針對(duì)連續(xù)波多普勒引信的干擾模式及效能分析

王長(zhǎng)勝

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001)

針對(duì)連續(xù)波多普勒引信的干擾模式及效能分析

王長(zhǎng)勝

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001)

以典型規(guī)則干擾波形和非規(guī)則干擾波形為例構(gòu)建了不同的干擾源模型，研究和分析了在不同干擾源模型下連續(xù)波多普勒引信的起爆高度，利用MATLAB-Simulink搭建仿真系統(tǒng)，對(duì)輸出的仿真結(jié)果進(jìn)行探討和分析。

連續(xù)波多普勒引信；干擾模型；MATLAB-Simulink

0 引 言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，不僅要著眼于對(duì)敵方人員設(shè)備造成毀滅性打擊，更需要在敵方的打擊中保持己方的存活率。電子引信干擾技術(shù)能夠有效地保護(hù)我方裝備，在我方陣地空域形成干擾屏障，對(duì)進(jìn)入范圍的智能炮彈進(jìn)行無(wú)線電干擾，減小敵方炮彈的有效殺傷范圍。

干擾泛指一切破壞和擾亂敵方電磁設(shè)備正常工作的戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)措施的統(tǒng)稱。干擾的分類很多，按照干擾波形來(lái)分，一般分為規(guī)則波形干擾和非規(guī)則波形干擾。對(duì)于引信來(lái)說(shuō)，干擾信號(hào)對(duì)引信的直接作用效果分為兩大類：早炸和瞎火。早炸是指引信在干擾作用下誤輸出啟動(dòng)信號(hào)，使榴彈在戰(zhàn)斗部毀傷半徑范圍之外提前引爆。瞎火是指引信在正常設(shè)定的工作范圍內(nèi)未輸出啟動(dòng)信號(hào)。

在末制導(dǎo)階段，炮彈引信開(kāi)機(jī)工作，對(duì)地面進(jìn)行探測(cè)，引信輸出起爆信號(hào)的判據(jù)為：多普勒回波信號(hào)的頻率、幅度大小、幅度增幅速率同時(shí)滿足閾值條件。針對(duì)以上3個(gè)判定條件，本文以規(guī)則和非規(guī)則干擾波形建立不同的模型，對(duì)引信的干擾效果進(jìn)行模擬分析。

信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生本振信號(hào)并發(fā)射，經(jīng)目標(biāo)反射形成回波?；夭案蓴_信號(hào)一起與本振混頻后進(jìn)入處理模塊，若同時(shí)滿足3個(gè)判定條件則輸出起火引爆信號(hào)，模型仿真流程如圖1所示。

干擾源模塊以規(guī)則波形(正弦調(diào)幅掃頻、正弦調(diào)頻掃頻等)和非規(guī)則波形信號(hào)(噪聲調(diào)幅掃頻、噪聲調(diào)頻掃頻等)為例，進(jìn)行壓制式和欺騙性干擾。

炮彈在離目標(biāo)較遠(yuǎn)處對(duì)其實(shí)施欺騙性干擾，使其早炸；在靠近目標(biāo)時(shí)對(duì)其實(shí)施壓制性干擾，使其瞎火，如圖2所示。

1 規(guī)則波形信號(hào)對(duì)引信干擾的模擬

1.1 正弦波調(diào)幅掃頻干擾下的仿真實(shí)驗(yàn)

掃頻式干擾信號(hào)的時(shí)域數(shù)學(xué)表達(dá)式為[1]：

(1)

式中：ω0為載波頻率；k為調(diào)頻系數(shù)；v(t)為對(duì)既有信號(hào)進(jìn)行帶寬搬移的調(diào)制信號(hào)。

掃頻信號(hào)以鋸齒波作為頻率調(diào)制信號(hào)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(2)

式中：As為鋸齒波斜率；Ts為鋸齒波周期。

構(gòu)建連續(xù)波多普勒引信掃頻干擾仿真模型，仿真了引信距地面100～50 m的探測(cè)過(guò)程。引信速度為225 m/s，工作參數(shù)為：中心頻率f0=750MHz，幅度設(shè)為1。設(shè)榴彈的三維坐標(biāo)從(0,0,100)飛行到(28,0,50)。

圖3為信號(hào)產(chǎn)生部分，載波和干擾源混頻所得多普勒回波信號(hào)通過(guò)低通濾波器采樣。

圖4為干擾源模塊，干擾樣式為正弦波調(diào)幅掃頻干擾。初始載頻740MHz，1kHz采樣頻率，每個(gè)頻率點(diǎn)停留10ms，調(diào)頻系數(shù)為1。正弦波調(diào)幅信號(hào)頻率為1 000Hz，幅度為20V。

如圖5，回波信號(hào)采樣后分2條支路：一條支路用于頻率檢測(cè)；另一條支路檢測(cè)幅度和幅度增幅。支路一將fd每128點(diǎn)為一組進(jìn)行傅里葉變換，主要實(shí)現(xiàn)將連續(xù)波多普勒信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換為頻域。支路二對(duì)fd取絕對(duì)值并濾波，將所得信號(hào)分成2路：一路直接放大；另一條支路采取Z變換，求取附近10個(gè)采樣點(diǎn)增幅變換率的平均值作為定距處的增幅速率[2]。

圖6為判決電路。支路一是多普勒信號(hào)幅度判決，范圍在20～70mV；支路二為多普勒信號(hào)頻率判決，范圍為990～1 520Hz，系統(tǒng)采樣率為20k，快速傅里葉變換(FFT)點(diǎn)數(shù)為128個(gè)點(diǎn)；支路三是幅度增幅判決，閾值為0.12～39mV/s。

炮彈對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生最大殺傷范圍的高度為11～4m。圖7為正弦波調(diào)幅掃頻干擾下輸出信號(hào)，圖7(d)中，大約在71m和68m出現(xiàn)2個(gè)啟動(dòng)信號(hào)，干擾機(jī)對(duì)引信實(shí)施了欺騙干擾，使引信在71m處提前起爆。

1.2 正弦波調(diào)頻干擾下的仿真實(shí)驗(yàn)

正弦波調(diào)頻干擾源模型以式(1)為基礎(chǔ)，用正弦波作為調(diào)制信號(hào)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(3)

式中：As為正弦波幅度；ωs為正弦波頻率；φs為正弦波初相位。

圖8中正弦波的幅度為1V，頻率為2 000Hz,壓控振蕩器(VCO)輸出帶寬為2MHz。輸出結(jié)果如圖9(d)，大約在53.02m、52.3m和51.2m出現(xiàn)3個(gè)啟動(dòng)信號(hào)，炮彈約在離地面53m處起爆。

1.3 其他規(guī)則波干擾源模型建立

1.3.1 方波調(diào)頻干擾信號(hào)的產(chǎn)生

干擾源模型以式(1)為基礎(chǔ)，用方波作為調(diào)制信號(hào)掃頻干擾，方波在一個(gè)周期內(nèi)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(4)

式中:A為方波幅度;T為方波周期。

模型如圖10所示。

1.3.2 三角波調(diào)頻干擾信號(hào)的產(chǎn)生

干擾源模型以式(1)為基礎(chǔ)，用三角波作為調(diào)制信號(hào)掃頻干擾，三角波在一個(gè)周期內(nèi)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(5)

式中：A為三角波幅度；T為三角波周期。

模型如圖11所示。

2 非規(guī)則波形信號(hào)對(duì)引信干擾的模擬

2.1 噪聲調(diào)幅信號(hào)的特點(diǎn)

射頻噪聲是一種很好的干擾波形，但是一般情況下的射頻噪聲功率較低，不能滿足壓制性干擾的要求。人們常使用高斯噪聲去調(diào)制載頻來(lái)提高干擾噪聲的功率[3]。

(6)

式中：Uj為載波幅度；ωj為載波頻率。

噪聲調(diào)幅信號(hào)的均值為:

(7)

噪聲調(diào)幅信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)為：

(8)

式中：Rn(τ)為高斯白噪聲n(t)的自相關(guān)函數(shù)。

可見(jiàn)，噪聲調(diào)幅信號(hào)的均值和自相關(guān)函數(shù)均和時(shí)間t有關(guān)，所以不是嚴(yán)格的平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)。但是其均值和自相關(guān)函數(shù)均以2π/ωj為周期，所以其符合廣義周期平穩(wěn)性。

假設(shè)連續(xù)波多普勒信號(hào)的幅度為Ut，中心角頻率為ω0，則連續(xù)波多普勒信號(hào)可表示為：

(9)

如果定距系統(tǒng)和目標(biāo)之間的距離為R，光速為c，則信號(hào)的往返延遲時(shí)間為τ=2R/c，發(fā)射信號(hào)遇到目標(biāo)反射回來(lái)，接收到的回波信號(hào)為：

(10)

接收機(jī)接收到的回波信號(hào)的功率為：

(11)

則回波功率為：

(12)

在噪聲調(diào)幅信號(hào)干擾的情況下，接收機(jī)在接收到正常回波信號(hào)的同時(shí)，還能接收到噪聲調(diào)幅信號(hào)。如果不考慮噪聲信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的延遲，則其時(shí)域表達(dá)式為：

(13)

可以計(jì)算出輸入的干擾信號(hào)平均功率為:

(14)

所以，連續(xù)波多普勒引信接收機(jī)的輸入信干比為:

(15)

信干比是信號(hào)與干擾信號(hào)之間的比值，能夠定量反映信號(hào)和干擾信號(hào)的大小關(guān)系，進(jìn)而能分析出在多大的信干比下系統(tǒng)能夠被壓制。

2.2 噪聲調(diào)幅干擾下的仿真實(shí)驗(yàn)

在連續(xù)波多普勒引信仿真模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建了噪聲調(diào)幅干擾仿真模型，仿真引信距地15～0m的探測(cè)過(guò)程。引信和干擾源之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為225m/s。引信的具體參數(shù)為：中心頻率f0=750MHz。圖12表示回波與噪聲調(diào)幅的干擾源相加，所得信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)內(nèi)與本振信號(hào)混頻，得到多普勒信號(hào)。

圖13為回波信號(hào)的模擬，回波信號(hào)由本振進(jìn)行延時(shí)和幅度衰減得到。

圖14為噪聲調(diào)幅信號(hào)的輸出，輸入信干比為-15 dB的情況下，噪聲功率過(guò)大，使得輸出信號(hào)包絡(luò)波動(dòng)嚴(yán)重，遮蓋住有用信號(hào)包絡(luò)的形狀，從而不能同時(shí)滿足判定依據(jù)，引信被壓制無(wú)法啟動(dòng)。啟動(dòng)信號(hào)如圖15所示。

2.3 噪聲調(diào)頻信號(hào)特點(diǎn)

噪聲調(diào)頻干擾信號(hào)的表達(dá)式為[4]：

(16)

(17)

噪聲調(diào)頻信號(hào)的功率等于載波功率：

(18)

式中：Uj為噪聲調(diào)頻信號(hào)的幅度。

因此，調(diào)制噪聲功率不對(duì)已調(diào)波的功率發(fā)生影響。噪聲調(diào)頻信號(hào)干擾帶寬(半功率帶寬)為：

(19)

化簡(jiǎn)式(19)得：

(20)

由于噪聲調(diào)頻干擾的頻率在較寬的頻帶內(nèi)以很快的速度變動(dòng)，而系統(tǒng)濾波器通帶寬度較窄(通常遠(yuǎn)小于調(diào)頻頻寬)，假設(shè)為BH，通帶范圍(fL,fH)，只有當(dāng)干擾頻率處于其頻帶內(nèi)時(shí)才能使干擾信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)。因此，若引信干擾信號(hào)總功率為Pj，則進(jìn)入系統(tǒng)接收機(jī)的平均干擾信號(hào)功率為：

(21)

式中：ΔF為引信振蕩器帶寬;ΔB為調(diào)頻頻寬。

系統(tǒng)接收信號(hào)功率為：

(22)

系統(tǒng)輸入信噪比為：

(23)

2.4 噪聲調(diào)頻干擾下的仿真實(shí)驗(yàn)

圖16為噪聲調(diào)頻干擾源內(nèi)部模塊，由高斯白噪聲調(diào)頻產(chǎn)生信號(hào)，經(jīng)延時(shí)和衰減模塊得到干擾信號(hào)。噪聲調(diào)頻干擾源模塊如圖17所示。

圖18和圖19為噪聲調(diào)頻信號(hào)的輸出，輸入信干比為-15dB的情況下，由干擾信號(hào)作用導(dǎo)致多普勒回波信號(hào)失真嚴(yán)重，達(dá)不到判定閾值，結(jié)合引信輸出的仿真結(jié)果，未輸出起爆電平，所以引信被壓制無(wú)法啟動(dòng)，造成瞎火。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用規(guī)則和非規(guī)則干擾波形，建立了對(duì)連續(xù)波多普勒引信的干擾模型，并對(duì)其末制導(dǎo)階段進(jìn)行干擾效能仿真。由仿真結(jié)果可知，正弦波調(diào)幅、調(diào)頻干擾源能夠?qū)ε趶椷M(jìn)行欺騙性干擾，而噪聲調(diào)幅、調(diào)頻干擾源能夠?qū)ε趶棇?shí)施壓制性干擾。仿真結(jié)果對(duì)工程應(yīng)用具有較大的指導(dǎo)意義。

[1] 艾娜.外差式連續(xù)波多普勒引信干擾波形設(shè)計(jì)[J].航天制造技術(shù),2004(12):24-26.

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[3] 趙惠昌.無(wú)線電引信設(shè)計(jì)原理及方法[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2010.

[4] WANG J,GET S S,LEE T H.Adaptive fuzzy sliding mode control of a class of nonlinear systems[C]//Proceedings of The 3rd Asian Control Conference.Shanghai,2000:599-604.

Jamming Mode and Efficiency Analysis to Continuous-wave Doppler Fuze

WANG Chang-sheng

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Taking typical regular jamming waveform and irregular jamming waveform as examples,this paper constructs different jamming source models,studies and analyzes the detonating height of continuous wave Doppler fuze under different jamming source models,uses MATLAB-Simulink to build simulation system,discusses and analyzes the output result.

continuous wave Doppler fuze;jamming model;MATLAB-Simulink

2016-06-24

TN972.1

A

CN32-1413(2017)01-0001-07

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.001