基于Simulink 仿真的無線電引信信號處理器性能退化研究

張星宇，劉迪

（陸軍工程大學石家莊校區，河北石家莊，050003）

0 引言

連續波多普勒無線電引信是最早使用的一種無線電引信，其結構簡單、體積小、成本低、可靠性高，目前仍被各國廣泛使用。其作用原理是采用多普勒效應，利用引信與目標接近時二者間的相對運動，使引信發射機振蕩源的信號頻率f0與接收機接收到的信號頻率f 產生差異，引信接收到的多普勒信號的振幅隨彈目距離的減小而增大，從而提取目標信息以在最佳位置起爆[1]。

信號處理器是無線電引信提取目標信息的重要部件，其性能狀況直接關系到引信能否在預定位置起爆，發揮毀傷效果。實際運用環境中，引信面對高（低）溫、溫度變化、振動、沖擊等復雜環境應力的影響，電子部件的性能勢必會發生變化，出現一定程度的退化甚至失效。因此，采用一定手段對無線電引信性能變化進行分析，并在設計上對其薄弱環節、可能故障點進行加固，具有很強的現實意義。傳統的無線電引信性能測試運用專用的儀器設備，通過引信預留接口或插針進行測試，需要對引信進行分解，工作量較大，且獲得數據一般只能判斷引信是否合格，難以進一步分析。針對這一問題，本文基于Simulink 平臺搭建了無線電引信信號處理器系統仿真，并模擬了部件退化對其性能造成的影響。

1 信號處理器工作原理及故障分析

1.1 工作原理

以某型無線電引信信號處理器為例進行分析。該信號處理器的原理方框圖如圖1 所示，由七個功能電路組成，分別為帶通放大器、整流濾波器、采樣脈沖產生器、幅度檢測電路、增幅速率選擇電路、模擬地產生的電路、輸出驅動電路。

圖1 信號處理器原理方框圖

其工作原理為由無線電引信目標檢測器輸出的信號，通過帶通放大器抑制通帶以外的信號，保留目標信號（即多普勒信號）后分兩路，一路送至整流濾波器，進行全波整流，提取目標信號幅值；另一路送至采樣脈沖發生器，將連續波多普勒信號變為脈沖串，用于控制增幅速率選擇電路。經全波整流的幅度信號有三個通道，一是送至幅度檢測的電路，當該幅度一旦超過設定門限時，幅度檢測器會檢測出來并輸出高電平至與門；二是送至衰減器后分兩路，一路輸出端形成增幅速率上限檢測電路的動態上門限，另一路為增幅速率上限檢測電路，當增幅速率超過動態上門限時輸出高電平至與門；三是送至積分器后分兩路，一路輸出端形成動態下門限，另一路送至增幅速率下限檢測電路，當增幅速率超過動態下門限時輸出高電平至與門。因此，只有當幅度檢測、上限幅度檢測、下限幅度檢測三通道同時輸出高電平時，信號處理器才會輸出點火脈沖，有效利用了目標信號的幅度、增幅速率等信息，使其具有很好的目標識別能力與抗干擾能力。

1.2 失效模式分析

根據信號處理器的工作原理及各功能電路結構，首先采用FTA 法（故障樹分析法）對其可能的失效模式進行分析，如圖2。

圖2 信號處理器失效樹

由失效樹可知，各電路中的部分電容、電阻、運算器等的失效都將導致分電路失效，進而影響信號處理器功能，造成其失效。再利用FMECA 法（故障模式影響及危害度分析法）對其失效模式影響影響進行分析，如表1。

表1 信號處理器失效模式及影響分析

通過上述分析可知，信號處理器各電路的部件變化對整體性能存在影響，會造成其退化和失效。但采用FTA 法與FMECA 法分析失效模式過于籠統，只定性地提出了結論卻沒有直接針對某一部件，導致可操作性與指導性不強，難以運用工程實際。因此，本文結合分析結果，運用Simulink 仿真軟件進一步研究。

2 信號處理器仿真模型搭建

針對無線電引信信號處理器仿真模型的搭架，國內學者已經做了大量工作，并在MATLAB 平臺[2-4]、Simulink 平臺[5-7]、PSPICE 平臺[8]、ADS 平臺[9]等完成過搭建，本文延續于Simulink 平臺搭建信號處理器的思路開展研究。

2.1 輸入信號分析

目標探測器輸出的信號進入信號處理器，該信號的組成為振蕩電路產生的本振信號與目標回波信號混頻而成：

其中UL與Ur分別為本振信號的幅值與回波信號的幅值，f 為本振信號的頻率，fd為回波信號中多普勒信號的頻率。本文研究的某型無線電引信為一種對地引信，根據多普勒定律，可得

式中Vd與θ 分別為引信隨彈丸接近地面時的速度與落角，λ0為本振信號波長。同時，回波信號的幅值隨下落高度的變化而變化，即

式中，SA為引信自差收發機的靈敏度，D 為天線方向系數，F(φ)為天線的方向性函數，N 為反射系數，H0為引信距離地面的初始高度。

針對特定引信隨炮彈的某一次射擊過程中，f、Vd、θ、SA、D、F(φ)、N、H0都為確定的常數，只與引信結構和射擊諸元有關，因此可通過計算得到輸入信號，并用于仿真。

2.2 仿真模型整體設計

根據信號處理器的作用原理以及各分部件工作過程，首先確定仿真模型流程圖：

圖3 仿真模型流程圖

根據確定的流程圖，分別構建各分模塊。如輸入信號由1式、3 式計算結果的兩路信號混頻而成；如帶通濾波可以采用Simulink 預設模塊Digital Filter Designer，根據信號處理器特性調整預設參數實現功能；又如全波整流可以通過預設開關模塊Relay、Switch 等組合而成實現。將各模塊相連，完成信號處理器仿真模型的搭建，如圖4。

圖4 信號處理器仿真模型

2.3 典型場景仿真及結果

圖5 仿真場景

選取火炮對地面射擊某一時刻，此時引信隨彈丸距離地面高度H0=25m，彈丸飛行速度Vd=800m/s，與地面落角θ=30°，地面反射系數N=0.15，無線電引信本振信號中心頻率f=200MHz，其余參數為該型無線電引信設計時的固有參數，場景如圖6。

通過將計算得到的回波信號以及本振信號混頻后輸入仿真模型，開始仿真，過程中部分結果及最終仿真結果如圖6至圖9 所示。

圖6 帶通放大器輸出信號

圖7 全波整流輸出信號

圖8 采樣脈沖信號

圖9 仿真最終結果

根據仿真最終結果，點火脈沖出現的時間為仿真開始后0.031s 至0.039s 之間，結合彈體的落速與落角，計算得到此時炸高分布于9.4m 至12.6m 之間。

3 基于仿真模型的失效分析

電子產品的失效模式可分為突發失效與退化失效兩種模式[10]。突發失效即產品在某一瞬間其功能完全喪失，如發生了元器件擊穿、電路短路、材料斷裂等，會直接造成系統功能失效。種類失效通常由于高強度外界應力刺激或產品自身設計缺陷導致，難以預測。退化失效是產品在貯存或使用過程中，性能隨時間的延長而逐漸劣化，如電阻阻值漂移、電容數值的改變、線路導電性能的變化等，直至無法正常工作[11]。這類失效無法避免，取決于產品的貯存與工作環境[12]。

由于線路中的電阻、電容器件的性能直接關系到信號處理器各部件參數，且其退化過程易于量化代入仿真模型。因此下文研究電阻、電容性能退化對信號處理器部件及整體的影響。

3.1 采樣脈沖發生器

采樣脈沖發生器的工作過程為比較器負端相連的RC 并聯電路的放電過程。初始狀態下比較器正端偏壓小于負端，此時比較器輸出高電平；負端電壓隨著RC 電路的放電不斷下降，當負端偏壓下降到小于正端時，比較器翻轉輸出低電平，此過程隨多普勒頻率周期而重復。在正負兩端偏壓確定的情況下，脈沖寬度只與負端并聯的電容、電阻有關。在仿真模型中調整并聯RC 電路的等效數值表示其退化過程，選取數值退化+10%、+20%、-10%、20%，于示波器3 中用標尺工具測量采樣脈沖變化情況，具體結果見表2。

表2 采樣脈沖退化結果

由結果可得，當RC 并聯線路等效數值發生增大退化時，采樣脈沖變寬；當RC 并聯線路等效數值發生減小退化時，采樣脈沖變窄。分析點火脈沖變化情況時發現采樣脈沖寬度對點火脈沖出現時間及范圍無影響，即不影響引信炸高，但直接關系到點火脈沖寬度，過寬會導致受干擾概率增加，過窄會導致無法正常驅動執行級點火。

3.2 速率上限檢測電路

幅值增幅速率上限檢測運用比較器實現，正端為幅值進行微分后的增幅速率信號，負端為動態上門限。動態上門限的產生通過RC 網絡使信號衰減實現，輸入網絡的信號隨著輸入信號的增幅速率變大而開始以一定速率衰減，該數值與RC 網絡電容、電阻數值有關。分別調整仿真模塊中相關RC 網絡的等效數值表示其退化過程，選取數值退化+15%、+30%、-15%、-30%，于“仿真結果”示波器中用標尺工具測量各脈沖變化情況，結果如表3。

表3 速率上限檢測電路退化結果

由結果可知，當RC 網絡的等效數值發生增大失效時，上限脈沖截止時間增加，點火脈沖范圍增大，炸高分布加大；當RC 網絡的等效數值發生減小失效時，上限脈沖截止時間減少，點火脈沖范圍減小，炸高分布變窄，在數值衰減達到-30%時，上限脈沖截止時間T 小于下限脈沖出現時間，此時無點火脈沖產生，造成引信的瞎火。

3.3 速率下限檢測電路

對于增幅速率下限檢測電路的研究思路與上限電路類似，同樣選取數值退化+15%、+30%、-15%、-30%，結果如表4。

表4 速率下限檢測電路退化結果

由結果可知，當RC 網絡的等效數值發生增大失效時，下限脈沖出現時間增加，點火脈沖范圍減小，炸高分布變窄且炸高減小，在數值增加達到+30%時，下限脈沖出現時間T 大于上限脈沖截止時間，此時無點火脈沖產生，造成引信瞎火；當RC 網絡的等效數值發生減小失效時，下限脈沖出現時間減小，點火脈沖范圍增大，炸高分布加大且炸高增加。

4 結論

本文以某型連續波多普勒無線電引信信號處理器為研究對象，通過分析其結構與作用原理，采用FTA 法與FMECA 法對信號處理器存在的失效模式進行了歸納。針對上述兩種方法工程指導性不強的問題，運用Simulink 搭建信號處理器仿真模型，并對一射擊場景進行了模擬。基于仿真模型，在相關電容、電阻性能退化的情況下，對采樣脈沖發生器、增幅速率上限檢測電路、增幅速率下限檢測電路進行了仿真，得出了以下結論：

(1）采樣脈沖發生器產生的脈沖寬度與比較器負端并聯RC 電路的等效數值呈正相關關系；(2）增幅速率上限脈沖的截止時間隨動態上門限的控制RC 網絡的等效數值的增大右移，減小左移，當左移達到一定程度后會造成引信瞎火；(3）增幅速率下限脈沖的截止時間隨動態下門限的控制RC 網絡的等效數值的增大右移，減小左移，當右移達到一定程度后會造成引信瞎火。