隨機(jī)步進(jìn)頻引信近距泄漏抑制方法研究

張學(xué)斌， 周明宇， 王 榮， 程妹華

（1.海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室，上海200233；2.上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

從近十年的戰(zhàn)爭(zhēng)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，高超聲速武器、強(qiáng)防護(hù)武器利用低空或者超低空飛行實(shí)施低空突防，破壞敵方防御系統(tǒng)，然后展開全方位、多層次攻擊，已經(jīng)成為一種屢試不爽的常見戰(zhàn)術(shù)手段［1］。這就要求防空導(dǎo)彈引信具備低空作戰(zhàn)條件下精細(xì)化探測(cè)目標(biāo)的能力，基于精細(xì)化探測(cè)的信息實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高效毀傷。頻率步進(jìn)引信通過(guò)對(duì)載頻離散調(diào)制合成很寬的系統(tǒng)帶寬，獲得距離維高分辨的效果，其系統(tǒng)瞬時(shí)帶寬低、數(shù)據(jù)運(yùn)算量小，且可以通過(guò)增加信號(hào)脈寬來(lái)提高平均功率，解決了極窄脈沖存在的峰值功率限制問(wèn)題［2］。隨機(jī)步進(jìn)頻引信是頻率步進(jìn)引信的一種，由于發(fā)射信號(hào)載頻的隨機(jī)性，它還具有優(yōu)秀的抗干擾能力，即具備復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下精細(xì)化探測(cè)目標(biāo)的能力。

防空導(dǎo)彈大多要求引信小盲區(qū)或無(wú)盲區(qū)探測(cè)，近距泄漏會(huì)影響到引信的小盲區(qū)或無(wú)盲區(qū)探測(cè)能力，因此本文對(duì)隨機(jī)步進(jìn)頻引信近距泄漏抑制方法進(jìn)行研究。

1 隨機(jī)步進(jìn)頻引信探測(cè)能力分析

隨機(jī)步進(jìn)頻引信發(fā)射的信號(hào)為一串載頻隨機(jī)跳變的窄帶矩形脈沖（設(shè)有N 個(gè)脈沖），脈寬為T，窄帶脈沖載頻為fi=f0+xiΔf，其中xi為范圍（0～N—1）內(nèi)整數(shù)的隨機(jī)排列。對(duì)這串脈沖的回波信號(hào)與其載頻相應(yīng)的本振頻率進(jìn)行混頻，再對(duì)這N個(gè)脈沖混頻后的結(jié)果進(jìn)行IDFT處理，這樣綜合得到的脈沖寬度可達(dá)T/N，距離分辨率提高 （N—1）倍［3］。

圖1為頻率隨機(jī)步進(jìn)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的步進(jìn)示意圖，發(fā)射信號(hào)表達(dá)式為

模糊函數(shù)是分析系統(tǒng)分辨能力、模糊度、測(cè)量精度以及雜波抑制能力的有效數(shù)字工具［4］。對(duì)于頻率隨機(jī)步進(jìn)信號(hào)，不同脈沖間頻率近似正交，模糊圖主要集中在中心模糊帶，即內(nèi)。模糊函數(shù)如式（2）所示。

從式（2）可以看出，脈沖間頻率隨機(jī)跳變，不會(huì)在模糊圖上產(chǎn)生“斜刃”現(xiàn)象，中心模糊帶除了原點(diǎn)，能量分布更趨于均勻，即模糊圖更趨于圖釘型。圖2為頻率隨機(jī)步進(jìn)脈沖串信號(hào)模糊圖（中心帶條），圖3為τ—χ切面圖（ξ=0），圖4為等高線圖。計(jì)算時(shí)參數(shù)為：Δf=5 MHz；N=64；T=100 ns；Tr=1μs。從圖2至圖4中可以看出，隨機(jī)步進(jìn)頻脈沖串信號(hào)模糊圖近似圖釘型，沒(méi)有距離速度耦合現(xiàn)象，且時(shí)延分辨率為1/（NΔf）；其速度模糊以1/Tr出現(xiàn)。

2 近距泄漏對(duì)探測(cè)能力影響分析

引信收發(fā)天線之間不會(huì)完全隔離，發(fā)射信號(hào)由引信發(fā)射天線直接泄漏進(jìn)接收天線，由于泄漏信號(hào)與本振信號(hào)完全相關(guān)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理之后會(huì)在近距成虛假目標(biāo)像，從而造成引信虛警。

為了定量地分析近距泄漏對(duì)系統(tǒng)探測(cè)能力的影響，假設(shè)一個(gè)隨機(jī)步進(jìn)頻引信系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)：步進(jìn)頻率Δf=2.5 MHz；步進(jìn)階數(shù)N=64；脈沖重復(fù)周期Tr=1μs；最大作用距離10 m；目標(biāo)RCS為1 m2（本文所述目標(biāo)RCS均按此值計(jì)算）；最大距離RCS為1 m2目標(biāo)回波峰值功率為—90 d BW，即啟動(dòng)靈敏度為S=—90 d BW；發(fā)射功率Pt=5 d BW；收發(fā)天線隔離度為I=65 d B。發(fā)射功率減去收發(fā)隔離度即為近距泄漏信號(hào)功率，為—60 d BW，比引信啟動(dòng)靈敏度高30 d B。10 m處目標(biāo)回波信號(hào)、近距泄漏信號(hào)以及目標(biāo)回波疊加近距泄漏信號(hào)如圖5所示，圖中信號(hào)相對(duì)于目標(biāo)回波疊加近距泄漏信號(hào)最大值歸一化。從圖5中可以看出，10 m處目標(biāo)回波信號(hào)已經(jīng)被近距泄漏信號(hào)完全淹沒(méi)。

對(duì)相對(duì)距離為10 m、相對(duì)速度為1 000 m/s的目標(biāo)回波進(jìn)行處理，得到的綜合波形如圖6所示，近距泄漏（相對(duì)距離為0.5 m、相對(duì)速度為0 m/s）的綜合波形如圖7所示，目標(biāo)（相對(duì)距離為10 m、相對(duì)速度為1 000 m/s）回波疊加近距泄漏綜合得到的波形如圖8所示，綜合波形均相對(duì)于目標(biāo)疊加近距泄漏綜合波形的最大值歸一化。

對(duì)比圖6和圖7，可以看出近距泄漏信號(hào)聚焦峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目標(biāo)峰值，受到隨機(jī)步進(jìn)頻信號(hào)較大底噪的影響，近距泄漏信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后的綜合波形底噪比目標(biāo)峰值高14 d B，即引信作用距離降低14 dB以上。從圖8中可以看出，目標(biāo)已經(jīng)完全被近距泄漏信號(hào)的底噪淹沒(méi)。

經(jīng)過(guò)上述分析，近距泄漏會(huì)引起隨機(jī)步進(jìn)頻引信底噪淹沒(méi)目標(biāo)回波信號(hào)，造成引信近距啟動(dòng)性能極大降低。

3 隨機(jī)步進(jìn)頻引信近距泄漏抑制方法

對(duì)于一個(gè)相對(duì)距離為R，相對(duì)速度為v的目標(biāo)回波進(jìn)行匹配接收，按照脈沖重復(fù)周期采樣后得到的信號(hào)為［5］

式中：A為信號(hào)幅度，與回波功率相關(guān)；fc為發(fā)射信號(hào)載頻；c為光速；xi為偽隨機(jī)序列碼；i為采樣周期序號(hào)；Tr為脈沖重復(fù)周期。

由于近距泄漏信號(hào)相對(duì)距離很小，相對(duì)速度可近似為0 m/s，式（3）中采樣信號(hào)相位的第三項(xiàng)和第四項(xiàng)可以忽略，第二項(xiàng)系數(shù)也很小，近距泄漏信號(hào)按照脈沖重復(fù)周期采樣，經(jīng)過(guò)序列重排將偽隨機(jī)序列排為順序序列后，信號(hào)頻率很低。圖9為近距泄漏采樣信號(hào)頻譜，從圖中可以看出，近距泄漏的能量集中在低頻部分。

在彈目遭遇時(shí)，彈目相對(duì)速度遠(yuǎn)大于0 m/s，即式（3）中采樣信號(hào)相位的第三項(xiàng)和第四項(xiàng)不可以忽略，即目標(biāo)回波采樣信號(hào)的能量不集中在低頻部分。因此，可以對(duì)序列重排之后的信號(hào)先經(jīng)過(guò)高通濾波再進(jìn)行速度匹配對(duì)消，將近距泄漏信號(hào)濾除。圖10為近距泄漏信號(hào)濾波后頻譜（相對(duì)未濾波前信號(hào)頻譜幅度最大值歸一化），圖11為近距泄漏信號(hào)濾波后綜合波形（相對(duì)未濾波前目標(biāo)疊加近距泄漏綜合波形的最大值歸一化），與前文近距泄漏未濾波的頻譜與綜合波形對(duì)比可以看出，近距泄漏被抑制33.8 d B。

相對(duì)距離為10 m、相對(duì)速度為1 000 m/s的目標(biāo)回波疊加近距泄漏的信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波處理之后，綜合波形如圖12所示（相對(duì)最大值歸一化），從圖中可以看出，近距泄漏被抑制后，目標(biāo)不被近距泄漏的底噪淹沒(méi)，可以從綜合波形中提取目標(biāo)距離、速度信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨機(jī)步進(jìn)頻引信具備較好的距離分辨率和速度分辨率，且沒(méi)有距離速度耦合現(xiàn)象，具備良好的目標(biāo)成像能力。但是，受到近距泄漏信號(hào)的影響，隨機(jī)步進(jìn)頻引信的底噪會(huì)淹沒(méi)目標(biāo)回波信號(hào)，導(dǎo)致引信近距啟動(dòng)性能極大損失。基于近距泄漏信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)在頻譜上的不同特征，本文采用先經(jīng)過(guò)高通濾波再進(jìn)行速度匹配對(duì)消的方法濾除近距泄漏信號(hào)，根據(jù)仿真結(jié)果，抑制度達(dá)33.8 dB。經(jīng)過(guò)抑制后，目標(biāo)回波信號(hào)不再被近距泄漏的底噪淹沒(méi)，可以從綜合波形中提取目標(biāo)距離、速度信息。