一種相位編碼脈沖壓縮V波段脈沖多普勒引信設(shè)計(jì)

張紅旗 陳彬 李曉

摘?要：為提高無(wú)線電引信的抗干擾能力，本文提出一種V波段的相位編碼脈沖壓縮多普勒引信，綜合采用非大氣窗口波段、脈內(nèi)脈間相位編碼、中頻數(shù)字化、脈沖壓縮及頻域處理等多項(xiàng)技術(shù)，并詳細(xì)介紹了各關(guān)鍵部分的實(shí)現(xiàn)方式，并進(jìn)行了初步的抗干擾性能分析。

關(guān)鍵詞：無(wú)線電引信;非大氣窗口;V波段;脈沖壓縮;相位編碼;抗干擾

中圖分類號(hào)：TJ43+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-5048（2020）01-0033-06

0?引言

無(wú)線電引信作為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中的重要組成部分，目前廣泛應(yīng)用于對(duì)空導(dǎo)彈系統(tǒng)中，如美國(guó)的AIM120導(dǎo)彈、“霍克”導(dǎo)彈、“不死鳥(niǎo)”導(dǎo)彈和PAC-1導(dǎo)彈，法國(guó)“海響尾蛇”導(dǎo)彈，意大利“阿斯派德”導(dǎo)彈，俄羅斯S-300PMU1系統(tǒng)和48N6E導(dǎo)彈、S-300V系統(tǒng)9M82導(dǎo)彈、道爾M1系統(tǒng)9M330導(dǎo)彈等[1]，并且在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，仍將是導(dǎo)彈引信的主要類型之一。

隨著新電子對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)彈面臨的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境從簡(jiǎn)單環(huán)境到復(fù)雜環(huán)境發(fā)展[2]，靈巧性的有源干擾威脅日增[3]，無(wú)線電引信將面臨日趨惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。因此，必須采取更多手段和措施，從頻段、體制、工作模式、信號(hào)處理等多個(gè)方面提高無(wú)線電引信的生存能力。

強(qiáng)烈的大氣衰減使得V波段具有天生的抗有源干擾優(yōu)勢(shì)，特別適合引信等近程探測(cè)設(shè)備。隨著5G通信技術(shù)的發(fā)展，60 GHz頻率（V波段）得到了廣泛的關(guān)注，有理由相信，器件、材料和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，必將極大促進(jìn)V波段在無(wú)線電引信中的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)V波段引信研究多采用FMCW體制，由于器件水平、大氣衰減等因素限制，難以滿足引信對(duì)巡航導(dǎo)彈、無(wú)人機(jī)等小目標(biāo)的高靈敏度探測(cè)需求，為此，本文提出了一種相位編碼脈沖壓縮V波段脈沖多普勒引信，在提高引信抗干擾能力的同時(shí)確保高靈敏度探測(cè)。

1?引信方案選擇

1.1?波段選擇

當(dāng)雷達(dá)工作頻率和清潔大氣中的水蒸氣和氧氣分子的共振頻率相同或相近時(shí)，雷達(dá)能量會(huì)出現(xiàn)大幅衰減，圖1所示為不同頻率的無(wú)線電波在大氣中的衰減特性[4]。

由圖1可以看出，由于大氣中的氧分子有磁偶極矩，在毫米波段有一組諧振線，衰減因子隨之成倍增長(zhǎng)，與其他窗口頻段相比，要高一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。兩個(gè)O2強(qiáng)吸收峰，分別對(duì)應(yīng)60 GHz（5 mm）和118.8 GHz（2.5 mm），相比而言，60 GHz（5 mm）的衰減更為強(qiáng)烈。

強(qiáng)烈的大氣衰減使得60 GHz（V波段）在遠(yuǎn)程探測(cè)上不能應(yīng)用，因此預(yù)警機(jī)、電子干擾機(jī)以及導(dǎo)引頭、數(shù)據(jù)鏈等遠(yuǎn)距離工作的設(shè)備均不在V波段工作，而對(duì)于引信等近距離探測(cè)設(shè)備，該波段的大氣吸收衰減對(duì)探測(cè)影響極小，可以忽略，因此選擇電磁環(huán)境干凈的V波段，具有天生的抗有源干擾優(yōu)勢(shì)[5]。

相比目前引信常用的Ka波段，V波段具有以下特點(diǎn)：

（1）V波段在空間遠(yuǎn)距傳輸時(shí)衰減更大，很難遠(yuǎn)距離截獲和偵收引信的發(fā)射信號(hào)，且干擾引信需要的功率更大，而由于器件技術(shù)限制，目前尚無(wú)有效的有源干擾;

（2）V波段波長(zhǎng)更短，天線及收發(fā)系統(tǒng)易實(shí)現(xiàn)小體積，有利于在導(dǎo)彈等空間受限的設(shè)備上使用，易于實(shí)現(xiàn)高增益的窄天線波束，角度分辨率高;

（3）V波段頻率高，易于在較低的相對(duì)帶寬條件下實(shí)現(xiàn)大的絕對(duì)信號(hào)帶寬，有利于實(shí)現(xiàn)高距離分辨，以獲取更豐富的目標(biāo)信息;

（4）V波段頻率更高，因此不同徑向速度動(dòng)目標(biāo)之間的回波多普勒頻率差別較大，有利于目標(biāo)速度的分辨;

（5）目前多數(shù)隱身頻段一般小于20 GHz，極少部分納米吸波材料[6]可達(dá)到50 GHz，對(duì)于頻率高達(dá)60 GHz的V波段探測(cè)難以實(shí)現(xiàn)有效的隱身。

隨著V波段設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展[7-10]，其已經(jīng)具備了在引信中應(yīng)用的基礎(chǔ)，本文在工程中突破了V波段高增益彈體共形天線、快速相位調(diào)制、低損耗同軸微帶饋電轉(zhuǎn)換、高隔離度收發(fā)集成等關(guān)鍵技術(shù)，并完成了樣機(jī)研制工作。

1.2?工作體制選擇

由于脈沖多普勒體制可同時(shí)獲得目標(biāo)的速度和距離信息，因此在無(wú)線電引信中得到了廣泛的應(yīng)用。但簡(jiǎn)單的等寬等周期調(diào)制脈沖多普勒引信存在易產(chǎn)生距離模糊、易受干擾等缺點(diǎn)，因此在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了隨機(jī)脈位脈沖序列、隨機(jī)二相碼脈沖序列和隨機(jī)脈位隨機(jī)二相碼脈沖序列調(diào)制的引信，其發(fā)射信號(hào)是被隨機(jī)噪聲調(diào)制的載波信號(hào)，具有低截獲概率的特點(diǎn)，大大提高了脈沖多普勒引信在復(fù)雜干擾環(huán)境下的抗干擾能力[11]。

本文選擇脈內(nèi)和脈間偽隨機(jī)碼0 /π調(diào)相脈沖壓縮多普勒體制，其主要特點(diǎn)是每個(gè)周期發(fā)射脈沖內(nèi)部的編碼具有良好的自相關(guān)特性，經(jīng)脈沖壓縮后可獲得較高的脈壓增益和距離分辨能力，同時(shí)不同周期間的編碼不相關(guān)，有助于解決距離模糊和提高抗有源干擾能力。

2?系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的V波段脈沖多普勒引信由天饋單元、收發(fā)組件、信號(hào)處理機(jī)、二次電源等組成，如圖2所示。

圖中，天饋單元包括間隔90°均勻分布排列的四根天線及射頻電纜，采用雙發(fā)雙收方式工作，完成對(duì)射頻脈沖信號(hào)定向的發(fā)射和接收;V波段收發(fā)組件的發(fā)射部分包括V波段振蕩源、脈沖調(diào)制、相位調(diào)制、功放等，接收部分包括接收開(kāi)關(guān)、LNA、混頻、中放等;信號(hào)處理機(jī)由A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA及接口電路等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)中頻信號(hào)數(shù)字化、脈沖壓縮、旁瓣抑制、加權(quán)測(cè)距、CFAR目標(biāo)檢測(cè)，同時(shí)負(fù)責(zé)產(chǎn)生相位編碼信號(hào)、收發(fā)時(shí)序控制（PA/A/B信號(hào)控制）等。二次電源對(duì)引信供電進(jìn)行二次變換，輸出引信所需的各路直流電壓。

3?關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

3.1?天線

引信天線通常采用窄波束、高增益、低旁瓣天線，要求發(fā)射天線、接收天線方向圖為空心圓錐體，在導(dǎo)彈圓周截面內(nèi)，輻射無(wú)方向性，即E面方向圖近似圓形;在縱截面內(nèi)，定向輻射，即H面天線主波束與彈軸方向成預(yù)定夾角、波束寬度窄、副瓣電平低等，以實(shí)現(xiàn)側(cè)向環(huán)視探測(cè)。

為滿足天線要求，采用了長(zhǎng)槽漏波波導(dǎo)天線。該型天線輻射效率高、方向圖優(yōu)良，克服了半波長(zhǎng)縫隙陣列天線頻帶窄的弱點(diǎn)，能夠滿足空空導(dǎo)彈對(duì)天線的指標(biāo)要求[10]。仿真獲得的天線方向圖如圖3所示，波束傾角為68°，波束寬度仿真為3°。

天線體采用波導(dǎo)饋電，利用非標(biāo)波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換完成與射頻電纜的連接，通過(guò)低損耗同軸電纜實(shí)現(xiàn)電磁波的饋送，使安裝更適應(yīng)工程化要求。

3.2?收發(fā)組件

V波段收發(fā)組件的功能框圖見(jiàn)圖4。

相參頻率源以高穩(wěn)晶振為基準(zhǔn)，利用數(shù)字鎖相技術(shù)等，產(chǎn)生兩路頻率相差fIF的V波段信號(hào)，分別作為發(fā)射信號(hào)和本振信號(hào)，并同時(shí)產(chǎn)生一路相參頻率源，作為AD和信號(hào)處理的時(shí)鐘。0/π調(diào)相器由兩級(jí)高速單刀雙擲開(kāi)關(guān)通過(guò)開(kāi)關(guān)線形式產(chǎn)生，載波抑制度可以達(dá)到30 dB以上。末級(jí)放大器采用GaN功放，有效輸出功率可以達(dá)到1 W。

組件采用密封結(jié)構(gòu)，通過(guò)同軸-波導(dǎo)-微帶的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行饋電轉(zhuǎn)換，見(jiàn)圖5，優(yōu)化后的插入損耗小于0.5 dB，避免了強(qiáng)不連續(xù)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，對(duì)裝配的要求降低，適合工程裝配的要求。

3.3?信號(hào)處理機(jī)

信號(hào)處理機(jī)的主要功能包括AD采樣、數(shù)字下變頻、脈沖壓縮、旁瓣抑制、時(shí)頻域轉(zhuǎn)換、速度距離信息提取、目標(biāo)識(shí)別等。

收發(fā)組件采用超外差式架構(gòu)，因此信號(hào)處理機(jī)通過(guò)高速ADC在中頻上進(jìn)行帶通采樣[12]，并進(jìn)行數(shù)字正交下變頻，獲得I、Q兩路基帶信號(hào)。

脈沖壓縮處理一般包括時(shí)域卷積法和頻域相乘法兩種，其本質(zhì)是相同的[13]。一般運(yùn)算量大宜采用頻域快速卷積法以減少運(yùn)算量。引信0/π二相碼調(diào)制序列較短，濾波器系數(shù)為1或-1，采用圖6所示的橫向FIR濾波器實(shí)現(xiàn)時(shí)域卷積更為簡(jiǎn)捷。

巴克碼是一種理想的脈沖壓縮信號(hào)，其自相關(guān)函數(shù)的主旁瓣比與其壓縮比相等，即為碼長(zhǎng)N， 且具有均勻的旁瓣。本文選擇13位巴克碼進(jìn)行脈內(nèi)編碼，其序列可表示為{+++++--++-+-+}，脈沖壓縮后的信號(hào)波形見(jiàn)圖7 。

可見(jiàn)13位巴克碼經(jīng)過(guò)脈沖壓縮后的形狀，與其自相關(guān)函數(shù)一致，峰值為13，即脈沖壓縮比為13，峰值旁瓣比為22.3 dB。

選擇經(jīng)典的二階RG濾波器進(jìn)行旁瓣抑制，旁瓣抑制后信號(hào)見(jiàn)圖8，峰值為11.9（損失0.77 dB），峰值旁瓣比為45.8 dB[14]，提高了20 dB以上。

兩路基帶信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮和旁瓣抑制后，數(shù)據(jù)進(jìn)行重排，以二維矩陣的形式存入RAM內(nèi)，每個(gè)周期存入不同的行，完成一幀信號(hào)的存儲(chǔ)后，按列進(jìn)行FFT，獲得目標(biāo)的距離-速度二維分布，其中距離分辨力取決于脈壓后的脈沖寬度，速度分辨力取決于積累的脈沖數(shù)。

本文設(shè)計(jì)的V波段脈沖多普勒引信采用13位巴克碼0/π相位調(diào)制、橫向FIR濾波器時(shí)域脈壓、二階RG濾波器旁瓣抑制，對(duì)9 m處RCS為0.01 m2金屬球目標(biāo)的回波信號(hào)見(jiàn)圖9，其在距離維和速度維的切片見(jiàn)圖10，可見(jiàn)所測(cè)得的距離為8.75 m，多普勒頻率為54.69 kHz，并且可以根據(jù)距離和速度兩個(gè)維度上的特征進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和抗干擾。

通過(guò)CFAR判據(jù)獲得目標(biāo)的速度、距離信息，結(jié)合多次檢測(cè)的關(guān)聯(lián)性，并與彈載計(jì)算機(jī)提供的制導(dǎo)信息綜合決策，進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別、引戰(zhàn)配合等。

4?抗干擾性能分析

雷達(dá)設(shè)計(jì)中通常采用雷達(dá)模糊函數(shù)來(lái)確定特定波形的距離和多普勒分辨率。雷達(dá)模糊函數(shù)定義為[15]

式中：u（t）表示發(fā)射（和接收）波形的復(fù)包絡(luò);t′表示時(shí)延;fd表示多普勒頻移。以脈內(nèi)13位巴克碼、脈間127位M序列0/π調(diào)相信號(hào)為例，在Matlab中進(jìn)行仿真，得到此波形的模糊圖見(jiàn)圖11。

模糊圖主峰尖銳，說(shuō)明該體制具有良好的距離、速度分辨率，能夠有效降低引信距離副瓣，避免了測(cè)距模糊和距離副瓣干擾，同時(shí)具有低截獲特性，使敵方偵察、復(fù)制、轉(zhuǎn)發(fā)困難。

同時(shí)，相對(duì)于目前常用的微波段引信，V波段引信具有抗有源干擾的波段選擇優(yōu)勢(shì)。對(duì)于引信這種近距、瞬時(shí)探測(cè)系統(tǒng)，威脅較大的是轉(zhuǎn)發(fā)式和阻塞式干擾，其中轉(zhuǎn)發(fā)式干擾需要偵收到引信的發(fā)射信號(hào)?？紤]衰減時(shí)干擾機(jī)偵收到的引信功率為

式中： Pt為引信發(fā)射功率，取1 W;Gt為引信發(fā)射天線增益，取14 dB;Gr為干擾機(jī)偵收天線增益，取5 dB;λ為工作波長(zhǎng);R為引信與干擾機(jī)間的距離;δ為無(wú)線電波單程傳播衰減（dB/km），標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，V波段取為16 dB/km，X波段忽略不計(jì)。此時(shí)可以得到不同距離處干擾機(jī)偵收到引信功率見(jiàn)表1。

目前干擾機(jī)的偵收靈敏度一般為-80 dBm，則對(duì)于X波段引信，主瓣偵收距離為5 km。對(duì)于V波段的引信，和X波段相比功率衰減快，對(duì)應(yīng)的偵收距離為500 m。由于引信的主瓣寬度很窄，在彈目高速運(yùn)動(dòng)的情況下，干擾機(jī)難以對(duì)準(zhǔn)引信的主瓣，當(dāng)主副瓣電平比為25 dB時(shí)，干擾機(jī)只有在50 m時(shí)才能偵收到引信信號(hào)。

可見(jiàn)，V 波段引信具有良好的射頻隱身性能，干擾機(jī)難以在遠(yuǎn)距離偵收到引信信號(hào)，同理也難以遠(yuǎn)距離形成有效的阻塞干擾，再加上采用脈內(nèi)脈間調(diào)相的脈壓體制，直接干擾要求高、難度大。

5?結(jié)?束?語(yǔ)

本文將非大氣窗口的V波段與先進(jìn)的相位編碼脈沖壓縮體制相結(jié)合，提出了適合引信使用的實(shí)用化方案，綜合采用頻段、體制、工作模式、信號(hào)處理等手段，提高了無(wú)線電引信的抗干擾能力，并克服了V波段目前探測(cè)能力相對(duì)較低的缺點(diǎn)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于解決探測(cè)能力、距離分辨力、抗干擾能力間的矛盾具有重要的意義，其總體及單項(xiàng)技術(shù)在新一代中距攔射型、近距格斗型和遠(yuǎn)程型空空導(dǎo)彈中，都具有很廣闊的應(yīng)用前景。

需要說(shuō)明的是，由于巴克碼碼長(zhǎng)限制，脈沖壓縮增益較為有限，因此需要進(jìn)一步優(yōu)選適合引信使用的編碼形式，在滿足峰值旁瓣比前提下獲得更高的脈沖壓縮增益。

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