雙波段復合毫米波引信探測器的設計與驗證

侯武斌

雙波段復合毫米波引信探測器的設計與驗證

侯武斌

（中國西南電子技術研究所，成都 610036）

面對戰(zhàn)場日益復雜的電磁環(huán)境，遠程制導火箭彈迫切急需新一代的高抗干擾毫米波近炸引信，以突破3毫米波/8毫米波一體化集成射頻前端、雙通道多模式信息融合處理等關鍵技術。采用線性調頻連續(xù)波和脈沖多普勒體制可動態(tài)配置的方法，完成了新型雙波段復合測距毫米波引信探測器原型樣機的研制，為未來復雜電磁環(huán)境下作戰(zhàn)應用的高精度、高抗干擾、高可靠性近炸引信型號裝備研制提供堅實的技術支撐。

毫米波；探測器；近炸引信

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭武器的主要特征之一是精確打擊，實現(xiàn)“智能毀傷”，其中智能毀傷主要由引信探測器來完成，引信探測器根據(jù)戰(zhàn)斗部種類、目標特征、彈目交會參數(shù)，自適應選擇起爆方式或炸點，實現(xiàn)精確起爆，發(fā)揮戰(zhàn)斗部的最大毀傷效果。智能彈藥普遍采用無線電近炸引信實現(xiàn)目標探測，并精確測定目標距離和速度等參數(shù)，在此基礎上精確控制彈藥炸點，實現(xiàn)近炸和智能毀傷[1]。近炸引信作為智能彈藥的關鍵部件，是電子對抗的主要干擾目標。特別是無線電近炸引信，其發(fā)射信號易被截獲，并引導干擾機產生干擾信號，對近炸引信實施欺騙、壓制、阻塞等電磁干擾，導致引信產生早炸或近炸失效等，降低彈藥作戰(zhàn)效能[2]。

針對以上威脅，迫切需要研制新一代高抗干擾無線電近炸引信探測器，確保無線電近炸引信在復雜電磁環(huán)境下可靠工作，并滿足高精度、低成本和大批量裝備應用需求。其中，采用毫米波頻段的近炸引信探測器，結合多頻段、多通道、多體制信息融合策略和跳頻等抗干技術增強其抗干擾能力，是實現(xiàn)對抗國外第四代干擾機的有效手段。本文針對以上需求，開展雙頻段、雙通道和雙體制可配置的毫米波復合測距近炸引信探測器關鍵技術研究和樣機研制[3]。

1 總體設計方案

1.1 系統(tǒng)組成

探測器由雙波段一體化射頻前端、兩個中頻處理通道和數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）單元構成。具體包括3毫米波和8毫米波的收發(fā)通道，其中在發(fā)射通道內，由DSP產生調制信號對壓控振蕩器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）進行頻率調制，經過倍頻后產生相應頻段的毫米波發(fā)射信號，并經發(fā)射天線向外輻射。在接收通道中，回波信號經接收天線轉換為導行波并經低噪聲放大，通過平衡混頻器與耦合的發(fā)射信號進行自差式混頻得到中頻信號。其中8毫米波發(fā)射通道和本振信號帶有脈沖調制功能，可以實現(xiàn)脈沖 工作[4]。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 復合引信系統(tǒng)功能組成框圖

兩個中頻通道分別完成線性調頻連續(xù)波（Linear Frequency Modulated Continuous Wave，LFMCW）[5]和脈沖多普勒（Pulse Doppler，PD）兩種探測模式的中頻信號處理，LFMCW模式中頻通道進行中頻信號帶通濾波、放大，經帶通采樣和模擬數(shù)字轉換（Analog to Digital Converter，ADC）變換為數(shù)字信號[6]；PD模式中頻通道對中頻信號進行低通濾波、放大，經過采樣和ADC變換為數(shù)字信號。中頻信號數(shù)字化后進入DSP單元處理。LFMCW中頻通道輸入設置雙刀雙擲（Double Pole Double Throw，DPDT）開關，可根據(jù)需要選擇3毫米波或8毫米波前端的中頻信號進行定距處理，實現(xiàn)工作模式的動態(tài)配置。

DSP單元完成以下功能：

1）產生LFMCW模式和PD模式的調制基帶信號，對VCO進行頻率調制，控制射頻信號工作頻率、帶寬、調制周期等調制參數(shù)；

2）產生PD模式的脈沖調制信號，包括發(fā)射信號和接收本振脈沖調制信號；

3）進行中頻數(shù)字信號處理，進行目標檢測并獲取中頻載頻、多普勒頻率等參數(shù)；

4）加載雙通道、雙模式信息融合處理算法，產生最終引炸指令。

1.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)有LFMCW和PD兩種工作模式，均可實現(xiàn)目標探測，其中LFMCW模式主要完成目標定距，PD模式主要完成目標相對速度測定。

1.2.1 LFMCW工作原理

如圖2所示，靜目標是與探測器沒有相對運動目標。由于探測器在工作中隨彈體高速運動，因此所有地面目標均為動目標。

圖2 LFMCW模式發(fā)射信號頻率與中頻信號頻率示意圖

中頻信號頻譜示意圖如圖3所示，其中f為調制信號頻率。其工作原理如下：發(fā)射對稱三角波線性調頻信號，由于目標回波信號在空間傳播產生的時間延遲，其到達接收機時瞬時頻率與發(fā)射信號頻率具有頻差，且頻差正比于空間傳輸距離。將回波信號與發(fā)射信號混頻，取出差頻信號，根據(jù)其幅頻分布，可得到目標距離信息。在目標進入設定的距離范圍時，其中頻信號進入接收中頻濾波器通帶，當其幅度超過門限電平，探測器將檢測到目標。

圖3 LFMCW探測器典型中頻頻譜

根據(jù)三角波調制，從時域分析近似可以得出[3]：

1.2.2 PD工作原理

圖4 PD模式信號時域調制波形及載頻示意圖

PD模式的發(fā)射信號在時域上周期為ns左右的窄脈沖形式，這將迫使敵方偵察接收機采用時域慢搜索方式才能實現(xiàn)可靠的信號截獲，會增加偵察接收機響應時間而出現(xiàn)較大時延，從而可以通過接收距離門技術較好的抑制轉發(fā)式干擾；對于采用數(shù)字射頻存儲器（Digital Radio Frequency Memory，DRFM）干擾方式的干擾機，除了增加干擾機信號截獲時間外，還迫使干擾機增加存儲時間，減小有效干擾功率密度和干擾頻度，從而大大降低干擾效能。

此外，PD模式可以采用與LFMCW模式為非整數(shù)倍關系的脈沖重復頻率，從而增大雙通道聯(lián)合探測器時的模糊距離，增強系統(tǒng)對模糊距離強反射假目標的抗干擾能力。

1.2.3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作流程圖

系統(tǒng)上電后，首先進行通道自檢。通道自檢通過DSP獲取接收通道噪聲電平，當噪聲電平處于要求范圍內時，判斷通道工作正常，否則判斷為通道異常。當雙通道均正常，則執(zhí)行雙通道聯(lián)合探測流程，如圖6所示，此時8毫米波通道工作于PD模式，3毫米波通道工作于LFMCW模式；當只有一個通道正常時，則執(zhí)行單通道探測流程，如圖7所示，此時該通道工作于LFMCW模式；當兩個通道均不正常，則閉鎖近炸輸出，轉為觸發(fā)等備用工作模式。

圖6 雙通道聯(lián)合探測工作流程

圖7 單通道處理工作流程

在雙通道聯(lián)合探測時，8毫米波通道采用PD模式工作，當檢測到目標，且目標處于要求的距離范圍內時，提取回波多普勒頻率，得到目標速度；同時3毫米波通道采用LFMCW模式，在多個距離窗口內進行檢測，當先后幾次檢測到目標，且目標距離和時間間隔與PD模式檢測到目標速匹配，則認為檢測到真實目標；之后，利用目標速度信息進行目標的距離—速度解耦合，獲得目標的準確高度，當在此高度上檢測到目標，給出近炸指令[7]。

2 主要技術指標

2.1 探測距離

2.1.1 LFMCW體制作用距離

根據(jù)LFMCW雷達方程如式（3）所示：

依據(jù)式（3），經過計算3毫米波長的系統(tǒng)信噪比為21.9 dB，8毫米波長的系統(tǒng)信噪比為43.6 dB。

2.1.2 PD體制探測距離

根據(jù)PD雷達方程如式（4）所示：

依據(jù)式（4），經過計算8毫米波長的系統(tǒng)信噪比為36.2 dB。

以上計算的系統(tǒng)信噪比均大于15.06 dB的要求，且留有余量，滿足系統(tǒng)設計要求。

2.2 定高精度

探測器距離分辨率如式（6）所示：

光速C=3×108m/s，發(fā)射波形的調制周期為2 μs，調制帶寬為250 MHz，計算得到的分辨率為0.6 m，滿足±5 m的距離分辨率的要求。

探測器總的定高誤差如式（7）所示：

3 關鍵技術

3.1 多通道可配置多體制融合提高定高精度、抗干擾能力和作用可靠性

采用了兩個通道分別工作于PD和LFMCW兩種體制，充分利用了PD體制測速精度高和LFMCW體制測距精度高的優(yōu)點，利用PD體制測得的速度信息，實現(xiàn)LFMCW距離—速度解耦合，實現(xiàn)更高的定高精度[8]。

通過目標速度和距離信息融合[9]，實現(xiàn)干擾和虛假目標識別，顯著增強了探測器抗干擾能力；通過8毫米波段采用窄脈沖調制，迫使干擾機采用時域搜索方式進行信號捕獲，降低了其干擾效能。

通過8毫米波探測通道工作體制的動態(tài)可配置設計，可以確保在任意一個通道失效情況下，單通道可采用調頻連續(xù)波模式工作，仍能達到較高的定高精度，提高了探測器工作可靠性[10]。

3.2 3毫米/8毫米雙波段一體化集成收發(fā)前端

將3毫米波/8毫米波進行一體化集成實現(xiàn)雙通道可動態(tài)配置多體制復合毫米波近炸引信探測器在國內尚屬首次研制，通過一體化集成實現(xiàn)產品小型化設計，進一步降低產品加工成本。

4 實驗結果及其分析

雙波段復合毫米波引信探測器3D模型如圖8所示，上半部分為3毫米波段的射頻收發(fā)前端，下半部分為8毫米波段的射頻收發(fā)前端，背面為中頻信號處理電路。

圖8 雙波段復合毫米波引信探測器3D模型

經實物測試驗證，該探測器采用LFMCW定距和PD雙波段毫米波探測、雙模式動態(tài)配置和信息融合處理，可適用耕地、草地、灌木、沙漠、水泥地等典型特征地面，炸高可在5～30 m范圍裝定，實際測試定高精度在3.5 m左右，滿足5 m的定高精度，外形尺寸小于直徑Φ70×50 mm2，可滿足遠程制導火箭彈尺寸要求。

5 結語

本文研究的定高探測器炸高可在5～30 m范圍裝定，可應用于在復雜電磁環(huán)境下作戰(zhàn)的遠程制導火箭彈近炸引信、地—地導彈、反艦導彈近炸引信，具有高定高精度、高抗干擾能力和高可靠性，為我軍新一代抗干擾毫米波引信發(fā)展提供了思路。

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Design and Verification of Dual-Band Compound Millimeter Wave Fuze Detector

HOU Wubin

In the face of the increasingly complex electromagnetic environment of the battle field. A new generation of high anti-interference millimeter wave proximity fuze is urgently needed for long-range guided rocket. In order to break through 3 millimeter wave/8 millimeter wave integration rf front-end, dual channel multi-mode information fusion processing and other key technologies. The prototype of a novel dual-band complex ranging millimeter-wave fuze detector is developed by using the method of linear frequency modulated continuous wave and pulse doppler system which can be dynamically configured. It provides a solid technical support for the development of high-precision, high-interference and high-reliability close-in fuze model equipment for future combat applications in complex electromagnetic environment.

Millimeter Wave; Detector; Proximity Fuze；

TN958.2

A

1674-7976-(2022)-06-447-06

2022-09-06。

侯武斌（1980.05—），陜西寶雞人，工程師，主要研究方向為微波射頻組件及射頻系統(tǒng)集成。