基于多諧波聯(lián)合識(shí)別的調(diào)頻引信定距方法

梁 遠(yuǎn)，黃 巖，張玉波，魏 新

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

連續(xù)波調(diào)頻體制引信是無線電近炸引信的重要組成部分，一般的連續(xù)波調(diào)頻引信采用諧波定距法來確定炸高。傳統(tǒng)的諧波定距方法采用基于單次諧波的定距方法，該方法利用回波中的諧波信號(hào)與彈目距離之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來確定彈目距離[1]。美國的M732A2引信、德國的DM84、瑞典的MK2引信均采用連續(xù)波調(diào)頻體制，通過檢測接收信號(hào)的不斷變化，高頻部件向低頻放大器輸出多普勒信號(hào)。當(dāng)多普勒信號(hào)為某一預(yù)定數(shù)值時(shí)，點(diǎn)火電路接通，完成點(diǎn)火和傳爆任務(wù)[2]。

基于單諧波的定距方法僅關(guān)注定距點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的單次諧波的信息，所采用的目標(biāo)識(shí)別與抗干擾措施均局限于單次諧波孤立開展，在面對(duì)有針對(duì)性的干擾時(shí)，引信的起爆精度會(huì)受到較大影響，甚至失去近炸能力[3]。針對(duì)此問題，本文提出基于多次諧波聯(lián)合識(shí)別的調(diào)頻連續(xù)波近炸引信定距方法。

1 基于單諧波的定距方法

調(diào)頻連續(xù)波近炸引信利用同一時(shí)刻發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的頻差獲取目標(biāo)的距離信息，由此頻差相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)頻差的偏移量獲取目標(biāo)的速度信息。

調(diào)頻連續(xù)波引信定距公式為：

(1)

式(1)中，n表示諧波階次，c表示光速，ΔF表示系統(tǒng)帶寬。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求及預(yù)設(shè)的系統(tǒng)參數(shù)，確定諧波階次n，即可求出對(duì)應(yīng)的定距高度R。

一般的，為了增強(qiáng)引信系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，還會(huì)選擇更高階次諧波，如第2n次諧波，進(jìn)行預(yù)處理，將其作為判決的必要條件，以打開遠(yuǎn)端距離門[4]。定距方法原理框圖如圖1所示。

圖1 基于單諧波定距方法原理圖Fig.1 Principle of ranging method base on single harmonic

2 基于多諧波聯(lián)合識(shí)別的定距方法

基于單諧波的調(diào)頻連續(xù)波引信定距方法只是關(guān)注定距點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的單次差頻諧波的信息，所采用的目標(biāo)識(shí)別與抗干擾措施全部局限于單次諧波孤立開展?；趩沃C波信息的處理方法在探測器的靈敏度出現(xiàn)較大差異，或者由于受到干擾而使得接收能量出現(xiàn)變化以及適應(yīng)起伏的地面目標(biāo)等情況時(shí)具有較大的局限性，其本質(zhì)在于缺乏信息之間的相互驗(yàn)證性與相互比較性[5]。

本文提出一種調(diào)頻連續(xù)波近炸引信用多諧波聯(lián)合識(shí)別定距方法。該方法在彈目交匯過程中選取多次諧波聯(lián)合判斷，利用多次諧波之間的時(shí)間、能量等邏輯關(guān)系進(jìn)行識(shí)別。

2.1 基本原理

基于多諧波聯(lián)合識(shí)別的定距方法主要包括兩大部分：一是多次諧波的能量信息的識(shí)別處理，二是多次諧波的速度信息的識(shí)別處理。其基本原理如圖2所示。

調(diào)頻連續(xù)波引信的發(fā)射信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

st(t)=At(t)cos[2πf0t+πmft2+φ0(t0)]，

(2)

式(2)中，At(t)為回波信號(hào)幅值，mf為調(diào)制常數(shù)，φ0(t0)為載波初始相位。

回波信號(hào)可表示為：

(3)

式(3)中，Δa(t)為寄生調(diào)幅，τ=2R/c，代入式(3)可得回波信號(hào)的瞬時(shí)頻率為：

(4)

(5)

由式(5)可以看出，回波信號(hào)瞬時(shí)頻率是關(guān)于時(shí)間的函數(shù)，也是關(guān)于彈目相對(duì)距離R(t)的函數(shù)。也就是說回波信號(hào)在彈目瞬態(tài)交會(huì)的過程中攜帶了目標(biāo)信息，它既包含有彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)的多普勒信息，也包含彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離信息，是時(shí)變函數(shù)，也是彈目距離的函數(shù)[4]。

圖2 基于多諧波聯(lián)合識(shí)別定距方法原理圖Fig.2 Principle of ranging methodbase on multiple harmonics

基于多諧波聯(lián)合識(shí)別定距時(shí)，信號(hào)處理模塊接收寬帶中頻信號(hào)，按照頻率由高及低的順序，將其處理成為等間隔的N次諧波(本文中取N=5)，并使其中頻率最低的一次諧波所對(duì)應(yīng)的探測距離與要求的定距距離相等；實(shí)時(shí)地解調(diào)出每次諧波包含的目標(biāo)能量信息和速度信息。

此方法中，根據(jù)式(1)選擇相應(yīng)的定距諧波作為上述頻率最低諧波，另外四次諧波作為輔助定距信息來源。分別提取五次諧波的能量信息，判定此次交會(huì)過程的動(dòng)態(tài)門限，以適應(yīng)不同探測器靈敏度、不同地面目標(biāo)散射率。提取五次諧波的出現(xiàn)順序及速度信息來達(dá)到諧波定距的目的，避免對(duì)各諧波平滑濾波處理時(shí)造成諧波能量包絡(luò)展寬或距離分辨力降低。

2.2 實(shí)現(xiàn)流程

基于多諧波聯(lián)合識(shí)別檢測方法具體的實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 基于多諧波聯(lián)合識(shí)別檢測方法流程圖Fig.3 Flow chart of ranging methodbase on multiple harmonics

為了保留信號(hào)的能量和相位信息，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行正交采樣。采樣數(shù)據(jù)結(jié)合后續(xù)的信號(hào)處理方法，能夠解決零中頻相位的正交誤差和幅度的不平衡。

假設(shè)中頻信號(hào)的最高頻率為fz，帶寬為B，中心頻率為f0，則ADC的采樣率設(shè)計(jì)為：

(6)

式(6)中，M為正整數(shù)。

對(duì)對(duì)稱正負(fù)斜率線性調(diào)頻系統(tǒng)的中頻信號(hào)采用傳統(tǒng)的FFT運(yùn)算進(jìn)行脈沖壓縮，通過選擇合適的窗函數(shù)以及合理地設(shè)計(jì)運(yùn)算參數(shù)，實(shí)現(xiàn)頻率的高分辨處理[6]。對(duì)數(shù)字正交采樣變換后的信號(hào)，按照與探測器同步信號(hào)的時(shí)延關(guān)系進(jìn)行重新組幀。

延時(shí)時(shí)間為：

Δt=Δt1+Δt2+Δt3+Δt4，

(7)

式(7)中，Δt1為探測器的系統(tǒng)時(shí)延，Δt2為中頻濾波放大器的系統(tǒng)時(shí)延，為Δt3信號(hào)處理器的FPGA片外時(shí)延(包括信號(hào)整理時(shí)延以及ADC的采樣時(shí)延等)，為Δt4數(shù)字正交采樣的總體處理時(shí)延。

重新組幀的同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)截取信號(hào)有效區(qū)間，完成時(shí)域“扣點(diǎn)”的過程。

采用相干脈沖積累的方法對(duì)脈沖壓縮后同一頻率(距離)單元中的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)疊加，在改善目標(biāo)回波信噪比的同時(shí)，獲得目標(biāo)的多普勒信息，從而最終分別生成各次諧波距離速度二維坐標(biāo)下的功率矩陣，為后續(xù)的目標(biāo)識(shí)別與啟動(dòng)判決提供原始信息。

從加窗的目的角度分析，加窗模塊1是為了解決相鄰次諧波相互干擾而設(shè)；而加窗模塊2是為了解決計(jì)算信號(hào)功率隨多普勒頻率的變化而起伏的問題。

由于在長時(shí)間積累過程中，目標(biāo)容易發(fā)生距離走動(dòng)，從而限制了傳統(tǒng)的相參積累算法的有效積累時(shí)間。距離走動(dòng)通常是由目標(biāo)快速運(yùn)動(dòng)或引信距離分辨率的提高而引起的。在長時(shí)間積累過程中，對(duì)于速度較低的目標(biāo)，由于積累時(shí)間較長或引信距離分辨率的提高，致使目標(biāo)可能在多個(gè)距離單元間走動(dòng)；而對(duì)于在非長時(shí)間積累過程中，目標(biāo)的高速運(yùn)動(dòng)也可能使得目標(biāo)的回波出現(xiàn)在多個(gè)距離單元[7]。嚴(yán)重的距離走動(dòng)將導(dǎo)致目標(biāo)回波能量散落在眾多距離單元，而使傳統(tǒng)相參積累算法無法積累。

在引信彈目交會(huì)過程中，可近似認(rèn)為交會(huì)速度恒定，加速度為零，因此僅考慮速度影響，MTD處理結(jié)果的時(shí)延-多普勒模糊函數(shù)可近似表示為[8]：

(8)

設(shè)雷達(dá)距離分辨率為ΔR=c/2B，可得高速目標(biāo)回波包絡(luò)的跨距離單元數(shù)為：

(9)

式(9)表明高速目標(biāo)會(huì)引起回波包絡(luò)跨越距離單元走動(dòng)，跨單元數(shù)僅與目標(biāo)速度、積累時(shí)間以及信號(hào)帶寬有關(guān)。

去斜后的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)中頻回波不是單頻信號(hào)，而是一個(gè)LFM信號(hào)。其調(diào)頻斜率與目標(biāo)的速度及發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻斜率有關(guān)，其中心頻率則與參考時(shí)延、目標(biāo)距離、目標(biāo)速度、調(diào)頻斜率等因素有關(guān)。使用適當(dāng)?shù)乃惴▽?duì)此LFM信號(hào)進(jìn)行參數(shù)解調(diào)，可獲取不依賴于載頻以及多普勒信息的彈目速度、高度信息。

經(jīng)過前期數(shù)據(jù)處理后得到的MTD目標(biāo)信息、距離徙動(dòng)目標(biāo)信息等，依據(jù)一定的規(guī)則，在此系統(tǒng)中進(jìn)行判據(jù)綜合，從而鎖定目標(biāo)的高度和速度信息，按照預(yù)設(shè)的條件輸出判決信號(hào)。

如果此引信探測系統(tǒng)安裝在具有彈載導(dǎo)航信息輸出功能的武器平臺(tái)上，則目標(biāo)識(shí)別與檢測時(shí)還可接收彈載計(jì)算機(jī)傳輸?shù)暮０巍⑺俣取⒔嵌鹊葘?dǎo)航信息，使用這些信息與引信自測信息進(jìn)行比對(duì)擬合，從而提高目標(biāo)判決的準(zhǔn)確性以及抗干擾性能。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 模型仿真

在Simulink中對(duì)兩種方法分別進(jìn)行仿真。

以載頻30 GHz，調(diào)制頻率300 kHz，定距距離20 m為例，對(duì)基于單諧波定距方法進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。在彈目交匯過程中，選取兩次諧波來進(jìn)行定距。此方法中，兩次諧波獨(dú)立判決，遠(yuǎn)端諧波主要用作判斷距離門、抗干擾用，近端諧波用來實(shí)際定距。

以同樣參數(shù)對(duì)基于多諧波聯(lián)合識(shí)別方法進(jìn)行仿真。在彈目交匯過程中，接收寬帶中頻信號(hào)，按照頻率由高及低的順序，將其處理成為等間隔的五次諧波，并使其中頻率最低的一次諧波所對(duì)應(yīng)的探測距離與要求的定距距離相等，然后實(shí)時(shí)解調(diào)出每次諧波包含的目標(biāo)能量信息和速度信息。仿真結(jié)果如圖5所示，圖5(a)為多諧波聯(lián)合識(shí)別定距能量圖，圖5(b)為多諧波聯(lián)合識(shí)別定距速度圖。

仿真結(jié)果表明，兩種方法在理論模型仿真(無噪聲等干擾情況下)中，均能夠在0.25 s時(shí)刻檢測到定距諧波，準(zhǔn)確定距，并且無明顯差異。

圖4 基于單諧波定距仿真圖Fig.4 Simulation diagram of ranging method base on single harmonic

圖5 基于多諧波聯(lián)合識(shí)別定距仿真圖Fig.5 Simulation diagram of ranging method base on multiple harmonics

3.2 半實(shí)物仿真

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用半實(shí)物仿真來分別驗(yàn)證兩種定距方法。系統(tǒng)參數(shù)與Simulink仿真時(shí)相同。此外，每次半實(shí)物仿真試驗(yàn)都設(shè)置了同樣的有源干擾，干擾模式為掃頻-調(diào)頻干擾。將半實(shí)物系統(tǒng)置于空曠場地(前方50 m內(nèi)無明顯障礙物)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示。

從圖6中可以看到，試驗(yàn)中，基于單諧波定距的半實(shí)物系統(tǒng)受到干擾，噪聲基底抬高，并且檢測到了“有效”諧波，并輸出了諧波判決信號(hào)。圖7中，在同樣條件下，基于多諧波聯(lián)合識(shí)別定距的半實(shí)物系統(tǒng)受到干擾，噪聲基底抬高，并沒有檢測到有效諧波，沒有輸出諧波判決信號(hào)。

對(duì)兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，不難發(fā)現(xiàn)基于單諧波的定距方法，其用于識(shí)別的兩次諧波之間缺乏相關(guān)性的邏輯比較判斷，沒有充分利用先驗(yàn)信息，易被相關(guān)性較強(qiáng)的干擾信號(hào)干擾?；诙嘀C波聯(lián)合識(shí)別定距方法，在受到干擾時(shí)，在能量維度，對(duì)于選取的多次諧波之間進(jìn)行邏輯判斷，并與先驗(yàn)信息進(jìn)行比較，由于多次諧波之間的順序以及能量關(guān)系不滿足先驗(yàn)信息，故沒有檢測到有效諧波；在速度維度，干擾出諧波的時(shí)刻，對(duì)應(yīng)時(shí)刻的速度值沒有收斂至預(yù)設(shè)區(qū)間，故同樣沒有檢測到有效諧波。

圖6 基于單諧波定距半實(shí)物仿真Fig.6 Hardware in the loop simulation of ranging method base on single harmonic

圖7 基于多諧波聯(lián)合識(shí)別定距半實(shí)物仿真Fig.7 Hardware in the loop simulation of ranging method base on multiple harmonics

對(duì)上述兩種定距方法進(jìn)行蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)一：載頻30 GHz，初始相位差0°，調(diào)制頻率在250～350 kHz之間進(jìn)行100次蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)二：載頻30 GHz，調(diào)制頻率為300 kHz，初始相位差在0°～180°之間進(jìn)行100次蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Monte Carlo test results

表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于單諧波定距基于多諧波聯(lián)合識(shí)別定距方法抗有源干擾能力有較大的提升。

4 結(jié)論

本文提出基于多諧波聯(lián)合識(shí)別的調(diào)頻引信定距方法。該方法利用多諧波的距離信息和速度信息，在多諧波之間進(jìn)行邏輯上的驗(yàn)證與比較，實(shí)現(xiàn)了基于多諧波的聯(lián)合識(shí)別定距。仿真結(jié)果表明，基于多諧波聯(lián)合識(shí)別的調(diào)頻引信定距方法適用于目前的調(diào)頻連續(xù)波近炸引信，并提高引信定距過程中的抗干擾能力。