對稱三角波調(diào)頻定高引信設(shè)計與仿真

馬　馳，劉秋生，彭朝琴

(1.北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191；

2.軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003)

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對稱三角波調(diào)頻定高引信設(shè)計與仿真

馬馳1，劉秋生2，彭朝琴1

(1.北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191；

2.軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003)

摘要調(diào)頻定高引信是一種采用調(diào)頻連續(xù)波測距基本原理，實現(xiàn)在某確定高度引爆彈藥戰(zhàn)斗部的近炸引信。由于彈藥末端的較大落速，會在近炸引信的信號處理過程中引入多普勒頻移，從而使定高引信產(chǎn)生誤差?；趯ΨQ三角波調(diào)制的連續(xù)波體制，對差頻信號采樣后利用快速傅里葉變換，計算得到回波信號相對于發(fā)射信號的頻率偏移，并以20～100 m為例，對定高引信進(jìn)行了設(shè)計與仿真，并對高速再入環(huán)境下的定高精度、抗噪性能做出分析。仿真結(jié)果聲明，采用對稱三角波的調(diào)頻定高引信能夠避免多普勒效應(yīng)的影響，實現(xiàn)精確定高。

關(guān)鍵詞定高引信；調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)；對稱三角波調(diào)制；多普勒效應(yīng)

0引言

隨著軍事技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程、精確及高效成為了現(xiàn)代戰(zhàn)爭的重要特征。為發(fā)揮彈藥殺爆戰(zhàn)斗部的最大效能，精確定高起爆是一種最重要的形式。以遠(yuǎn)程火箭類彈藥為例，其末端速度大約為2～3馬赫，如要求在20～100 m裝定，精度應(yīng)不大于5 m，這對高速環(huán)境下的精確定高引信提出了很高要求。

調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)體制雷達(dá)具有結(jié)構(gòu)簡單、低發(fā)射功率、低截獲性、高距離分辨力、大時間帶寬積、高靈敏度以及高抗有源干擾等優(yōu)點(diǎn)，在航空領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1,2]。由于芯片技術(shù)的進(jìn)步，F(xiàn)MCW雷達(dá)單片微波集成電路尺寸低至2 mm×3.5 mm[2，3]；并且，對于頻率的測量可以使用快速傅里葉變換(FFT)以數(shù)字形式來完成[4]，精確度和實時性得到大幅提高[5]，適合應(yīng)用于彈載定高引信。

定高引爆戰(zhàn)斗部或炸彈等，通常處于高速再入環(huán)境[6]，較大下落速度所引起的多普勒頻移會對定高精度造成影響。論文利用對稱三角波調(diào)制的測距測速特點(diǎn)[7，8]，以FFT算法對頻率進(jìn)行測量，對設(shè)計定高20～100 m、可在高速再入環(huán)境下精確定高的引信展開研究。

1FMCW定高引信定高原理

由于無線電信號在空間中傳播速度可近似視為恒定，通過測量出信號的傳播時間，便可以計算出信號傳播經(jīng)過的路程。假設(shè)信號在空間中的傳播時間為t，則信號經(jīng)過的路程S滿足：

S=c×t。

(1)

式中，光速c≈3×108m/s 。

定高引信通過測量接收到的回波脈沖相對于發(fā)射脈沖的延遲時間Td，計算得到彈藥相對于地面的高度H為：

(2)

因此，定高引信對于高度的測量就轉(zhuǎn)變?yōu)閷ρ舆t時間的測量。

FMCW是頻率以一定規(guī)律變化的連續(xù)無線電波，其頻率調(diào)制規(guī)律在原理上可以是任何形式的，但通常采用正弦波、對稱三角波和鋸齒波作為調(diào)制信號。為消除多普勒效應(yīng)對于測高的影響，本系統(tǒng)采用對稱三角波調(diào)制，調(diào)制規(guī)律如圖1所示。

圖1　對稱三角波調(diào)制

圖1中，實線所示為發(fā)射信號頻率ft(t)，虛線為經(jīng)過時延的回波信號頻率fr(t)，Δf為調(diào)制頻偏，Tm為調(diào)制周期，Td為延遲時間，fb+為前半調(diào)制周期回波信號頻移，fb-為后半調(diào)制周期回波信號頻移。當(dāng)彈藥具有豎直方向的下落速度時，雷達(dá)高度表的回波信號會產(chǎn)生向上的多普勒頻偏fd[9]滿足：

fd≈2vf0/c。

(3)

式中,v為豎直方向下落速度；f0為載波頻率。

由圖1可以看出，fb+與fb-滿足[10]：

(4)

式中，Δfb為回波信號因時間延遲而產(chǎn)生的頻移。由式(4)，在測量出fb+與fb-后可以計算得到Δfb與fd，進(jìn)而可由式(3)反解出彈藥下落速度；也可根據(jù)調(diào)制規(guī)律，計算得到延遲時間，從而得到彈藥的真實高度H為：

(5)

(6)

2定高引信設(shè)計方案

系統(tǒng)由壓控振蕩器(VCO)、放大器、收發(fā)天線、混頻器、濾波電路和計算器組成。計算器將根據(jù)調(diào)制規(guī)律產(chǎn)生調(diào)制信號，控制VCO生成頻率以對稱三角波形式變化的射頻信號。射頻信號通過功分器分為2路信號：一路經(jīng)過放大器后作為發(fā)射信號由天線發(fā)射出去，另一路引入混頻器的一個輸入端?；夭ㄐ盘柺前l(fā)射信號經(jīng)過延遲和衰減，并且疊加了高斯白噪聲的信號，經(jīng)過放大后引入混頻器的另一輸入端。

混頻器的輸出信號頻率為2個輸入信號頻率之差?；祛l器輸出信號經(jīng)過低通濾波，得到頻率為回波信號與發(fā)射信號的頻率差的差頻信號，分別對前半、后半調(diào)制周期差頻信號進(jìn)行采樣，再經(jīng)過FFT運(yùn)算后，拾取最大譜值點(diǎn)，得到fb+與fb-，進(jìn)而解算出彈藥真實高度。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)原理

系統(tǒng)設(shè)計定高為20～100 m，定高誤差為±2 m。調(diào)制頻偏越高定高精度越好，但由于VCO性能的限制，選定調(diào)制頻偏45 MHz。在設(shè)計最大高度100 m時，回波信號延遲時間為0.667 μs，調(diào)制周期應(yīng)遠(yuǎn)大于最大回波延遲時間，選定為400 μs。FFT點(diǎn)數(shù)N越大系統(tǒng)分辨率越高，但計算量會大幅增加，對系統(tǒng)實時性造成影響，綜合選定為1 024。

3仿真結(jié)果與分析

以Matlab為仿真平臺，若高度為20 m，下降速度1 000 m/s為例，詳細(xì)介紹此狀況下的仿真結(jié)果。首先，系統(tǒng)通過壓控振蕩器生成載頻為2.4 GHz，調(diào)制頻偏為45 MHz，調(diào)制周期為400 ns的本振信號，經(jīng)過放大后作為發(fā)射信號由天線發(fā)出。

發(fā)射信號經(jīng)過時延和衰減并疊加高斯白噪聲，被天線接收成為回波信號。將放大的回波信號與本振信號輸入混頻器，得到差頻信號?；夭ㄐ盘栃旁氡葹?6 dB時的差頻信號如圖3所示。

圖3　差頻信號(回波信號SNR=-6 dB)

將差頻信號通過歸一化截止頻率2/3的FIR加窗低通濾波后，分別對前半調(diào)制周期和后半調(diào)制周期的濾波后差頻信號采樣，并進(jìn)行FFT運(yùn)算，得到的差頻信號頻譜如圖4和圖5所示。拾取最大譜值點(diǎn)后，將fb+與fb-帶入式(6)，得到測高與測速結(jié)果。

圖4　前半調(diào)制周期濾波后差頻信號FFT

圖5　后半調(diào)制周期濾波后差頻信號FFT

表1列出了1 km/s下落速度、3種信噪比情況下，定高引信在5個高度點(diǎn)上的測高結(jié)果。從表1可以看出，隨著信噪比的降低，fb+與fb-的頻譜逐漸淹沒在噪聲頻譜中，在-9 dB信噪比下系統(tǒng)開始出現(xiàn)提取fb+與fb-誤差，造成系統(tǒng)不能準(zhǔn)確測高。系統(tǒng)在-6 dB以上信噪比均能精確測量真實高度。

表1　不同信噪比下的測高結(jié)果　(單位：m)

從表1中可以看出，在各高度位置所設(shè)計的定高引信都具有較高的測量精度，滿足定高精度要求。而且從不同信噪比狀況下來看，采用FFT從頻域來進(jìn)行信號處理，也使本定高引信都具備了較高的抗噪能力。

表2列出了信噪比-6 dB，以不同速度下落時，定高引信在20 m高度點(diǎn)上的測高、測速結(jié)果，另外列出了是用只根據(jù)前半調(diào)制周期差頻信號進(jìn)行高度測量的原始方法的測高結(jié)果。

表2　在20 m高度下，不同下落速度時的測高測速結(jié)果

從表2中可以看出，本定高引信測速精度不高，但通過利用對稱三角波調(diào)制的特點(diǎn)，測量信號頻率上升階段和下降階段回波信號的頻移平均值，較好地消除了多普勒效應(yīng)對測高的影響，實現(xiàn)了高速再入環(huán)境下的精確測高，相對于原始方法具有明顯優(yōu)勢。

從系統(tǒng)仿真結(jié)果來看，其具有正方向1 m左右的固有定高誤差，對于定高精度影響較小，滿足設(shè)計要求。此正方向的微小高度誤差，可以為系統(tǒng)計算高度，和引信點(diǎn)火預(yù)留出一部分時間。若要消除或減小此固有定高誤差，可以將測高結(jié)果減去1 m，使測高結(jié)果在真實值±0.5 m處波動。

4結(jié)束語

設(shè)計和仿真了采用對稱三角波調(diào)制的連續(xù)波定高引信，通過平均回波信號前半調(diào)制周期與后半調(diào)制周期相對于發(fā)射信號的頻移，較好地消除多普勒效應(yīng)的影響，實現(xiàn)了彈藥在高速再入環(huán)境下的有效定高。由于采用快速傅里葉算法，以數(shù)字信號處理方法對回波信號頻移進(jìn)行結(jié)算，使得系統(tǒng)具有較高的測高精度與較好的抗噪能力。在測量高度的同時，也可以解算出彈藥的下落速度，但精度較低?？梢酝ㄟ^增大載波頻率的方法改善測速精度。

參考文獻(xiàn)

[1]徐小平,劉建新,韓宇,等.FMCW測距雷達(dá)數(shù)字信號處理器設(shè)計仿真[J].信息與電子工程,2004,2(2):133-135.

[2]STOVE A G.Linear FMCW Radar Techniques[J].Radar and Signal Processing,1992,139(5):343-350.

[3]TESSMANN Axel,KUDSZUS Steffen.Compact Single-chip W-band FMCW Radar Modules for Commercial High-resolution Sensor Applications[J].Microwave Theory and Techniques,2002,50(12):2 995-3 001.

[4]宋瑋.FMCW雷達(dá)測距精度及其信號處理技術(shù)的研究[D].南京:南京理工大學(xué),2004.

[5]楊毅.FMCW雷達(dá)高度表數(shù)字信號處理技術(shù)研究[D].綿陽:中國工程院物理研究院,2009.

[6]劉建新.脈沖及脈間二相編碼雷達(dá)高度表信號處理方法研究[D].成都:電子科技大學(xué),2004.

[7]蔣留兵,林和昀,沈翰寧,等.基于 DSP 的防撞雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].工程應(yīng)用技術(shù)與實現(xiàn),2012,38(12):255-257.

[8]秦國連.FMCW雷達(dá)高度表多普勒效應(yīng)的誤差分析[J].制導(dǎo)與引信,1995(3):40-45.

[9]鮑吉龍,應(yīng)延治,趙洪霞,等.基于DSP技術(shù)的防撞汽車?yán)走_(dá)[J].微計算機(jī)信息,2006,22(4-2):188-190.

[10]盛懷茂,夏冠群,孫曉偉,等.FMCW毫米波防撞雷達(dá)系統(tǒng)[J].電子產(chǎn)品世界,2001(2):58-59.

馬馳男，(1990—)，碩士研究生。主要研究方向：調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)及其信號處理。

劉秋生男，(1967—)，教授。主要研究方向：儀器科學(xué)與技術(shù)。

引用格式：馬馳,劉秋生,彭朝琴.對稱三角波調(diào)頻定高引信設(shè)計與仿真[J].無線電工程,2016,46(1):61-64.

Design and Simulation of Symmetrical Triangle Wave

Modulation Altimeter Fuze

MA Chi1,LIU Qiu-sheng2,PENG Zhao-qin1

(1.SchoolofAutomationScienceandElectricalEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191,China;

2.PLACollegeofOrdnanceEngineering,ShijiazhuangHebei050003,China)

AbstractThe frequency modulation altimeter fuze is a kind of proximity fuze which makes use of basic principles of frequency modulation continuous wave ranging to detonate warhead of ammunition in a given height.Due to the large fall velocity of ammunition,the Doppler frequency shift is introduced in the signal processing,so errors of altimeter fuze are generated.Based on symmetrical triangle wave modulated continuous wave,taking 20～100 m as an example,the altimeter fuze is designed and simulated by using fast Fourier transform after sampling the beat frequency signal and calculating the frequency shift of echo signal with respect to transmitted signal.And the precision of height measurement and anti-noise performance in large fall velocity are analyzed.The simulation results show that the altimeter fuze using symmetrical triangular wave modulated continuous wave can avoid the influence of Doppler effect to achieve high-precision height determination.

Key wordssaltimeter fuze;FMCW radar;symmetrical triangle wave modulation;Doppler effect

作者簡介

基金項目：國家自然基金青年基金資助項目(61305131)。

收稿日期：2015-09-08

中圖分類號TJ434.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1003-3106(2016)01-0061-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.01.15