張星宇，劉迪

（陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，河北石家莊，050003）

0 引言

連續(xù)波多普勒無線電引信是最早使用的一種無線電引信，其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、可靠性高，目前仍被各國廣泛使用。其作用原理是采用多普勒效應(yīng)，利用引信與目標(biāo)接近時(shí)二者間的相對運(yùn)動(dòng)，使引信發(fā)射機(jī)振蕩源的信號頻率f0與接收機(jī)接收到的信號頻率f 產(chǎn)生差異，引信接收到的多普勒信號的振幅隨彈目距離的減小而增大，從而提取目標(biāo)信息以在最佳位置起爆[1]。

信號處理器是無線電引信提取目標(biāo)信息的重要部件，其性能狀況直接關(guān)系到引信能否在預(yù)定位置起爆，發(fā)揮毀傷效果。實(shí)際運(yùn)用環(huán)境中，引信面對高（低）溫、溫度變化、振動(dòng)、沖擊等復(fù)雜環(huán)境應(yīng)力的影響，電子部件的性能勢必會(huì)發(fā)生變化，出現(xiàn)一定程度的退化甚至失效。因此，采用一定手段對無線電引信性能變化進(jìn)行分析，并在設(shè)計(jì)上對其薄弱環(huán)節(jié)、可能故障點(diǎn)進(jìn)行加固，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。傳統(tǒng)的無線電引信性能測試運(yùn)用專用的儀器設(shè)備，通過引信預(yù)留接口或插針進(jìn)行測試，需要對引信進(jìn)行分解，工作量較大，且獲得數(shù)據(jù)一般只能判斷引信是否合格，難以進(jìn)一步分析。針對這一問題，本文基于Simulink 平臺搭建了無線電引信信號處理器系統(tǒng)仿真，并模擬了部件退化對其性能造成的影響。

1 信號處理器工作原理及故障分析

1.1 工作原理

以某型無線電引信信號處理器為例進(jìn)行分析。該信號處理器的原理方框圖如圖1 所示，由七個(gè)功能電路組成，分別為帶通放大器、整流濾波器、采樣脈沖產(chǎn)生器、幅度檢測電路、增幅速率選擇電路、模擬地產(chǎn)生的電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路。

圖1 信號處理器原理方框圖

其工作原理為由無線電引信目標(biāo)檢測器輸出的信號，通過帶通放大器抑制通帶以外的信號，保留目標(biāo)信號（即多普勒信號）后分兩路，一路送至整流濾波器，進(jìn)行全波整流，提取目標(biāo)信號幅值；另一路送至采樣脈沖發(fā)生器，將連續(xù)波多普勒信號變?yōu)槊}沖串，用于控制增幅速率選擇電路。經(jīng)全波整流的幅度信號有三個(gè)通道，一是送至幅度檢測的電路，當(dāng)該幅度一旦超過設(shè)定門限時(shí)，幅度檢測器會(huì)檢測出來并輸出高電平至與門；二是送至衰減器后分兩路，一路輸出端形成增幅速率上限檢測電路的動(dòng)態(tài)上門限，另一路為增幅速率上限檢測電路，當(dāng)增幅速率超過動(dòng)態(tài)上門限時(shí)輸出高電平至與門；三是送至積分器后分兩路，一路輸出端形成動(dòng)態(tài)下門限，另一路送至增幅速率下限檢測電路，當(dāng)增幅速率超過動(dòng)態(tài)下門限時(shí)輸出高電平至與門。因此，只有當(dāng)幅度檢測、上限幅度檢測、下限幅度檢測三通道同時(shí)輸出高電平時(shí)，信號處理器才會(huì)輸出點(diǎn)火脈沖，有效利用了目標(biāo)信號的幅度、增幅速率等信息，使其具有很好的目標(biāo)識別能力與抗干擾能力。

1.2 失效模式分析

根據(jù)信號處理器的工作原理及各功能電路結(jié)構(gòu)，首先采用FTA 法（故障樹分析法）對其可能的失效模式進(jìn)行分析，如圖2。

圖2 信號處理器失效樹

由失效樹可知，各電路中的部分電容、電阻、運(yùn)算器等的失效都將導(dǎo)致分電路失效，進(jìn)而影響信號處理器功能，造成其失效。再利用FMECA 法（故障模式影響及危害度分析法）對其失效模式影響影響進(jìn)行分析，如表1。

表1 信號處理器失效模式及影響分析

通過上述分析可知，信號處理器各電路的部件變化對整體性能存在影響，會(huì)造成其退化和失效。但采用FTA 法與FMECA 法分析失效模式過于籠統(tǒng)，只定性地提出了結(jié)論卻沒有直接針對某一部件，導(dǎo)致可操作性與指導(dǎo)性不強(qiáng)，難以運(yùn)用工程實(shí)際。因此，本文結(jié)合分析結(jié)果，運(yùn)用Simulink 仿真軟件進(jìn)一步研究。

2 信號處理器仿真模型搭建

針對無線電引信信號處理器仿真模型的搭架，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)做了大量工作，并在MATLAB 平臺[2-4]、Simulink 平臺[5-7]、PSPICE 平臺[8]、ADS 平臺[9]等完成過搭建，本文延續(xù)于Simulink 平臺搭建信號處理器的思路開展研究。

2.1 輸入信號分析

目標(biāo)探測器輸出的信號進(jìn)入信號處理器，該信號的組成為振蕩電路產(chǎn)生的本振信號與目標(biāo)回波信號混頻而成：

其中UL與Ur分別為本振信號的幅值與回波信號的幅值，f 為本振信號的頻率，fd為回波信號中多普勒信號的頻率。本文研究的某型無線電引信為一種對地引信，根據(jù)多普勒定律，可得

式中Vd與θ 分別為引信隨彈丸接近地面時(shí)的速度與落角，λ0為本振信號波長。同時(shí)，回波信號的幅值隨下落高度的變化而變化，即

式中，SA為引信自差收發(fā)機(jī)的靈敏度，D 為天線方向系數(shù)，F(xiàn)(φ)為天線的方向性函數(shù)，N 為反射系數(shù)，H0為引信距離地面的初始高度。

針對特定引信隨炮彈的某一次射擊過程中，f、Vd、θ、SA、D、F(φ)、N、H0都為確定的常數(shù)，只與引信結(jié)構(gòu)和射擊諸元有關(guān)，因此可通過計(jì)算得到輸入信號，并用于仿真。

2.2 仿真模型整體設(shè)計(jì)

根據(jù)信號處理器的作用原理以及各分部件工作過程，首先確定仿真模型流程圖：

圖3 仿真模型流程圖

根據(jù)確定的流程圖，分別構(gòu)建各分模塊。如輸入信號由1式、3 式計(jì)算結(jié)果的兩路信號混頻而成；如帶通濾波可以采用Simulink 預(yù)設(shè)模塊Digital Filter Designer，根據(jù)信號處理器特性調(diào)整預(yù)設(shè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)功能；又如全波整流可以通過預(yù)設(shè)開關(guān)模塊Relay、Switch 等組合而成實(shí)現(xiàn)。將各模塊相連，完成信號處理器仿真模型的搭建，如圖4。

圖4 信號處理器仿真模型

2.3 典型場景仿真及結(jié)果

圖5 仿真場景

選取火炮對地面射擊某一時(shí)刻，此時(shí)引信隨彈丸距離地面高度H0=25m，彈丸飛行速度Vd=800m/s，與地面落角θ=30°，地面反射系數(shù)N=0.15，無線電引信本振信號中心頻率f=200MHz，其余參數(shù)為該型無線電引信設(shè)計(jì)時(shí)的固有參數(shù)，場景如圖6。

通過將計(jì)算得到的回波信號以及本振信號混頻后輸入仿真模型，開始仿真，過程中部分結(jié)果及最終仿真結(jié)果如圖6至圖9 所示。

圖6 帶通放大器輸出信號

圖7 全波整流輸出信號

圖8 采樣脈沖信號

圖9 仿真最終結(jié)果

根據(jù)仿真最終結(jié)果，點(diǎn)火脈沖出現(xiàn)的時(shí)間為仿真開始后0.031s 至0.039s 之間，結(jié)合彈體的落速與落角，計(jì)算得到此時(shí)炸高分布于9.4m 至12.6m 之間。

3 基于仿真模型的失效分析

電子產(chǎn)品的失效模式可分為突發(fā)失效與退化失效兩種模式[10]。突發(fā)失效即產(chǎn)品在某一瞬間其功能完全喪失，如發(fā)生了元器件擊穿、電路短路、材料斷裂等，會(huì)直接造成系統(tǒng)功能失效。種類失效通常由于高強(qiáng)度外界應(yīng)力刺激或產(chǎn)品自身設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致，難以預(yù)測。退化失效是產(chǎn)品在貯存或使用過程中，性能隨時(shí)間的延長而逐漸劣化，如電阻阻值漂移、電容數(shù)值的改變、線路導(dǎo)電性能的變化等，直至無法正常工作[11]。這類失效無法避免，取決于產(chǎn)品的貯存與工作環(huán)境[12]。

由于線路中的電阻、電容器件的性能直接關(guān)系到信號處理器各部件參數(shù)，且其退化過程易于量化代入仿真模型。因此下文研究電阻、電容性能退化對信號處理器部件及整體的影響。

3.1 采樣脈沖發(fā)生器

采樣脈沖發(fā)生器的工作過程為比較器負(fù)端相連的RC 并聯(lián)電路的放電過程。初始狀態(tài)下比較器正端偏壓小于負(fù)端，此時(shí)比較器輸出高電平；負(fù)端電壓隨著RC 電路的放電不斷下降，當(dāng)負(fù)端偏壓下降到小于正端時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)輸出低電平，此過程隨多普勒頻率周期而重復(fù)。在正負(fù)兩端偏壓確定的情況下，脈沖寬度只與負(fù)端并聯(lián)的電容、電阻有關(guān)。在仿真模型中調(diào)整并聯(lián)RC 電路的等效數(shù)值表示其退化過程，選取數(shù)值退化+10%、+20%、-10%、20%，于示波器3 中用標(biāo)尺工具測量采樣脈沖變化情況，具體結(jié)果見表2。

表2 采樣脈沖退化結(jié)果

由結(jié)果可得，當(dāng)RC 并聯(lián)線路等效數(shù)值發(fā)生增大退化時(shí)，采樣脈沖變寬；當(dāng)RC 并聯(lián)線路等效數(shù)值發(fā)生減小退化時(shí)，采樣脈沖變窄。分析點(diǎn)火脈沖變化情況時(shí)發(fā)現(xiàn)采樣脈沖寬度對點(diǎn)火脈沖出現(xiàn)時(shí)間及范圍無影響，即不影響引信炸高，但直接關(guān)系到點(diǎn)火脈沖寬度，過寬會(huì)導(dǎo)致受干擾概率增加，過窄會(huì)導(dǎo)致無法正常驅(qū)動(dòng)執(zhí)行級點(diǎn)火。

3.2 速率上限檢測電路

幅值增幅速率上限檢測運(yùn)用比較器實(shí)現(xiàn)，正端為幅值進(jìn)行微分后的增幅速率信號，負(fù)端為動(dòng)態(tài)上門限。動(dòng)態(tài)上門限的產(chǎn)生通過RC 網(wǎng)絡(luò)使信號衰減實(shí)現(xiàn)，輸入網(wǎng)絡(luò)的信號隨著輸入信號的增幅速率變大而開始以一定速率衰減，該數(shù)值與RC 網(wǎng)絡(luò)電容、電阻數(shù)值有關(guān)。分別調(diào)整仿真模塊中相關(guān)RC 網(wǎng)絡(luò)的等效數(shù)值表示其退化過程，選取數(shù)值退化+15%、+30%、-15%、-30%，于“仿真結(jié)果”示波器中用標(biāo)尺工具測量各脈沖變化情況，結(jié)果如表3。

表3 速率上限檢測電路退化結(jié)果

由結(jié)果可知，當(dāng)RC 網(wǎng)絡(luò)的等效數(shù)值發(fā)生增大失效時(shí)，上限脈沖截止時(shí)間增加，點(diǎn)火脈沖范圍增大，炸高分布加大；當(dāng)RC 網(wǎng)絡(luò)的等效數(shù)值發(fā)生減小失效時(shí)，上限脈沖截止時(shí)間減少，點(diǎn)火脈沖范圍減小，炸高分布變窄，在數(shù)值衰減達(dá)到-30%時(shí)，上限脈沖截止時(shí)間T 小于下限脈沖出現(xiàn)時(shí)間，此時(shí)無點(diǎn)火脈沖產(chǎn)生，造成引信的瞎火。

3.3 速率下限檢測電路

對于增幅速率下限檢測電路的研究思路與上限電路類似，同樣選取數(shù)值退化+15%、+30%、-15%、-30%，結(jié)果如表4。

表4 速率下限檢測電路退化結(jié)果

由結(jié)果可知，當(dāng)RC 網(wǎng)絡(luò)的等效數(shù)值發(fā)生增大失效時(shí)，下限脈沖出現(xiàn)時(shí)間增加，點(diǎn)火脈沖范圍減小，炸高分布變窄且炸高減小，在數(shù)值增加達(dá)到+30%時(shí)，下限脈沖出現(xiàn)時(shí)間T 大于上限脈沖截止時(shí)間，此時(shí)無點(diǎn)火脈沖產(chǎn)生，造成引信瞎火；當(dāng)RC 網(wǎng)絡(luò)的等效數(shù)值發(fā)生減小失效時(shí)，下限脈沖出現(xiàn)時(shí)間減小，點(diǎn)火脈沖范圍增大，炸高分布加大且炸高增加。

4 結(jié)論

本文以某型連續(xù)波多普勒無線電引信信號處理器為研究對象，通過分析其結(jié)構(gòu)與作用原理，采用FTA 法與FMECA 法對信號處理器存在的失效模式進(jìn)行了歸納。針對上述兩種方法工程指導(dǎo)性不強(qiáng)的問題，運(yùn)用Simulink 搭建信號處理器仿真模型，并對一射擊場景進(jìn)行了模擬?；诜抡婺Ｐ停谙嚓P(guān)電容、電阻性能退化的情況下，對采樣脈沖發(fā)生器、增幅速率上限檢測電路、增幅速率下限檢測電路進(jìn)行了仿真，得出了以下結(jié)論：

(1）采樣脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖寬度與比較器負(fù)端并聯(lián)RC 電路的等效數(shù)值呈正相關(guān)關(guān)系；(2）增幅速率上限脈沖的截止時(shí)間隨動(dòng)態(tài)上門限的控制RC 網(wǎng)絡(luò)的等效數(shù)值的增大右移，減小左移，當(dāng)左移達(dá)到一定程度后會(huì)造成引信瞎火；(3）增幅速率下限脈沖的截止時(shí)間隨動(dòng)態(tài)下門限的控制RC 網(wǎng)絡(luò)的等效數(shù)值的增大右移，減小左移，當(dāng)右移達(dá)到一定程度后會(huì)造成引信瞎火。