基于信號重構(gòu)的偽隨機跳頻引信信號處理技術(shù)

涂友超，葉 濤,李 萌

(1.信陽師范學(xué)院 物理電子工程學(xué)院，河南 信陽 464000；2.信陽高級技工學(xué)校，河南 信陽 464000)

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，無線電引信對抗、通信對抗、雷達(dá)對抗和光電對抗，已成為電子對抗領(lǐng)域的重要組成部分[1-3].隨著引信干擾技術(shù)的發(fā)展，無線電引信面臨的戰(zhàn)場電磁環(huán)境日益復(fù)雜，早期的無線電引信，如脈沖多普勒引信[4，5]、調(diào)頻連續(xù)波引信[6]等，容易受到干擾而導(dǎo)致早炸和失效，在復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境中，如何有效地檢測出目標(biāo)回波信號、實時提取目標(biāo)的距離和速度信息是偽隨機跳頻引信工程化的關(guān)鍵[7]. 文獻[8]利用目標(biāo)回波信號的頻率、幅度和增幅速率三個特征量，提出了一種采用幅度檢測、增幅速率檢測和帶外干擾信號檢測的偽隨機跳頻引信信號處理方法，算法雖然具有嚴(yán)苛的判決條件，但該算法是建立在回波信號具有較高信噪比的基礎(chǔ)上，當(dāng)回波信號信噪比較低時，幅度檢測和增幅速率檢測都將失效，從而會嚴(yán)重影響引信的正常工作.文獻[7]提出了一種基于匹配濾波的定距方法，算法雖然能夠進行精確的定距處理，但當(dāng)彈目間相對運動速度較大時，多普勒失配問題將嚴(yán)重影響偽隨機跳頻引信的定距功能.

為此，本文提出一種基于信號重構(gòu)的偽隨機跳頻引信信號處理方法.該算法首先利用偽隨機跳頻引信的發(fā)射信號重構(gòu)一組用于匹配濾波的本地參考信號，然后將這組信號分別與目標(biāo)回波信號進行相干積累，其中任一通道相關(guān)值超過預(yù)設(shè)門限時，即可判定為偽隨機跳頻引信定距成功.

1 偽隨機跳頻引信工作原理

偽隨機跳頻引信原理框圖如圖1所示.在時序發(fā)生器的控制下，偽隨機序列發(fā)生器產(chǎn)生一個偽隨機序列作為選頻碼，控制頻率合成器產(chǎn)生頻率不斷跳變的偽隨機跳頻信號，經(jīng)功率放大器放大、匹配網(wǎng)絡(luò)匹配后由發(fā)射天線輻射出去；接收天線接收到目標(biāo)反射的回波信號后，經(jīng)低噪聲放大器放大后與本地載波信號混頻，混頻輸出信號在同步系統(tǒng)的作用下由數(shù)字信號處理電路進行放大、匹配濾波處理，提取出目標(biāo)距離信息和多普勒信息，當(dāng)滿足起爆條件時，執(zhí)行級產(chǎn)生起爆信號.

圖1 偽隨機跳頻引信原理框圖Fig. 1 Principle diagram of PRFH fuze

2 基于信號重構(gòu)的偽隨機跳頻引信定距

偽隨機跳頻引信發(fā)射信號的表達(dá)式為

u(t)=cos(2π(f0+m(t)Δf)t).

(1)

式(1)中：f0為載波頻率；Δf為跳頻頻率；m(t)為偽隨機序列，可表示為

(2)

式(2)中:rect(·)為矩形窗，Tp為碼元寬度，p為碼長，{Ci}={+1,-1}為雙極性二進制偽隨機序列.

設(shè)短時間內(nèi)彈目間相對運動狀態(tài)為勻速直線運動，初始距離為R0，相對運動速度為v，由式(1)可知，目標(biāo)回波信號為

ur(t)=cos(2π(f0+

(3)

式(3)中：R(t)=R0-vt為彈目間瞬時距離，c為電磁波傳播速度.

式(3)可改寫為

(4)

在對偽隨機跳頻引信信號處理之前，首先需將回波信號變換至基帶信號.由于針對的是跳頻這一特殊體制引信，其在進行基帶變換時需進行兩次混頻操作.

一次混頻本地參考信號為

s1(t)=cos(2πf0t)

.

(5)

將式(4)與式(5)相乘經(jīng)低通濾波濾除高頻分量后，即可得一次混頻后的結(jié)果

(6)

二次混頻參考信號為

s2(t)=cos(2πΔft).

(7)

將式(6)與式(7)相乘經(jīng)低通濾波濾除高頻分量后得到二次混頻后的信號

(8)

由式(8)可以看出，當(dāng)多普勒較小時，需積累多個偽隨機序列才能準(zhǔn)確測頻，從而影響定距的實時性；另外，由于偽隨機跳頻信號是多普勒敏感信號，當(dāng)多普勒失配時將嚴(yán)重影響引信的定距精度.

為此，本文提出了一種基于信號重構(gòu)的偽隨機跳頻引信匹配濾波定距方法.首先利用本地偽隨機序列重構(gòu)一組用于匹配濾波的本地參考信號，重構(gòu)示意圖如圖2所示.圖2中，Δfd覆蓋了目標(biāo)回波信號多普勒可能存在的范圍，若不進行多普勒估計，直接采用匹配濾波法會產(chǎn)生嚴(yán)重的定距誤差.本文將多普勒范圍Δfd劃分為若干個小的多普勒區(qū)域，閾值分別為fd1、fd2、…、fdN，利用這些多普勒閾值重構(gòu)一組用于匹配濾波的本地參考信號，可表示為

(9)

圖2 信號重構(gòu)示意圖Fig. 2 Sketch diagram of signal reconstruction

將二次混頻后的基帶回波信號輸入重構(gòu)濾波器組的各通道進行匹配濾波，匹配濾波器組各通道輸出結(jié)果為

fdi)(t-τ)))dt.

(10)

由于重構(gòu)的濾波器組覆蓋了目標(biāo)回波信號多普勒可能存在的范圍，因此，無論彈目間的瞬時速度如何，匹配濾波器組都會有一路輸出將超過預(yù)設(shè)門限，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的精確定距，避免了多普勒失配導(dǎo)致定距誤差大以及預(yù)設(shè)門限設(shè)置偏低引起的虛警概率升高等問題，增強了偽隨機跳頻引信的可靠性和抗干擾性能.

為更清楚的說明信號重構(gòu)思想，本文進行了仿真分析.設(shè)彈目間相對速度v=0～1000 m/s，偽隨機序列碼長p=63，載波頻率f0=3.3 GHz，跳頻頻率Δf=100 MHz，多普勒頻率Δfd=0～22 kHz，將多普勒范圍Δfd劃分為7個小的多普勒區(qū)域，閾值fdn分別為1.65、4.95、8.25、11.55、14.85、18.15和21.45 kHz.目標(biāo)回波信號與匹配濾波器組各通道相關(guān)峰值與多普勒頻率之間的關(guān)系如圖3所示.由圖3可知，當(dāng)預(yù)設(shè)啟動門限為80 dB時，只要多普勒頻率處于預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，至少會有一個通道將超出啟動門限，輸出啟動信號驅(qū)動執(zhí)行級.若不進行多普勒估計，本地直接采用偽隨機序列與回波信號相關(guān)，需設(shè)置啟動門限為30 dB左右，這將大大增加偽隨機跳頻引信的虛警概率，削弱引信的可靠性和抗干擾性能.

圖3 相關(guān)峰值與多普勒關(guān)系圖Fig. 3 Relationship between output maximumsDoppler frequency

3 實驗驗證及測量結(jié)果

為進一步說明本文定距方法的可行性，選取一點目標(biāo)對偽隨機跳頻引信的定距原理進行仿真分析，仿真參數(shù)如表1所示.多普勒閾值的設(shè)置和前一節(jié)一致.

表1 仿真參數(shù)Tab. 1 Simulation parameters

接收到的目標(biāo)回波信號經(jīng)二次混頻后的基帶信號時域波形和頻譜如圖4所示.由圖4可知，由于跳頻頻率的存在，基帶回波信號中含有兩個多普勒信號,另外由于偽隨機跳頻引信頻率隨機跳變，敵方很難通過捕獲信號頻率的方式來實施干擾，因此該體制引信本身具備強的抗干擾、抗截獲能力.

圖4 基帶回波信號及其頻譜Fig. 4 Based-band eco and its frequency spectrum

將二次混頻后的基帶回波信號輸入至本文重構(gòu)的匹配濾波器組，各通道輸出結(jié)果以及采用原始相關(guān)定距法定距結(jié)果分別如圖5所示.設(shè)啟動門限為80 dB，如圖中紅線所示，只有通道4將輸出起爆信號，其他各通道由于多普勒失配問題，相關(guān)峰值較小，均未能產(chǎn)生起爆信號.因此，采用本文方法在完成定距的同時，還可粗略估計目標(biāo)回波信號的多普勒頻率為11.55 kHz，與實際的11 kHz有略微差別.同理，原始相關(guān)定距法由于多普勒失配問題也未能產(chǎn)生起爆信號，發(fā)現(xiàn)概率較低，引信可靠性差.若將引信啟動門限降低，雖然會提高引信的發(fā)現(xiàn)概率，但同時也大大提高了其虛警概率，特別在噪聲較大時更為明顯.

圖5 本文定距法與原始相關(guān)定距法結(jié)果圖Fig. 5 Fixed distance results of method proposed in this paper and traditional method

圖6為信噪比為15 dB時，本文定距方法與原始相關(guān)定距法的結(jié)果圖.從圖中可以明顯看出，該信噪比條件下，原始相關(guān)定距法已經(jīng)基本失效，而本文定距方法通道4依然可以輸出對應(yīng)的起爆信號，因此本文提出的基于信號重構(gòu)的定距方法具有更高的可靠性及更強的抗干擾能力.

圖6 信噪比為-15 dB時本文定距法與原始相關(guān)定距法結(jié)果圖Fig. 6 Fixed distance results of method proposed in this paper and traditional method whenSNR=-15dB

4 結(jié)論

本文提出的偽隨機跳頻引信信號處理方法能夠?qū)δ繕?biāo)區(qū)域進行精確探測，有效地解決了傳統(tǒng)相關(guān)定距法中多普勒失配引起的定距精度差、虛警概率高等問題；另外，該算法無須進行任何回波信號參數(shù)估計，算法簡單易于工程實現(xiàn).該研究成果在目標(biāo)探測與識別、精確制導(dǎo)等領(lǐng)域中具有應(yīng)用價值.