基于雙距離門邏輯判決的沖激引信信號處理方法

楊金鋼,張 銳，宋小雄

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

信息技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，使得戰(zhàn)爭形態(tài)從原來的機(jī)械化戰(zhàn)爭逐漸轉(zhuǎn)化為信息化戰(zhàn)爭，為此戰(zhàn)場上陸海空天不同作戰(zhàn)平臺的干擾機(jī)、電磁輻射源、高功率微波武器等設(shè)備以及偵察與反偵察，干擾與反干擾，摧毀與反摧毀等技術(shù)的應(yīng)用越來越多，造成無線電引信面臨的戰(zhàn)場環(huán)境日趨惡劣，因此對未來戰(zhàn)爭武器裝備中的引信抗干擾性能提出了更高的要求。

近年來，沖激體制近炸引信憑借其強(qiáng)抗隱身能力、高距離分辨率、精確定距、功耗低、硬件結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢受到了許多科研單位的關(guān)注[1]。文獻(xiàn)[2]給出了傳統(tǒng)沖激引信信號處理原理框圖，傳統(tǒng)沖激引信信號處理電路采用了基于抽樣積分檢測方法來實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動目標(biāo)回波信號的提取[3]，回波信號雖具有距離和速度二維信息，但信號處理方法主要為利用回波能量進(jìn)行門限判決，使得沖激引信在有源干擾[4]等復(fù)雜電磁環(huán)境下誤輸出虛警信號，引起引信早炸。針對沖激引信傳統(tǒng)的單距離門抽樣積分相關(guān)檢測進(jìn)行門限判決的信號處理方法易造成引信在強(qiáng)雜波信號和有源干擾條件下誤虛警的問題，本文提出了一種基于雙距離門邏輯判決的沖激引信新型信號處理方法。

1 沖激引信傳統(tǒng)信號處理原理及方法

1.1 沖激引信傳統(tǒng)信號處理原理

沖激引信傳統(tǒng)信號處理原理基于雷達(dá)動目標(biāo)檢測原理[5]，其采用了一種基于抽樣積分檢測方法來實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動目標(biāo)回波信號的提取。由于運(yùn)動目標(biāo)的多普勒響應(yīng)[6]表現(xiàn)為接收回波波形的變化，從而導(dǎo)致目標(biāo)所在的距離通道分布及其每個距離通道的輸出波形的變化，而對固定的目標(biāo)而言，同一個距離通道內(nèi)輸出信號波形則是不變的，通過檢測目標(biāo)回波[7]的這些變化，即可從固定強(qiáng)雜波中檢測出目標(biāo)信號。

假設(shè)sr(t)表示沖激引信接收信號則：

(1)

(2)

式中，nc(t)表示沖激引信接收的雜波，R0為目標(biāo)距離，c為光速。

當(dāng)發(fā)射隨機(jī)脈位的信號時，接收回波為：

(3)

式(3)中，ti為同分布獨(dú)立的隨機(jī)變量。

在等效時間抽樣接收機(jī)中，抽樣脈沖序列為：

(4)

式(4)中，τ為固定延時量，τ=2R0/c。

所以對接收回波的抽樣輸出信號為：

(5)

顯然當(dāng)v=0時，對于給定的延時量τ，抽樣輸出的信號和雜波都為等幅的脈沖序列，在輸出端無法把信號和雜波分開，如圖1所示。

圖1 目標(biāo)固定時抽樣接收機(jī)的輸出波形Fig.1 Output waveform of the sampled receiver when the target is fixed

當(dāng)v≠0時，雜波的抽樣輸出仍為等幅的脈沖序列，而信號的抽樣點(diǎn)則隨時間線性變化，輸出信號的包絡(luò)受到了速度的調(diào)制，如圖2所示。

圖2 目標(biāo)運(yùn)動時抽樣接收機(jī)的輸出波形Fig.2 Output waveform of sampling receiver when target is in motion

當(dāng)滿足取樣定理時，即可恢復(fù)信號，由于目標(biāo)的回波信號s(t)是一個振蕩信號，信號長度短，頻譜寬，而等效時間抽樣輸出信號的包絡(luò)則被展寬，頻譜被壓縮。因而對抽樣輸出信號，通過差分放大，即可得到受速度調(diào)制的信號s(2vt/c+τ)，采用門限檢測方法即可實(shí)現(xiàn)動目標(biāo)檢測,動目標(biāo)檢測原理圖如圖3所示。同時由于抽樣波門在回波信號的每個點(diǎn)上抽樣平均了很多次，實(shí)現(xiàn)了對有用信號的同步積累并濾除了系統(tǒng)噪聲，進(jìn)一步提升了信號信噪比。

圖3 傳統(tǒng)沖激引信信號處理原理框圖Fig.3 Schematic diagram of signal processing for traditional impulse fuze

1.2 沖激引信傳統(tǒng)信號處理方法

沖激引信傳統(tǒng)信號處理方法為超寬帶接收方法，主要有正交相關(guān)接收[8]和距離門抽樣相關(guān)檢測接收兩種方式。正交相關(guān)接收在硬件和軟件上都較為復(fù)雜，引信工程實(shí)現(xiàn)較困難；而距離門抽樣積分進(jìn)行相關(guān)檢測接收是結(jié)構(gòu)較為簡單和應(yīng)用較為廣泛的沖激引信目標(biāo)檢測方式。距離門抽樣相關(guān)檢測接收的思想是對目標(biāo)回波進(jìn)行等效時間互相關(guān)抽樣接收，參考信號為與發(fā)射信號同步的抽樣脈沖，抽樣脈沖為單極性窄脈沖，脈沖的寬度要符合取樣定理的要求。當(dāng)抽樣波門固定時，可獲得該距離上目標(biāo)反射信號值，當(dāng)抽樣波門掃描時，可獲得整個目標(biāo)的信號波形，把獲得的信號作為信號檢測量，直接與門限條件進(jìn)行比較。發(fā)射信號、距離門及回波信號時序示意如圖4所示。時間間隔τ由近炸引信炸高確定，即電磁波在環(huán)境中來回傳播時間，當(dāng)引信向著目標(biāo)運(yùn)動時，一邊發(fā)射脈沖信號，一邊經(jīng)固定延時τ后打開距離門檢測回波并在回波到來時進(jìn)行門限檢測，同時由于該距離門為納秒級脈沖，因此可實(shí)現(xiàn)高精度定距，且通過調(diào)整延時τ還可以實(shí)現(xiàn)不同的定距高度，τ=2R/C(R為引信預(yù)定炸高)。

圖4 發(fā)射信號、距離門及回波信號時序波形圖Fig.4 Time sequence waveform of transmitting signal, distance gate and echo signal

2 基于雙距離門邏輯判決的沖激引信信號處理方法

基于雙距離門邏輯判決的沖激引信信號處理原理如圖5所示。其由原來的單距離門接收處理改為雙距離門接收處理，具體處理方法：接收系統(tǒng)Ⅰ用于探測預(yù)先設(shè)定遠(yuǎn)距離R2，接收系統(tǒng)Ⅱ用于探測預(yù)先設(shè)定近距離R1；由于在彈丸接近目標(biāo)時，其探測系統(tǒng)回波信號始終為由遠(yuǎn)及近出現(xiàn)，選通距離門Ⅱ檢測遠(yuǎn)距離R2回波信號Ⅱ，選通距離門Ⅰ檢測近距離R1回波信號Ⅰ，發(fā)射信號、距離門及回波信號時序示意如圖6所示，圖中，τⅠ=2R1/C，τⅡ=2R2/C。根據(jù)回波信號Ⅰ、回波信號Ⅱ能量判決、時序邏輯判決融合起爆與抗干擾策略后，最終在預(yù)設(shè)的R1距離處輸出近炸起爆信號。

圖5 沖激引信基于雙距離門邏輯判決信號處理原理圖Fig.5 Schematic diagram of decision signal processing based on double distance gate logic

圖6 雙距離門邏輯判決沖激引信的發(fā)射信號、距離門及回波信號時序波形圖Fig.6 Emission signal of double-distance gate logic decision impulse fuze,Time sequence waveform of range gate

3 仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于雙距離門邏輯判決的沖激引信信號處理方法的可行性，采用Matlab軟件對沖激引信動目標(biāo)檢測進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。為驗(yàn)證該方法的抗有源干擾能力，在信道中增加掃頻信號作為模擬干擾源進(jìn)行仿真。

圖7 基于雙距離門邏輯判決的沖激引信信號處理方法可行性仿真Fig.7 Signal processing method feasibility simulation of impulse fuze based on logic decision of double distance gate

仿真結(jié)果表明，引信在遇模擬干擾源時未輸出虛警信號，在預(yù)定的近距離高度上輸出近炸起爆信號，基于雙距離門邏輯判決的沖激引信信號處理方法可行，并具有較強(qiáng)抗有源干擾能力。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)成熟的金屬板推板試驗(yàn)方法對基于雙距離門邏輯判決的沖激引信信號處理方案進(jìn)行硬件測試，其中預(yù)設(shè)遠(yuǎn)距離門在9 m處，近距離門在6 m處。測試結(jié)果分別如圖8、圖9所示。由圖可知：在預(yù)設(shè)9 m遠(yuǎn)距離處獲得回波信號，在預(yù)設(shè)6 m近距離處獲得回波信號，在掃頻干擾信號下未輸出虛警信號，并在約6 m處實(shí)時輸出近炸起爆信號。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，基于雙距離門邏輯判決的沖激引信信號處理方法可行，具有在預(yù)設(shè)高度實(shí)時輸出近炸起爆信號和較強(qiáng)抗有源干擾能力。

圖8 基于雙距離門邏輯判決的沖激引信信號處理方法回波信號實(shí)測信號Fig.8 Measured echo signal of impulse fuze signal processing method based on logic decision of double distance gate

圖9 基于雙距離門邏輯判決的沖激引信信號處理方法起爆信號實(shí)測信號Fig.9 Measured detonation signal of impulse fuze signal processing method based on logic decision of double distance gate

4 結(jié)論

本文提出基于雙距離門邏輯判決的沖激引信信號處理方法，該方法通過對傳統(tǒng)沖激引信信號處理中的單距離門接收處理改為雙取樣距離門接收處理獲取雙路回波信號，然后利用沖激引信探測目標(biāo)時，回波信號由遠(yuǎn)及近先后出現(xiàn)的邏輯特征進(jìn)行雙路回波信號能量判決及具有時序的邏輯判決。仿真和實(shí)測驗(yàn)證表明，基于雙距離門邏輯判決的沖激引信信號處理方法可行，并具有較強(qiáng)抗有源干擾能力。后續(xù)還可通過拓展數(shù)字化多距離門進(jìn)行回波信號多特征量的強(qiáng)邏輯算法分析以進(jìn)一步提升沖激引信抗干擾和炸點(diǎn)控制能力。