末敏彈調(diào)頻毫米波雷達(dá)引信

劉水英, 李 鵬, 范 昕, 王守林

(引信動(dòng)態(tài)特性國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710065)

0 引言

末敏彈是一種通過火箭、火炮、航空撒布器帶到目標(biāo)區(qū)上空的子彈藥,釋放出來后,探測(cè)裝置利用彈藥的旋轉(zhuǎn)和偏置懸掛在下落中掃描地面,搜索目標(biāo),啟動(dòng)爆炸成型侵徹體從頂部攻擊裝甲目標(biāo)。

已有的末敏敏感器采用紅外或毫米波被動(dòng)探測(cè)目標(biāo),為了識(shí)別目標(biāo),需要加無線電測(cè)高裝置,當(dāng)使用毫米波測(cè)距時(shí),還需要與被動(dòng)探測(cè)方式分時(shí)工作。系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜,提高探測(cè)距離難度較大。本文提出的是一種全新的主動(dòng)探測(cè)模式,采用調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)工作體制。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

在末敏炮彈中應(yīng)用時(shí),要求毫米波探測(cè)器必須小型化,同時(shí)要滿足重量和抗高過載的要求;要求天線口徑小增益高,能有效地滿足探測(cè)器對(duì)作用距離的要求,具有目標(biāo)識(shí)別能力,成本不能太高。采用主動(dòng)8mm調(diào)頻連續(xù)波工作體制可以解決上述難題。主動(dòng)調(diào)頻連續(xù)波工作體制利用回波信號(hào)與發(fā)送信號(hào)的差頻信號(hào)進(jìn)行距離和目標(biāo)檢測(cè)。它的優(yōu)點(diǎn)在于抗干擾能力強(qiáng),能連續(xù)對(duì)地測(cè)距,距離分辨率高,且可進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別,并且與脈沖測(cè)距相比較,功耗小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)較低,把它用作炮彈的末端傳感裝置是十分適用的。

毫米波探測(cè)器包括毫米波收發(fā)前端、天線和信號(hào)處理器。毫米波收發(fā)組件包括VCO、倍頻器、功率放大器、功分器、低噪聲放大器等[1]。雷達(dá)引信的總功能框圖,如圖1所示。

圖1 雷達(dá)傳感器功能框圖

大致工作過程如下:VCO發(fā)射毫米波調(diào)頻信號(hào),經(jīng)天線傳向地面,天線掃描搜索地面,回波信號(hào)通過接收天線并進(jìn)入混頻器與部分發(fā)射信號(hào)混頻,經(jīng)過信號(hào)處理,輸出距離信號(hào),若檢測(cè)到目標(biāo)時(shí)同時(shí)輸出目標(biāo)信號(hào)。

毫米波收發(fā)組件是探測(cè)系統(tǒng)的核心,基于彈載武器對(duì)重量、體積等方面的嚴(yán)格要求,要實(shí)現(xiàn)毫米波探測(cè)器的小型化設(shè)計(jì),采用基于MM IC的平面集成形式。

毫米波高穩(wěn)定本振信號(hào)源采用四倍頻鎖相的方式產(chǎn)生:即采用DRVCO技術(shù)產(chǎn)生X波段的振蕩信號(hào),對(duì)其進(jìn)行鎖相后再倍頻到毫米波頻段。既保證了相位噪聲要求,又解決了傳統(tǒng)毫米波振蕩器在振動(dòng)時(shí)的散譜問題。毫米波前端體積可以小于Ф100 mm×10 mm,滿足彈體的要求。

對(duì)于應(yīng)用于復(fù)雜地雜波背景下的武器系統(tǒng)而言,地雜波是影響其性能特別是距離性能的一個(gè)最不利的因素,通過提高系統(tǒng)的距離分辨率和降低天線的波瓣寬度是行之有效的方法。利用軟基片材料上的貼片構(gòu)成的薄平面微帶天線,符合探測(cè)目標(biāo)的要求,并且可以和毫米波收發(fā)前端集成在一起,較好地滿足本系統(tǒng)的需求。

2 探測(cè)距離和識(shí)別概率

根據(jù)雷達(dá)方程[2],探測(cè)器最大作用距離為

式中:K為波耳茲曼常數(shù);T0為溫度系數(shù);S0/N0為信噪比;L r為傳輸損耗;G t G r為收發(fā)天線增益的乘積;λ為系統(tǒng)工作波長(zhǎng);σ為目標(biāo)雷達(dá)橫截面積;F n為接收機(jī)噪聲系數(shù);B為接收機(jī)帶寬。

從公式看出,要增大測(cè)距能力的主要措施是增大發(fā)射功率Pt、增大天線增益GtGr,減少接收機(jī)帶寬B,增大發(fā)射功率大大增加成本,體積也相應(yīng)變大,顯然不可取。增大天線增益,減少接收帶寬是提高測(cè)距能力的關(guān)鍵。

假設(shè)發(fā)射功率P t為40 mW,雷達(dá)截面積σ為9 m2,接收機(jī)噪聲小于3.5 dB,在只考慮噪聲影響時(shí)系統(tǒng)的作用距離可超過240 m。

雜波是檢測(cè)性能的限制因素,當(dāng)?shù)孛骐s波存在時(shí),目標(biāo)的檢測(cè)顯著依賴于探測(cè)器的俯角,從彈頭攻擊目標(biāo)的觀點(diǎn)看,俯角在45°～70°。假設(shè)俯角θ為 70°,粗糙地面的后向散射系數(shù) σ0為0.1[3],φ=3π/180,采用文獻(xiàn)[1]中的 RCS 公式,則雜波單元的 RCS 為 πφ2R2σ0/(4 sinθ)=2.3×10-4R2,目標(biāo)的雷達(dá)截面等于在毫米波頻率下對(duì)傳感器呈現(xiàn)的實(shí)際面積,假設(shè)目標(biāo)的雷達(dá)截面是9 m2,則雜波必須低于5m2,才能得到大約150m的最大引信距離。

雷達(dá)總是在噪聲和其他干擾背景下檢測(cè)目標(biāo),再加上復(fù)雜目標(biāo)的回波信號(hào)本身也是起伏的,故接收機(jī)輸出的是隨機(jī)量,雷達(dá)作用距離也不是一個(gè)確定值而是統(tǒng)計(jì)值[3],對(duì)于一個(gè)雷達(dá)來講,不能簡(jiǎn)單地說其作用距離是多少,通常只在概率意義上講,當(dāng)虛警概率和發(fā)現(xiàn)概率給定時(shí)的作用距離多大。

通過對(duì)毫米波散射特性研究,并對(duì)黃土地和混凝土等典型背景進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別測(cè)試,在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別統(tǒng)計(jì)分析與比較,得到了以目標(biāo)波形的幅值、寬度、高度、掃描轉(zhuǎn)速、子彈及背景雜波等參數(shù)的統(tǒng)計(jì)識(shí)別模型。模型的目標(biāo)識(shí)別置信度P計(jì)算公式為

式中:P為毫米波探測(cè)器的目標(biāo)識(shí)別置信度;Pt為由掃描寬度得到的目標(biāo)識(shí)別置信度;P v為由目標(biāo)幅度得到的目標(biāo)識(shí)別置信度;β、ξ均為加權(quán)系數(shù),由識(shí)別統(tǒng)計(jì)模型確定。

任何目標(biāo)都有一個(gè)最短長(zhǎng)度,一個(gè)最長(zhǎng)長(zhǎng)度。當(dāng)天線掃過目標(biāo)時(shí),有一個(gè)掃描寬度。這個(gè)寬度不但與彈的轉(zhuǎn)速、彈目之間的距離、天線方向?qū)挾鹊瓤芍苯佑?jì)算參數(shù)有關(guān),還與背景雜波、目標(biāo)的RCS、彈的姿態(tài)擺動(dòng)等統(tǒng)計(jì)參數(shù)有關(guān)。它的掃描寬度計(jì)算式為

式中:Δt max為識(shí)別度為100%的最大掃描寬度;Δtmin為識(shí)別度為100%的最小掃描寬度;L為目標(biāo)的最短長(zhǎng)度;M為目標(biāo)的最長(zhǎng)長(zhǎng)度;θ為天線與垂線的夾角;R為彈目之間的距離;n為彈的轉(zhuǎn)速;γ1、γ2表示加權(quán)系數(shù),由模型給定;V 為在Δt max或Δt min內(nèi)的幅值;V B為背景信號(hào)的平均電平;α為加權(quán)系數(shù),由模型給定。

系統(tǒng)根據(jù)Δt的值確定P t的值。

用信號(hào)的幅值來識(shí)別目標(biāo)更為困難。背景信號(hào)可能比目標(biāo)還大,且目標(biāo)本身因照射方位不同散射的信號(hào)強(qiáng)弱差異也較大。為了使用幅值特性能較好地識(shí)別目標(biāo),首先利用大量測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù),建立了統(tǒng)計(jì)規(guī)律;其次,在現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)中,從150 m 彈目距離開始背景規(guī)律的尋找及背景平均電平的計(jì)算。雷達(dá)開始工作后,首先對(duì)背景雜波進(jìn)行探測(cè),以確定背景結(jié)構(gòu)噪聲的總體水平,并實(shí)時(shí)為目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)確立檢測(cè)門限。獲得可能的目標(biāo)信號(hào)后,測(cè)量信號(hào)幅度與背景雜波水平的比值,同時(shí)測(cè)量信號(hào)波形的寬度,經(jīng)子彈高度、掃描轉(zhuǎn)速修正后與目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)模板比較,如果滿足統(tǒng)計(jì)意義上的匹配關(guān)系,則被判定為目標(biāo)。

利用目標(biāo)回波幅值進(jìn)行PV的計(jì)算式為

式中:α為加權(quán)系數(shù),由模型給定;VB為背景信號(hào)平均電平,V;V為ΔT內(nèi)的幅值,V;k表示加權(quán)系數(shù);ΔT表示目標(biāo)信號(hào)V不小于αV B占用的時(shí)間,s;φ1,φ2表示加權(quán)系數(shù),由模型給定;ΔT C表示采樣周期,s;Vmax表示包絡(luò)的最大幅值。

根據(jù)V max小于V Bφ2的程度或V max大于V Bφ1的程度確定P v值。

3 外場(chǎng)試驗(yàn)

利用研制的毫米波探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了外場(chǎng)試驗(yàn),圖2為150m距離處的地面回波信號(hào),圖3為150m距離處的卡車信號(hào)(歸一化處理后)。為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具代表性和實(shí)用性,按常規(guī)的掃描方法采用轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行掃查。為消除探測(cè)時(shí)由于轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)及目標(biāo)位置、尺寸大小等對(duì)波形幅度的影響,將采樣波形作歸一化處理。試驗(yàn)采用卡車為仿真目標(biāo),測(cè)得較穩(wěn)定的回波信號(hào)。試驗(yàn)結(jié)果表明,采用調(diào)頻連續(xù)波體制和系統(tǒng)、天線的合理設(shè)計(jì),可以明顯地提高系統(tǒng)探測(cè)動(dòng)目標(biāo)的能力,同時(shí)該工作模式可以滿足系統(tǒng)對(duì)毫米波探測(cè)器作用距離的要求。

圖2 150 m距離處的對(duì)地距離信號(hào)

圖3 150 m距離處的卡車信號(hào)

4 結(jié)論

通過分析和試驗(yàn)可以得出:采用線性調(diào)頻連續(xù)波體制電源功耗小,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,通過集成小型化設(shè)計(jì)可以保證系統(tǒng)滿足彈體對(duì)體積和重量的要求,達(dá)到滿意的探測(cè)距離和探測(cè)精度。

毫米波雷達(dá)引信突出的優(yōu)點(diǎn)使其主要的潛在應(yīng)用于要求結(jié)構(gòu)小,重量輕、分辨力高,作用距離近、抗干擾能力強(qiáng)的場(chǎng)合[4]。它具有微波和光電兩種系統(tǒng)的特性,它以這種方式來減小微波和光電系統(tǒng)的缺點(diǎn),融合二者的優(yōu)點(diǎn),將其用作炮彈或?qū)椀哪┒藗鞲醒b置是十分適用的。

[1] 鄒涌泉 .Ka波段混合集成前端 .紅外與毫米波學(xué)報(bào)[J].2002,21(6):477-480.

[2] 蔡希堯 .雷達(dá)系統(tǒng)概論[M].北京:科學(xué)出版社,1983.

[3] [美]M·W·朗 .陸地和海面的雷達(dá)波散射特性[M].北京:科學(xué)出版社,1981.

[4] 張玉錚.近炸引信設(shè)計(jì)原理[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1996.