偽碼引信長短碼復(fù)合測高相關(guān)接收方法

徐利平,王　震，王大鵬，魏　瑋

(西安機電信息技術(shù)研究所，陜西 西安　710065)

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偽碼引信長短碼復(fù)合測高相關(guān)接收方法

徐利平,王震，王大鵬，魏瑋

(西安機電信息技術(shù)研究所，陜西 西安710065)

針對傳統(tǒng)脈沖體制偽碼引信單組碼測高存在高處理增益與減小探測盲區(qū)之間的矛盾，提出長短碼復(fù)合測高相關(guān)接收方法。該方法采用一個長碼相關(guān)器和一個短碼相關(guān)器進(jìn)行相關(guān)接收，兩個相關(guān)器間用射頻開關(guān)切換，遠(yuǎn)距離探測時選用長碼相關(guān)器進(jìn)行相關(guān)接收，處理增益高，干擾容限大，抗干擾性強；近距離探測時，選用短碼相關(guān)器進(jìn)行相關(guān)接收，探測距離更低，拓展了引信的近距離探測范圍。測試和試驗結(jié)果證明該方法在保證遠(yuǎn)距離抗干擾能力的情況下，可有效提高引信的近距離探測能力。

偽碼引信；相關(guān)接收；探測盲區(qū)

0　引言

脈沖體制測距具有測距精度高，抗干擾性能好等特點。偽隨機碼具有極強的自相關(guān)性，可有效地解決抗干擾問題，提高引信與戰(zhàn)斗部的有效配合，增強引信的抗干擾能力[1-2]。偽碼測高引信一般采用單天線收發(fā)一體、脈沖工作體制，即發(fā)射偽碼信號時關(guān)閉接收通道，接收回波信號時關(guān)閉發(fā)射通道，來減小發(fā)射通道直通到接收通道的能量，減小對接收的干擾。傳統(tǒng)的偽碼引信一般采用單組碼測高，即只用一組偽隨機碼對發(fā)射信號進(jìn)行調(diào)制，然后對回波進(jìn)行相關(guān)處理。偽碼引信碼長決定系統(tǒng)的處理增益和探測盲區(qū)，碼字越長，系統(tǒng)的處理增益越高[3]，抗干擾能力越強，但是探測盲區(qū)也越大?，F(xiàn)代高價值彈藥對引信的探測能力要求比較高，一般從15 m到200 m都有探測需求,所以單組碼偽碼測高引信很難滿足要求。

基于聲表面波的偽碼相關(guān)器具有高處理速度，大處理帶寬，和極強的處理能力,特別是實時處理中具有絕對優(yōu)勢[4]。同時聲表面波相關(guān)器體積小、功耗低，所以偽碼引信相關(guān)處理多采用聲表面波相關(guān)器。文獻(xiàn)[5]中和文獻(xiàn)[6]中闡述的相關(guān)接收方法為：系統(tǒng)發(fā)射13位巴克碼調(diào)制的射頻信號，然后將目標(biāo)反射的回波信號下變頻到中頻，在中頻經(jīng)過聲表相關(guān)器相關(guān)處理后提高了回波信號的信噪比，輸出信號經(jīng)過檢測器和比較器后輸出高度判決信號。由于系統(tǒng)采用單組碼測距，所以存在固定近探測盲區(qū)的問題。文獻(xiàn)[7]中對相關(guān)器的相關(guān)處理進(jìn)行了改進(jìn)，對相關(guān)器的輸入輸出端進(jìn)行了匹配，減小了相關(guān)器的反射損耗，但是仍屬于單組碼測距，近距離探測仍存在固定探測盲區(qū)的問題。本文針對此問題，提出采用長短碼復(fù)合測高的方法。

1　傳統(tǒng)偽碼引信相關(guān)接收方法

傳統(tǒng)偽碼引信相關(guān)接收方法如圖1所示。

圖1　傳統(tǒng)偽碼引信相關(guān)接收方法Fig.1　Traditional correlation reception method for PN Fuze

偽碼引信采用脈沖測距原理，寬波束單天線收發(fā)分時復(fù)用，在中頻進(jìn)行0/π調(diào)制，然后上變頻到射頻，經(jīng)功放由天線發(fā)射出去，然后轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，回波信號經(jīng)天線、T/R開關(guān)，低噪放后下變頻到中頻，然后在中頻進(jìn)行相關(guān)處理，最后由信號處理器計算出回波的延時并得出高度信息。

將射頻信號下變頻到中頻可以防止高頻信號直接饋通，使相關(guān)處理在較低頻率上實現(xiàn)。相關(guān)處理采用聲表面波相關(guān)器實現(xiàn)，簡化了結(jié)構(gòu)，提高信號的處理速度，降低系統(tǒng)的功耗。噪聲和干擾分量的功率譜在相關(guān)器相關(guān)解擴過程中被擴展，使進(jìn)入到信號頻帶內(nèi)的噪聲和干擾功率大大降低，信噪比得以提高，系統(tǒng)性能得到改善。偽碼相關(guān)器的輸出信噪比與輸入信噪比的比值為處理增益，處理增益是表征引信抗干擾能力的重要指標(biāo)，它決定于信號的碼長。

由于偽碼引信是單天線收發(fā)分時工作的，發(fā)射時候不能接收，接收的時候不能發(fā)射，所以發(fā)射信號的時寬決定了引信的最近探測距離。在碼元寬度一定的情況下，碼長就決定了發(fā)射信號的時寬。

所以，為了提高引信的抗干擾性，就需要發(fā)射長碼字信號來提高引信的處理增益，但是近距離探測難以保證；為了保證近距離的探測就需要發(fā)射短碼字信號，但是引信的抗干擾性難以保證。

2　長短碼復(fù)合相關(guān)接收方法

為了解決處理增益與固定探測盲區(qū)的矛盾，提出長短碼復(fù)合相關(guān)接收的方法，原理圖如圖2所示。引信采用單天線收發(fā)共用，射頻前端發(fā)射與接收分時工作來減小發(fā)射通道向接收通道的泄露，即發(fā)射時關(guān)閉接收通道；接收時關(guān)閉發(fā)射通道。

圖2　長短碼復(fù)合相關(guān)接收方法Fig.2　Long-short code Composite altimetry correlation reception method

與圖1傳統(tǒng)單碼字偽碼引信比較，編碼/控制器在不同的高度會產(chǎn)生兩種長度不同的偽隨機碼送入射頻前端的調(diào)制器。中頻相關(guān)處理鏈路中單相關(guān)器改進(jìn)成雙相關(guān)器，即一個長碼字相關(guān)器，一個短碼字相關(guān)器。兩個相關(guān)器輸入輸出端由高速射頻開關(guān)1、開關(guān)2控制，在兩個相關(guān)器間選通切換。綜合考慮引信探測距離范圍，抗干擾性，體積、功耗及成本等因素，選擇7位巴克碼作為長碼，3位巴克碼作為短碼，碼率為50 MHz；選擇HMC336MS8G作為相關(guān)器的選擇開關(guān)。

距離的遠(yuǎn)近由發(fā)射信號的時寬和信號在探測距離上的延時相比較決定，當(dāng)延時大于長碼字的時寬時，為遠(yuǎn)距離探測，否則為近距離探測。遠(yuǎn)距離探測時，編碼/控制器將長碼字偽隨機碼送入射頻前端的中頻調(diào)制器，產(chǎn)生長碼字中頻偽碼調(diào)相信號，上變頻到射頻，經(jīng)功放由天線發(fā)射出去，然后轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)等待接收。編碼/控制器產(chǎn)生的控制信號將射頻開關(guān)撥到長碼字相關(guān)器端。回波信號經(jīng)天線、T/R開關(guān)，下變頻到中頻，進(jìn)入長碼字相關(guān)器進(jìn)行相關(guān)處理。遠(yuǎn)距離探測時使用長碼字，提高了系統(tǒng)的處理增益，干擾容限大，增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。

在探測距離接近長碼近距探測能力時切換到短碼探測模式，即選擇25 m距離時為切換距離點。由于信號的發(fā)射周期為20 μs，而長短碼切換可在20 ns內(nèi)完成，所以不影響引信高度的實時探測。編碼/控制器將短碼字偽隨機碼送入射頻前端的中頻調(diào)制器，對載波進(jìn)行調(diào)制。接收時射頻開關(guān)撥到短碼字相關(guān)器端進(jìn)行接收，可以探測到更近的距離。

3　設(shè)計合理性及測試驗證

3.1相關(guān)器和射頻開關(guān)選擇合理性分析

最常用的偽隨機碼序列包括巴克碼、M序列等。由于M序列必須采用連續(xù)波且序列碼很長才能消除大的旁瓣。如果M序列采用脈沖形式，自相關(guān)函數(shù)特性會遭到破壞，所以不適合應(yīng)用于偽碼脈沖體制引信。巴克碼作為偽隨機碼序列之一，它有著良好的自相關(guān)特性和尖銳峰特性，并且在脈沖工作的情況下不影響自相關(guān)特性，所以巴克碼序列適合于偽碼脈沖體制引信。

微聲電子與微機電產(chǎn)品在性能、體積和功耗方面的有獨特的優(yōu)勢，特別適合于引信這種有小體積、低功耗、高可靠性要求的系統(tǒng)應(yīng)用。國外新的引信開始大量采用微聲電子與微機電技術(shù)。隨著高速微聲電子的發(fā)展，聲表面波相關(guān)器的碼元寬度可以做的很窄，以保證足夠的信號帶寬，從而得到良好的距離分辨率和測距精度。

聲表面相關(guān)器主要是利用聲表面波抽頭延遲線的“自同步”特性，對擴頻調(diào)制信號實現(xiàn)同步和解擴。利用聲表面波抽頭延遲線的“自同步”特性，有別于電路的實現(xiàn)方法，我們不必去建立復(fù)雜的同步電路，使相關(guān)接收模塊電路結(jié)構(gòu)大大簡化，而且由于沒有鎖定時間等系統(tǒng)延時，提高了整個引信系統(tǒng)的實時性。所以我們采用7位和3位聲表面波相關(guān)器處理偽碼引信的回波信號。

射頻開關(guān)是用于控制射頻信號傳輸路徑及信號大小的控制器件，在無線電探測器、電子對抗、雷達(dá)系統(tǒng)等許多領(lǐng)域有廣泛的用途。射頻開關(guān)主要有PIN管開關(guān)和FET管開關(guān)。由于PIN管開關(guān)依靠電流控制通斷，需要設(shè)計高速電流驅(qū)動器，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗比較大，而FET管開關(guān)依靠電壓控制，功耗和體積小，電路結(jié)構(gòu)簡單，所以選擇FET管開關(guān)。

射頻開關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)包括帶寬、插入損耗、隔離度、開啟關(guān)斷時間、回波損耗和封裝尺寸等。

HMC336MS8G的封裝為MSOP8G小型封裝，5 V供電，35 μA超低功耗，工作頻率為直流6 GHz，插入損耗1.2 dB，兩路之間的隔離度大于47 dB，輸入輸出端的回波損耗大于12 dB，開啟和關(guān)斷時間小于10 ns，理論計算在3位巴克碼探測時最近距離可探測到10.5 m，滿足偽碼引信近距離15 m的探測要求。

3.2長短碼復(fù)合相關(guān)接收模塊測試驗證

射頻前端輸出的偽碼中頻回波信號輸入到長短碼復(fù)合相關(guān)接收模塊，首先經(jīng)過射頻開關(guān)選擇相關(guān)器通道，相關(guān)處理完后相關(guān)峰輸入到放大器進(jìn)行增益補償，然后輸入到包絡(luò)檢波器進(jìn)行包絡(luò)檢波，最后放大輸出。

測試平臺包括穩(wěn)壓電源、微波信號源和編碼信號源、高頻示波器、噪聲源、偽碼調(diào)制器、功率合成器、射頻放大器和同軸電纜等。由于相關(guān)器的相關(guān)峰波形和處理增益是偽碼相關(guān)接收模塊的最重要指標(biāo)，所以我們重點觀測相關(guān)器輸出波形和估測長短碼復(fù)合相關(guān)接收模塊的處理增益。

估測方法為：用微波信號源產(chǎn)生中頻正弦波信號，用編碼信號源分別產(chǎn)生7位巴克碼或者3位巴克碼信號，并與正弦波信號一起輸入到偽碼調(diào)制器產(chǎn)生偽碼中頻信號，通過調(diào)整微波信號源的功率來調(diào)整偽碼中頻信號的功率。用噪聲源產(chǎn)生一定功率的帶限白噪聲，并與偽碼中頻信號一起送入功率合成器，將合成的信號輸入到長短碼復(fù)合相關(guān)接收模塊，用高頻示波器檢測相關(guān)峰輸出。

首先輸入小信號，測出相關(guān)器輸出的信噪比。然后逐漸增大輸入功率，測出相關(guān)器在不同功率信號狀態(tài)下的信噪比，可以評估出相關(guān)器在動態(tài)范圍內(nèi)處理增益的變化。圖3為7位巴克碼調(diào)制的中頻信號波形圖。將射頻開關(guān)選通到7位巴克碼相關(guān)器通道，將圖3所示的中頻信號輸入到相關(guān)處理模塊的7位相關(guān)器，經(jīng)過相關(guān)處理和放大補償后輸出的相關(guān)峰如圖4所示，說明模塊7位相關(guān)器通道可以正常輸出尖銳的相關(guān)峰。

將帶限白噪聲加入7位巴克碼中頻信號后如圖5所示，將圖5所示的信號送入相關(guān)處理模塊測量輸出相關(guān)峰的信噪比。通過改變微波信號源的輸出功率，分別測量了不同輸入功率下相關(guān)器的輸出信噪比，計算出不同功率下相關(guān)處理模塊的處理增益，如表1所示。

圖3　7位巴克碼中頻信號Fig.3　7 bit barker code IF signal

圖4　7位巴克碼相關(guān)接收測試圖Fig.4　The test pattern of 7 bit barker code correlation reception

圖5　加入噪聲的7位巴克碼中頻信號Fig.5　7 bit barker code IF signal which was added with noise

輸入信號Ai/mV輸入噪聲Ni/mV輸出信號A0/mV輸出噪聲N0/mV處理增益Gp/dB80015016513.47.27900150190147.09100015020513.86.96110015022013.47.001200150235.413.17.031300150256.513.27.01140015029113.87.08150015029813.56.88

由表1可知，7位巴克碼作為調(diào)制信號時，當(dāng)信號由800 mV動態(tài)變化到1 500 mV時，相關(guān)處理模塊的處理增益大概為7 dB左右，與單組碼(7位巴克碼)測距時相比，相關(guān)器處理增益基本相同，說明相關(guān)處理模塊7位巴克碼相關(guān)處理通道工作正常。

處理增益與理論計算8.45 dB存在1.45 dB合理差距，這是由測量誤差、信號通道的放大器內(nèi)部噪聲及現(xiàn)階段相關(guān)器的制作工藝水平等因素共同造成的。

用編碼信號源產(chǎn)生3位巴克碼編碼信號與微波信號源產(chǎn)生的正弦波信號一起送入調(diào)制器，產(chǎn)生3位偽碼中頻信號，如圖6所示。

將射頻開關(guān)選通道3位巴克碼相關(guān)器通道，將圖6所示的中頻信號輸入到相關(guān)處理模塊，相關(guān)處理后輸出的相關(guān)峰如圖7所示，說明模塊3位相關(guān)器通道可以正常輸出尖銳的相關(guān)峰。

將帶限白噪聲加入3位巴克碼中頻信號后如圖8所示，將圖8所示的信號送入相關(guān)處理模塊測量輸出相關(guān)峰的信噪比。通過改變微波信號源的輸出功率，分別測量了不同輸入功率下相關(guān)器的輸出信噪比，計算出不同功率下相關(guān)處理模塊的處理增益，如表2所示。

圖6　3位巴克碼中頻信號Fig.6　3 bit barker code IF signal

圖7　3位巴克碼相關(guān)接收測試圖Fig.7　The test pattern of 3 bit barker code correlation reception

圖8　加入噪聲的3位巴克碼中頻信號Fig.8　3 bit barker code IF signal which was added with noise

輸入信號Ai/mV輸入噪聲Ni/mV輸出信號A0/mV輸出噪聲N0/mV處理增益Gp/dB800150153.619.63.40900150170.119.23.391000150183.918.83.331100150203.4193.291200150215.518.23.411300150235.718.43.391400150262.519.13.361500150282.319.33.30

由表2可知，3位巴克碼作為調(diào)制信號時，當(dāng)信號由800 mV動態(tài)變化到1 500 mV時，相關(guān)處理模塊的處理增益大概為3.36 dB左右，與單組碼(3位巴克碼)測距時相比，相關(guān)器處理增益基本相同，說明相關(guān)處理模塊3位巴克碼相關(guān)處理通道工作正常。

處理增益與理論計算4.77 dB存在1.41 dB合理差距，這是由測量誤差、信號通道的放大器內(nèi)部噪聲及現(xiàn)階段相關(guān)器的制作工藝水平等因素共同造成的。

由實驗室測試結(jié)果表明長短碼復(fù)合相關(guān)處理模塊兒的7位巴克碼相關(guān)通路和3位巴克碼相關(guān)通路都能輸出尖銳的相關(guān)峰，處理增益接近理論計算值。與單組碼字測距比較，處理增益基本一樣，但復(fù)合后相關(guān)處理模塊不影響遠(yuǎn)距離探測的條件下可以探測到更近的距離。

3.3半實物仿真試驗驗證

長短碼相關(guān)處理模塊與射頻前端模塊及編碼/控制模塊、信號處理模塊組裝成整機后，在引信動態(tài)國家重點實驗室的目標(biāo)回波模擬系統(tǒng)實驗室進(jìn)行了半實物仿真實驗并與傳統(tǒng)的單組碼(7位巴克碼)測高引信進(jìn)行了比較。目標(biāo)回波模擬系統(tǒng)可以根據(jù)不同目標(biāo)RCS特性產(chǎn)生不同距離上的相應(yīng)功率的模擬目標(biāo)回波信號。實驗方法為關(guān)閉射頻前端的發(fā)射通道，打開接收通道使偽碼引信處于接收狀態(tài)。偽碼引信產(chǎn)生時鐘同步信號控制目標(biāo)回波模擬系統(tǒng)產(chǎn)生由遠(yuǎn)及近的回波信號，模擬產(chǎn)生引信接近目標(biāo)時候從目標(biāo)反射回來的信號。模擬回波信號從射頻前端的射頻端口輸入到接收通道，最后由信號處理模塊輸出高度信號。

傳統(tǒng)的7位偽碼引信的半實物仿真結(jié)果如圖9所示。半實物仿真結(jié)果表明，傳統(tǒng)的單組碼測距偽碼引信最近距離大概在45 m左右。

圖9　7位偽碼引信半實物仿真結(jié)果Fig.9　The result of 7 bit PN fuze hybrid simulation

長短碼復(fù)合偽碼引信的半實物仿真結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，引信可以從15～200 m連續(xù)測距，最近距離可以探測到15 m左右，比單組碼測距偽碼引信最近距離減小了30 m左右。證明長短碼復(fù)合測高相關(guān)接收方法在不影響遠(yuǎn)距離探測的情況下可有效得拓展近距離探測范圍，該方法可以應(yīng)用于各種偽碼引信。

4　結(jié)論

本文提出了偽碼引信長短碼復(fù)合相關(guān)接收方法。該方法采用一個長碼相關(guān)器和一個短碼相關(guān)器進(jìn)行相關(guān)接收，兩個相關(guān)器間用射頻開關(guān)切換，遠(yuǎn)距離探測時選用長碼相關(guān)器進(jìn)行相關(guān)接收，處理增益高，干擾容限大，抗干擾性強；近距離探測時，選用短碼相關(guān)器進(jìn)行相關(guān)接收，探測距離更低，拓展了引信的近距離探測范圍。長短碼復(fù)合相關(guān)接收模塊制板、組裝后在實驗室進(jìn)行了測試驗證，并進(jìn)行了半實物仿真實驗。測試和試驗結(jié)果表明該方法在保證遠(yuǎn)距離抗干擾能力的情況下，可有效提高引信的近距離探測能力，引信最近距離可以由原來的45m減小到15m。研究成果可用于各種偽碼引信中。

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Long-short Code Composite Altimetry Correlation Reception Method for PN Fuze

XU Liping,WANG Zhen,WANG Dapeng,WEI Wei

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China)

According to increase processing gain and reduce coverage gaps of traditional pulse system PN fuze with single group code altimeter method, this paper proposed a long-short code composite altimetry correlation reception method. The method used a long code SAW correlator and a short SAW correlators, and choose RF switch between the two channels. When PN fuze could launch long code signal to improve processing gain remote detection, in order to achieve enhanced anti-jamming capability. PN fuze could launch short code signal to reduce blind spot detection when proximity detection. Experimental results showed that the method could effectively improve the ability of proximity detection, when ensure anti-interference ability of remote detection, also with good performance. The closest distance of fuze detection range could be reduced from 45 m to 15 m.

pseudo-random coded fuze; correlation reception; blind area of detection

2016-01-18

徐利平(1982—)，男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾市人，碩士，工程師，研究方向：無線電引信。E-mail:hcgk1117@163.com。

TJ430

A

1008-1194(2016)04-0033-05