糊會對引信測距產(chǎn)生干擾，影響導彈探測精度和毀傷效果，因而實際工作中要確保最大模糊距離遠大于引信的工作距離。

4) 抗干擾性能。雷達引信前端接收到的信號除了目標反射回來的回波信號外，還有人為的有源干擾信號、環(huán)境的噪聲和引信自身電子元器件的噪聲等干擾信號。這些噪聲是和偽隨機碼不相關的，在相關檢測時，不相關的噪聲會被抑制掉，而有相關性的回波信號會增強，因此積分器的積分時間越長和噪聲被抑制效果成正相關。積分時間等于偽碼序列的一個周期時間，通過增加序列長度可以提高抗干擾效果。

3.2 偽隨機碼參數(shù)的選擇

在選取偽碼調(diào)相脈沖雷達引信的碼元寬度、偽碼序列長度和偽碼周期3個主要參數(shù)時，要從偽碼特性、設計復雜性和設備實現(xiàn)性等三方面綜合考慮。

1) 碼元寬度Tm。根據(jù)偽隨機碼的特性可知，碼元寬度越窄，截止特性越陡峭，距離分辨力越好，低空突防性能越強。而偽碼序列90%的能量的集中在第一個零值點內(nèi)，偽碼頻譜寬度Δf近似為

(6)

從式(6)可知，頻譜寬度和碼元寬度成反比，碼元寬度越窄，頻譜寬度就越寬，發(fā)射信號能量可以擴散到更寬的頻帶上，有效減低了信號被破譯截獲的風險。但是過窄的碼元寬度會使射頻信號失真。因此，在選擇碼元寬度時，不能無限制的小。

2) 偽碼長度P。最大無模糊距離要遠大于引信工作距離才能保證雷達引信工作不被干擾，即：

(7)

相關輸出主副瓣的比值由偽碼序列長度決定，序列長度越長，函數(shù)副瓣1/P越小，抑制雜波干擾能力越強。但是偽碼序列過長，多普勒頻率對相關函數(shù)的影響就會變大。實際中，偽碼周期不超過多普勒頻率的4倍，即：

(8)

3) 偽碼周期T。偽隨機碼的周期T為

T=Tm·P

(9)

從式(9)中可以看出，偽碼周期等于碼元寬度和序列長度的乘積，因知道了碼元寬度和序列長度，也就確定了周期時間。

需要注意的是，在偽隨機碼的一個周期內(nèi)，當fd·T≥1時，回波中的偽隨機碼P(t-τ)存在“1”和“-1”互換的現(xiàn)象，相關值就會減小。因此，偽碼周期在選擇時，要滿足fd·T<<1的要求。

4 引信對抗仿真系統(tǒng)的設計

4.1 系統(tǒng)設計需求

利用虛擬儀器技術開發(fā)引信對抗仿真系統(tǒng)不僅能夠突破傳統(tǒng)儀器的局限性，還大大簡化了開發(fā)過程，其應該滿足以下四方面需求：能夠貼合引信原理等內(nèi)容，便于開發(fā)系統(tǒng)的硬件和軟件；能夠展現(xiàn)引信的工作流程，符合引信的工作原理；能夠實現(xiàn)偽碼調(diào)相脈沖引信抗干擾實驗；能夠擴展加入其他實驗設備和培訓資源，支持更多實驗內(nèi)容。

4.2 系統(tǒng)設計思想

由設計需求可知，本系統(tǒng)的子系統(tǒng)繁復眾多，為了保持系統(tǒng)的良好組織結構和可擴展能力，提高設計的效率，開發(fā)要采取模塊化和層次化的思想，這種思想是針對不同功能設計不同系統(tǒng)，開發(fā)中化整為零，最后集成在同一平臺，便于設備后期的調(diào)試、維護和拓展。在LabVIEW語言編寫中，系統(tǒng)分解到各個層之間獨立編寫，并最終完成所有的功能。

在利用PXI平臺的優(yōu)勢時要注意兩個原則[4]：

1) 低耦合、高內(nèi)聚原則。低耦合是要求每個子模塊在實現(xiàn)自身功能的同時保持相互獨立，既不影響其他模塊又不受其他模塊影響；高內(nèi)聚是每個模塊實現(xiàn)特定的功能是，而內(nèi)部相關性密切；

2) 外開放、內(nèi)封閉原則。優(yōu)秀的語言是對外開放，對內(nèi)封閉的，即當需求發(fā)生變化時，通過增加相應的指就能適應功能變化，而不需要改變已有的程序。

4.3 系統(tǒng)設計方案

引信對抗仿真系統(tǒng)總體結構如圖4所示，設計內(nèi)容包括硬件設計和軟件設計兩方面。硬件設計主要是選取合適的硬件平臺和搭建硬件架構，PXI平臺能提提供高速信息交換服務，保證了信號傳輸?shù)目煽啃院蜏蚀_性，機箱、主控制器和外圍模塊是組成PXI的基本構架，通過各端口連接實現(xiàn)整個系統(tǒng)的通信；軟件設計是基于LabVIEW語言開發(fā)引信模型，在使用LabVIEW的同時調(diào)用了NI的工具包，避免的大量基礎模塊的開發(fā)，節(jié)省了時間。在開發(fā)中要對下變頻器、上變頻器以及信號發(fā)生模塊安裝相應的硬件驅動。

圖4 引信對抗仿真系統(tǒng)總體結構框圖

根據(jù)偽隨機碼特性及參數(shù)選擇確定引信對抗仿真系統(tǒng)的初始參數(shù)。

引信對抗仿真系統(tǒng)由中頻信號發(fā)生器、上變頻器和下變頻器組成。系統(tǒng)內(nèi)通過高速背板與嵌入式主控制器連接，各外圍模塊在PXI總線上實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和控制命令交換，引信對抗仿真系統(tǒng)設備端硬件結構如圖5所示。

圖5 引信對抗仿真系統(tǒng)PXI設備端硬件結構框圖

圖6為引信對抗仿真系統(tǒng)硬件連接圖，中頻信號發(fā)生器的CH0端口接入上變頻器INPUTS端口輸入中頻信號，上變頻后從上變頻器的RF OUTPUT端口輸入到下變頻器INPUT端口，下變頻后從下變頻器的OUTPUT端口輸回到中頻信號發(fā)生器CH0端口進行信號處理。

所設計的引信對抗仿真系統(tǒng)具有以下4個特點：系統(tǒng)界面逼真，人機交互優(yōu)越，通用性和可塑性較好，便于操作人員操作實踐；基于LabVIEW環(huán)境開發(fā)的系統(tǒng)擁有豐富的函數(shù)庫，結合其圖形化的編程形式，引信仿真系統(tǒng)簡單明了，可拓展性強；PXI平臺可以產(chǎn)生多種級數(shù)引信信號，觀測形象直觀；可作為科研開發(fā)平臺，開展引信干擾與抗干擾研究。

圖6 引信對抗仿真系統(tǒng)PXI平臺硬件連接圖

5 系統(tǒng)主要性能測試

抗干擾性能是引信能否發(fā)揮其性能的關鍵因素，下面利用對抗仿真系統(tǒng)對高斯白噪聲下的引信性能進行測試。

在導彈引信干擾測試模塊中，設置載頻、調(diào)制脈沖、占空比、多普勒頻率、截止頻率、濾波階數(shù)、采樣率等參數(shù)。碼相關解調(diào)出的信號的包絡頻率為多普勒頻率。圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)分別是功率譜密度為1 W/Hz、2 W/Hz、4 W/Hz高斯白噪聲干擾下相關解調(diào)輸出信號。可以看出：隨著高斯白噪聲的增強，相干解調(diào)信號的包絡頻率越來越不明顯，通過檢波得到多普勒信號變的困難，引信的工作已經(jīng)受到干擾而不能正常工作。

圖7 白噪聲干擾下的碼相關解調(diào)輸出信號

6 結論

本文針對引信操作培訓需求，首先介紹了偽碼調(diào)相脈沖引信工作原理，分析了偽隨機碼自相關性和抗干擾性，確定了碼元寬度、偽碼周期等參數(shù)選取原則，并確立了系統(tǒng)的總體設計的需求、思想和方案。然后利用引信對抗仿真系統(tǒng)對高斯白噪聲情況下的偽碼調(diào)相脈沖引信的抗干擾性能進行仿真。仿真結果表明，引信調(diào)制增益受多普勒頻率、碼元寬度和偽碼長度等因素的影響，碼元寬度越窄，偽碼序列越長，偽碼調(diào)相脈沖引信受到噪聲的干擾越不明顯。該系統(tǒng)打破引信理論學習和操作培訓中的時間和空間限制，可以滿足實際培訓要求。