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        隨機(jī)步進(jìn)頻引信近距泄漏抑制方法研究

        2018-11-09 08:28:40張學(xué)斌周明宇程妹華
        制導(dǎo)與引信 2018年2期
        關(guān)鍵詞:近距頻譜波形

        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.上海無線電設(shè)備研究所,上海200090)

        0 引言

        從近十年的戰(zhàn)爭發(fā)展趨勢來看,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)化探測目標(biāo)的能力,基于精細(xì)化探測的信息實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的高效毀傷。頻率步進(jìn)引信通過對載頻離散調(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,且可以通過增加信號脈寬來提高平均功率,解決了極窄脈沖存在的峰值功率限制問題[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)場環(huán)境下精細(xì)化探測目標(biāo)的能力。

        防空導(dǎo)彈大多要求引信小盲區(qū)或無盲區(qū)探測,近距泄漏會(huì)影響到引信的小盲區(qū)或無盲區(qū)探測能力,因此本文對隨機(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)頻引信探測能力分析

        隨機(jī)步進(jìn)頻引信發(fā)射的信號為一串載頻隨機(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。對這串脈沖的回波信號與其載頻相應(yīng)的本振頻率進(jìn)行混頻,再對這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)射信號的步進(jìn)示意圖,發(fā)射信號表達(dá)式為

        模糊函數(shù)是分析系統(tǒng)分辨能力、模糊度、測量精度以及雜波抑制能力的有效數(shù)字工具[4]。對于頻率隨機(jī)步進(jìn)信號,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)頻脈沖串信號模糊圖近似圖釘型,沒有距離速度耦合現(xiàn)象,且時(shí)延分辨率為1/(NΔf);其速度模糊以1/Tr出現(xiàn)。

        2 近距泄漏對探測能力影響分析

        引信收發(fā)天線之間不會(huì)完全隔離,發(fā)射信號由引信發(fā)射天線直接泄漏進(jìn)接收天線,由于泄漏信號與本振信號完全相關(guān),經(jīng)過信號處理之后會(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系統(tǒng)探測能力的影響,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、近距泄漏信號以及目標(biāo)回波疊加近距泄漏信號如圖5所示,圖中信號相對于目標(biāo)回波疊加近距泄漏信號最大值歸一化。從圖5中可以看出,10 m處目標(biāo)回波信號已經(jīng)被近距泄漏信號完全淹沒。

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

        對比圖6和圖7,可以看出近距泄漏信號聚焦峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目標(biāo)峰值,受到隨機(jī)步進(jìn)頻信號較大底噪的影響,近距泄漏信號經(jīng)過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的底噪淹沒。

        經(jīng)過上述分析,近距泄漏會(huì)引起隨機(jī)步進(jìn)頻引信底噪淹沒目標(biāo)回波信號,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

        對于一個(gè)相對距離為R,相對速度為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為[5]

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

        由于近距泄漏信號相對距離很小,相對速度可近似為0 m/s,式(3)中采樣信號相位的第三項(xiàng)和第四項(xiàng)可以忽略,第二項(xiàng)系數(shù)也很小,近距泄漏信號按照脈沖重復(fù)周期采樣,經(jīng)過序列重排將偽隨機(jī)序列排為順序序列后,信號頻率很低。圖9為近距泄漏采樣信號頻譜,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),彈目相對速度遠(yuǎn)大于0 m/s,即式(3)中采樣信號相位的第三項(xiàng)和第四項(xiàng)不可以忽略,即目標(biāo)回波采樣信號的能量不集中在低頻部分。因此,可以對序列重排之后的信號先經(jīng)過高通濾波再進(jìn)行速度匹配對消,將近距泄漏信號濾除。圖10為近距泄漏信號濾波后頻譜(相對未濾波前信號頻譜幅度最大值歸一化),圖11為近距泄漏信號濾波后綜合波形(相對未濾波前目標(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比可以看出,近距泄漏被抑制33.8 d B。

        相對距離為10 m、相對速度為1 000 m/s的目標(biāo)回波疊加近距泄漏的信號經(jīng)過高通濾波處理之后,綜合波形如圖12所示(相對最大值歸一化),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,可以從綜合波形中提取目標(biāo)距離、速度信息。

        4 結(jié)束語

        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,受到近距泄漏信號的影響,隨機(jī)步進(jìn)頻引信的底噪會(huì)淹沒目標(biāo)回波信號,導(dǎo)致引信近距啟動(dòng)性能極大損失。基于近距泄漏信號與目標(biāo)回波信號在頻譜上的不同特征,本文采用先經(jīng)過高通濾波再進(jìn)行速度匹配對消的方法濾除近距泄漏信號,根據(jù)仿真結(jié)果,抑制度達(dá)33.8 dB。經(jīng)過抑制后,目標(biāo)回波信號不再被近距泄漏的底噪淹沒,可以從綜合波形中提取目標(biāo)距離、速度信息。

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