等幅連續(xù)波輻照下調(diào)頻引信小信號干擾機理研究

簡　勛，張希軍，張守龍，楊　潔

(軍械工程學(xué)院 靜電與電磁防護研究所，河北 石家莊 050003)

等幅連續(xù)波輻照下調(diào)頻引信小信號干擾機理研究

簡勛，張希軍，張守龍，楊潔

(軍械工程學(xué)院 靜電與電磁防護研究所，河北 石家莊 050003)

摘要為研究等幅連續(xù)波小信號對無線電引信干擾機理，開展了無線電引信等幅連續(xù)波輻照效應(yīng)試驗。試驗結(jié)果表明，在等幅連續(xù)波輻照下，低頻等幅干擾信號與目標(biāo)多普勒信號并存時，可能導(dǎo)致特定包絡(luò)特性的目標(biāo)多普勒信號被淹沒，干擾引信的定距判斷，從而失去近炸功能。從信號理論的角度進一步分析了小信號的對引信的干擾作用機理。

關(guān)鍵詞無線電引信；等幅連續(xù)波；輻照；小信號；

Research on Interference Mechanism of Small Signal on FM Radio Fuze under Radiation of Continuous Wave

JIAN Xun,ZHANG Xi-jun,ZHANG Shou-long,YANG Jie

(InstituteofElectrostaticandElectromagneticProtection,OrdnanceEngineeringCollege,ShijiazhuangHebei05003,China)

AbstractThe paper analyzes the interference mechanism of small signal on FM radio fuze.Through the test,it is discovered that when low frequency continuous interference signal coexists with target Doppler signal,under the radiation of continuous wave,the low frequency continuous wave interference signal will cover the target Doppler signal,which will make the fuze ineffective.The paper further analyzes the interference mechanism of small signal on the fuze based on signal theory,and proves it by simulation test results.

Key wordsradio fuze;continuous wave;radiation;small signal

0引言

無線電引信是信息化彈藥的核心部件，直接決定了武器裝備高效毀傷效能的發(fā)揮[1]。在復(fù)雜電磁環(huán)境中，引信會出現(xiàn)電子部件硬損傷、早炸和喪失起爆功能3類事故[2]。以軍械工程學(xué)院為代表的國內(nèi)研究機構(gòu)多年來對多型號無線電引信在各種強電磁場輻照環(huán)境中的效應(yīng)進行了大量的研究[3-9]，并分析了其作用機理，其中等幅連續(xù)波輻照試驗結(jié)果[9]表明，等幅連續(xù)波不會使調(diào)頻引信發(fā)生早炸和硬損傷，但連續(xù)波能量通過天線耦合進入引信高頻電路部分，可能會對引信造成干擾，使引信失去近炸功能。

一般規(guī)定，當(dāng)干擾能量在引信天線上耦合的能量與回波信號相當(dāng)時，定義為對引信的小信號干擾，當(dāng)干擾能量遠(yuǎn)大于回波信號時稱作大信號干擾[10]。本文以調(diào)頻無線電引信為研究對象，開展等幅連續(xù)波輻照效應(yīng)試驗，揭示小信號對調(diào)頻無線電引信的干擾效應(yīng)規(guī)律，確定小信號對調(diào)頻無線電引信的干擾機理，為調(diào)頻引信抗干擾設(shè)計提供技術(shù)指導(dǎo)。

1引信等幅連續(xù)波輻照試驗

搭建無線電引信連續(xù)波輻照試驗平臺[11]，對工作狀態(tài)下的調(diào)頻引信進行等幅連續(xù)波輻照試驗，輻照頻段設(shè)置為1~7 GHz，最大輻照場場強控制在100 V/m以下，保證引信處于被小信號干擾的狀態(tài)。為盡量保證引信在各個頻點都經(jīng)受輻照，試驗采用掃頻法進行輻照試驗。

在以往的輻照試驗中，對引信連續(xù)波能量耦合通道有以下結(jié)論[11]：進行窄帶信號輻照試驗時，該引信的能量耦合通道為引信天線；彈體軸線與場傳播方向平行，并且引信平面垂直于場極化平面時，通過引信天線耦合進入引信的電磁能量最大。因此在等幅連續(xù)波試驗中將采用該姿態(tài)進行試驗。試驗步驟如下：

① 將受試引信與自制彈體連接，利用直流穩(wěn)壓電源對引信供電，使引信處于工作狀態(tài)，調(diào)整好引信姿態(tài)，將彈體放置連續(xù)波輻射場中；設(shè)置起始頻段為1~1.2 GHz，頻點駐留時間1 s、掃頻步長1 MHz，采用由低到高的步進法調(diào)整輻照場強至最高場強100 V/m；

② 檢測引信試驗前后性能參數(shù)，觀察引信是否正常工作，確定引信工作正常后，通過示波器以及頻譜儀，觀察受試引信2路諧波通道檢測信號線及發(fā)射信號頻譜的變化；

③ 依次改變輻照頻段，每次增加200 MHz，直到7 GHz，重復(fù)步驟①和步驟②。

2試驗結(jié)果

通過試驗，發(fā)現(xiàn)在較小場強輻照下時，引信工作頻率以及倍頻頻點附近的諧波通道檢測到幅值不同的低頻等幅干擾信號；在此頻率周圍微調(diào)頻率時，諧波通道檢測到的等幅干擾信號頻率發(fā)生改變；當(dāng)頻率超過一定范圍，干擾信號消失，繼續(xù)增大或減小頻率等幅信號再次出現(xiàn)，并且不同頻段得到的干擾信號幅值不同。在輻照情況下對受試調(diào)頻引信進行彈目交會測試，發(fā)現(xiàn)檢測到的低頻等幅干擾信號可能會出現(xiàn)將目標(biāo)反射的多普勒信號覆蓋的情況，導(dǎo)致引信無法探測到目標(biāo)，失去近炸功能。

3機理分析

為了分析諧波通道檢測到的低頻信號來源及其對引信的干擾機理，首先從信號理論上對其進行分析。引信發(fā)射信號中由調(diào)制信號產(chǎn)生的瞬時相位可用式(1)表示：

(1)

調(diào)頻引信工作時發(fā)射的信號為：ue(t)=cos[θ0(t)+2πfct]，等幅連續(xù)波輻照小信號為:ui(t)=cos[2π(fc+Δf)t]，混頻僅考慮下邊帶項，則混頻輸出結(jié)果可表示為：um(t)=cos[θ0(t)-2πΔft]=cos[θm(t)]，其中Δf表示等幅輻照頻率與引信工作頻率的偏差。

以下2種情況進行討論：

① 當(dāng)Δf=kf0，k=1,2,3,…時。

由于Δf為調(diào)制頻率f0的倍數(shù)，故混頻輸出相位是以1/f0為周期的函數(shù)，利用傅里葉級數(shù)可將混頻輸出表示為以調(diào)制頻率f0為基礎(chǔ)頻率的級數(shù)形式，即式(2)、式(3)和式(4)。且其諧波項輸出幅值系數(shù)固定值，經(jīng)過帶通濾波，且與調(diào)制頻率的2、4次諧波進行2次混頻可以得到一恒定直流，即混頻輸出后2、4次傅里葉級數(shù)系數(shù)。

(2)

(3)

(4)

② 當(dāng)Δf=Δf1+mf0，m=0,1,2,3…時。

混頻結(jié)果可用式(5)表示，其中cos[θ0(t)-2πmf0t]和sin[θ0(t)-2πmf0t]都是以1/f0為周期的函數(shù)，可以將它們都可以用傅里葉級數(shù)展為以f0為基頻的級數(shù)形式。cos[θ0(t)-2πmf0t]為偶函數(shù)，其級數(shù)正弦項為零；sin[θ0(t)-2πmf0t]為奇函數(shù)，其余弦項為零。將ΔF=100f0帶入式(7)、式(8)，并化簡式(6)，得到式(9)。

(5)

un(t)=an·cos(2πΔf1t)·cos(2πnf0t)+

bn·sin(2πΔf1t)·sin(2πnf0t)，

(6)

(7)

(8)

(9)

1次混頻后需要在2f0、4f0為中心頻率進行帶通濾波處理，設(shè)帶通濾波通帶帶寬為2fBP，當(dāng)Δf1>fBP時，濾波處理后，帶通內(nèi)不含任何基帶信號，故而2次混頻濾波后輸出值為0；當(dāng)Δf1≤fBP時，此時濾波后在調(diào)制頻率的2次和4次倍頻處出現(xiàn)±Δf1兩個邊帶，2個邊帶的頻率分量可以從式(9)計算得出。

一次混頻后信號經(jīng)過帶通濾波器，再與相應(yīng)調(diào)制信號相應(yīng)階次倍頻進行混頻，混頻僅考慮下邊帶，混頻結(jié)果如式(10)，其中參數(shù)由式(11)、式(12)表示。

uD(m,n,t)=0.5(A1+A2)·cos(2πΔf1t)，

(10)

(11)

(12)

混頻輸出結(jié)果通過上限頻率為fLP的低通濾波器。當(dāng)Δf1>fLP時，2次和4次諧波通道輸出皆為0；當(dāng)Δf1≤fLP時，2次和4次諧波通道輸出幅值恒定的頻率為Δf1信號，其幅值由式(10)計算得到。圖1(a)和圖1(b)為分別為由式(10)通過Matlab軟件計算得到的2次和4次諧波通道得到的等幅干擾信號幅值隨著頻偏m的變化規(guī)律。由圖1可以看出，當(dāng)調(diào)制頻偏超出調(diào)制帶寬時，2次和4次諧波通道不再有等幅干擾信號的輸出。

實際上引信2倍頻和4倍頻帶通濾波器為非理想的，調(diào)制頻率的1次和3次倍頻附近的邊帶，即f0+Δf1和3f0-Δf1會衰減通過2次諧波帶通濾波器，調(diào)制頻率的3次和5次倍頻附近的邊帶，即3f0+Δf1和5f0-Δf1會衰減通過4次諧波帶通濾波器。

圖1　不同頻偏m諧波通道耦合干擾幅值

從調(diào)頻多普勒引信的工作原理[12]可知，只有當(dāng)接收到的目標(biāo)多普勒信號的2次和4次諧波通道輸出信號具有一定的特性的增幅速率，才能判決觸發(fā)啟動信號，進而控制彈藥起爆。而在圖1所示的2種狀態(tài)中，2次和4次諧波通道輸出為低頻等幅信號，這樣的信號不具備增幅速率特性，不能導(dǎo)致引信起爆。

如果該低頻等幅信號與目標(biāo)回波信號同時被引信接收時，一旦等幅干擾信號強度與回波信號強度相近時，目標(biāo)多普勒信號的包絡(luò)特性會被低頻信號破壞，甚至被淹沒，影響后續(xù)引信目標(biāo)探測及目標(biāo)定距電路的工作，導(dǎo)致引信無法進行目標(biāo)識別，進而無法定距起爆彈藥，使引信近炸功能失效。

4仿真驗證

為了進一步驗證所推導(dǎo)的調(diào)頻引信工作頻點以及倍頻附近的諧波通道檢測到低頻干擾信號的來源，采用 ADS搭建調(diào)頻引信仿真模型，進行信號級定性分析。利用調(diào)頻模塊產(chǎn)生調(diào)頻信號，并與本地調(diào)頻信號進行混頻，圖2給出了當(dāng)?shù)确蓴_調(diào)制頻偏為3.01 MHz、及3.09 MHz時引信2次及4次諧波通道1次混頻帶通濾波后輸出頻譜及2次混頻后低通濾波頻域輸出。

圖2　頻偏3.01 MHz帶通及低通濾波輸出頻譜

從圖2(a)可以看出，當(dāng)頻偏3.01 MHz時，在調(diào)制頻率2次和4次倍頻附近存在2個對稱的邊帶，其幅值不同，由系統(tǒng)低通濾波上限頻率fl,p設(shè)置為30 kHz，低通濾波輸出端得到10 kHz的等幅輸出,如圖2(b)所示。

當(dāng)頻偏為3.09 MHz時，其1次諧波上邊帶及3次諧波下邊帶頻譜包含在引信的2次諧波通道的帶通范圍內(nèi)，其3次諧波上邊帶及5次諧波下邊帶頻譜包含在引信的4次諧波通道的帶通范圍內(nèi)，2個諧波通道在調(diào)制倍頻存在4個對稱邊帶，每個邊帶的幅值不同，如圖3(a)所示。此時，由于邊帶偏移大于低通濾波上限頻率fl,p，被劇烈衰減，得到圖3(b)中幅值較小的60 kHz和90 kHz附近的毛刺。

圖3　頻偏3.09 MHz帶通及低通濾波輸出頻譜

5結(jié)束語

通過對工作狀態(tài)下的調(diào)頻引信進行輻照試驗，結(jié)果表明，在等幅連續(xù)波小信號的作用下，調(diào)頻引信工作頻點以及倍頻附近的諧波通道檢測到低頻干擾信號，此信號與目標(biāo)多普勒信號并存時，可能導(dǎo)致特定包絡(luò)特性的目標(biāo)多普勒信號失去包絡(luò)特性，甚至被淹沒，使得引信信號處理電路無法進行定距判斷，從而失去近炸功能。

為了進一步研究下小場強下等幅連續(xù)對引信的干擾機理，從信號理論的角度進行了對諧波通道中的低頻干擾信號的來源進行推導(dǎo)，并通過ADS軟件進行仿真驗證推導(dǎo)結(jié)果。結(jié)果表明，在等幅連續(xù)波小信號作用下，小信號與調(diào)頻引信工作時發(fā)射的調(diào)頻多普勒信號混頻產(chǎn)生的信號，其2次和4次諧波通道輸出不具有任何增幅速率特性，這就是調(diào)頻引信工作頻點以及倍頻附近的諧波通道檢測到的低頻干擾信號的來源。

在下一步的工作中，應(yīng)當(dāng)進一步定量分析調(diào)頻引信工作頻點以及倍頻附近的諧波通道出現(xiàn)的低頻等幅信號的產(chǎn)生規(guī)律及相應(yīng)的頻率特性，并對調(diào)頻引信信號處理流程進行優(yōu)化，為進一步提高調(diào)頻引信抗干擾能力以及新型引信的設(shè)計開發(fā)提供足夠理論支持。

參考文獻

[1]李彥學(xué),智敦旺.無線電與時間電子引信 [M].北京：兵器工業(yè)出版社,1996.

[2]錢龍,栗蘋.無線電引信電子對抗技術(shù)的三個層次[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2009,6(14):44-46.

[3]劉尚合,武占成.電磁環(huán)境與高新技術(shù)武器裝備[J].現(xiàn)代軍事,2001,(10):10-12.

[4]秦釗,路明,劉敬蜀,等.高功率微波對無線電引信的效應(yīng)分析[J].艦船電子工程,2011,31(8):102-104.

[5]劉尚合,武占成,張希軍.電磁環(huán)境效應(yīng)及其發(fā)展趨勢[J]．國防科技，2008,29(1):1-6.

[6]魏光輝,陳亞洲,孫永衛(wèi).微波輻照對無線電引信的影響與作用機理[J].強激光與粒子束,2005,17(1):88-92.

[7]畢軍建,劉尚合,孫永衛(wèi),王韶光,強電磁脈沖對引信執(zhí)行級電路輻照效應(yīng)分析[J].探測與控學(xué)報,2007(2):1-3.

[8]李永亮,閆曉鵬,郝新紅,等.超寬帶電磁脈沖對典型引信的耦合效應(yīng)研究[J].強激光與粒子束,2014,26(7):229-233.

[9]費支強,魏光輝,耿利飛,.正弦波對無線電引信耦合通道及作用機理[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2011,39(1):37-40.

[10]張旭東,鄭世舉,余德瑛.國外無線電引信干擾機的發(fā)展?fàn)顩r[J].制導(dǎo)與引信,2004,25(4):22-25.

[11]費支強.無線電引信連續(xù)波輻照效應(yīng)及作用機理研究[D].石家莊：軍械工程學(xué)院博士學(xué)位論文,2010.

[12]錢龍,栗蘋,李月琴,等.多普勒無線電引信自差機非共振特性研究 [J].北京理工大學(xué)學(xué)報,2006(7):606-609.

[13]施聚生,韓傳釗,栗蘋.近炸引信信息通道的保護與泄漏[J].現(xiàn)代引信,1998(3):1-4.

[14]曾鑫,熊波,于德海,等.導(dǎo)彈無線電引信電磁脈沖效應(yīng)仿真[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報2012,27(4):443-445.

[15]熊波,張小楓,尚雅玲,等.高功率微波對線性調(diào)頻無線電引信的作用效應(yīng)[J].探測與控制學(xué)報,2010,32(6):14-17.

簡勛男，(1990—)，碩士研究生。主要研究方向：靜電與電磁安全。

張希軍女，(1964—)，副教授，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向：電磁兼容與電磁防護。

作者簡介

基金項目：國家部委基金資助項目。

收稿日期：2015-05-21

中圖分類號TJ434.1

文獻標(biāo)識碼A

文章編號1003-3106(2015)08-0051-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.08.14

引用格式：簡勛，張希軍，張守龍，等.等幅連續(xù)波輻照下調(diào)頻引信小信號干擾機理研究[J].無線電工程,2015,45(8):51-53，79.