視頻數(shù)字化脈沖多普勒引信作用距離公式及性能分析

陳澤宇,王雄志,徐元超,沈 莉,涂 建,劉躍龍

(1.海裝上海局駐上海地區(qū)第六軍事代表室,上海 201109；2.上海無(wú)線電設(shè)備研究所,上海 201109；3.上海目標(biāo)識(shí)別與環(huán)境感知工程技術(shù)研究中心,上海 201109；4.上海機(jī)電工程研究所,上海 201109)

0 引言

脈沖多普勒(pulsed Doppler,PD)引信是最常用最成熟的一種引信體制。PD 引信在實(shí)現(xiàn)方式上經(jīng)歷了從較低頻段到較高頻段,從模擬電路到模擬電路加低頻數(shù)字信號(hào)處理、再到視頻數(shù)字化處理的發(fā)展歷程。文獻(xiàn)[1]中引信的濾波、放大、檢波和電平比較等采用的是模擬電路。文獻(xiàn)[2]中引信的處理電路采用是模擬電路加低頻數(shù)字信號(hào)處理電路的實(shí)現(xiàn)方式。文獻(xiàn)[3-5]中引信的視頻信號(hào)采用的是全數(shù)字化處理。但迄今為止,視頻數(shù)字化PD 引信的理論分析尚不夠完備,也未見到其較準(zhǔn)確的作用距離計(jì)算公式。本文給出了視頻數(shù)字化PD 引信的原理框圖和作用距離公式,與傳統(tǒng)PD 引信原理框圖和作用距離公式進(jìn)行了比較,并對(duì)兩種作用距離公式的不同之處進(jìn)行了仿真分析,此外還對(duì)視頻數(shù)字化PD 引信和傳統(tǒng)PD 引信作用距離等性能進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 傳統(tǒng)PD 引信原理與作用距離公式

傳統(tǒng)PD 引信是指非視頻數(shù)字化處理的PD引信。本章敘述了傳統(tǒng)PD 引信的工作原理,對(duì)引信作用距離的參數(shù)進(jìn)行了分析。

1.1 傳統(tǒng)PD引信原理

傳統(tǒng)典型的脈沖多普勒引信有天線收發(fā)共用和天線收發(fā)分開兩種基本形式,使用最多的是天線收發(fā)分開形式。天線收發(fā)分開PD 引信原理框圖和PD 引信各級(jí)波形如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可知,振蕩源產(chǎn)生高穩(wěn)定度低相噪的微波正弦信號(hào),除耦合一部分作為接收機(jī)混頻器本振外,經(jīng)過發(fā)射開關(guān)形成射頻發(fā)射脈沖信號(hào),經(jīng)脈沖功放放大后通過功分器由發(fā)射天線發(fā)射。被目標(biāo)反射回來(lái)的回波脈沖信號(hào)攜帶了多普勒信息,被接收天線接收后至微波接收機(jī)(包括接收開關(guān)、低噪聲放大、混頻器和視放),最后輸出帶多普勒包絡(luò)的雙向視頻脈沖信號(hào)。經(jīng)視頻開關(guān)、帶通濾波后形成多普勒信號(hào),再經(jīng)放大和信號(hào)處理電路處理后,形成引信啟動(dòng)信號(hào)。

圖1 傳統(tǒng)PD 引信原理框圖

圖2 傳統(tǒng)PD 引信各級(jí)波形圖

1.2 作用距離分析

傳統(tǒng)PD 引信作用距離公式為

式中:為引信作用距離；為發(fā)射功率；為發(fā)射天線增益；為接收天線增益；為工作波長(zhǎng)；為目標(biāo)雷達(dá)截面積；為發(fā)射脈沖在作用距離內(nèi)落入接收波門的寬度；為玻耳茲曼常數(shù)；為絕對(duì)溫度；為接收機(jī)等效帶寬；為接收機(jī)噪聲系數(shù)；/為輸出信噪比；為發(fā)射脈沖重復(fù)周期；為接收波門寬度；為系統(tǒng)損耗。

傳統(tǒng)PD 引信接收到的回波信號(hào)在視頻開關(guān)后是帶多普勒包絡(luò)的視頻脈沖(見圖2(h)),經(jīng)過低頻帶通濾波,多普勒包絡(luò)的幅度減小(見圖2(g)),信號(hào)損失系數(shù)為/。噪聲通過視頻開關(guān)后,噪聲損失系數(shù)為/。相對(duì)于相同發(fā)射功率、相同天線增益的連續(xù)波引信,傳統(tǒng)PD引信的信噪比損失系數(shù)為

假定作用距離為15 m,為獲得較高的信噪比,可取=100 ns,=1 000 ns,=100 ns,則信噪比損失系數(shù)0.1,即1/10。也就是,要獲得相同的作用距離,PD 引信的脈沖功率是連續(xù)波引信連續(xù)功率的10倍。同樣假定作用距離為15 m,要獲得20 m 以下較小的截止距離,可取=30 ns,=1 000 ns,=100 ns,則信噪比損失系數(shù)910,即1/≈111。也就是,要獲得相同的作用距離,PD 引信的脈沖功率約為連續(xù)波引信連續(xù)功率的111倍。

2 視頻數(shù)字化PD 引信作用距離公式與性能分析

傳統(tǒng)PD 引信將回波脈沖信號(hào)進(jìn)行低頻多普勒濾波后再進(jìn)行信號(hào)處理,而視頻數(shù)字化PD 引信直接進(jìn)行視頻脈沖采樣,避免了回波信號(hào)功率的損失,但因處理帶寬增大也增加了噪聲。本章給出了視頻數(shù)字化PD 引信作用距離公式,并對(duì)視頻數(shù)字化PD 引信的性能進(jìn)行了分析。

2.1 視頻數(shù)字化PD引信作用距離公式

視頻數(shù)字化PD 引信典型原理框圖如圖3所示。

圖3 視頻數(shù)字化PD 引信原理框圖

由圖3可知,視頻數(shù)字化PD 引信的原理框圖與圖2所示的傳統(tǒng)PD 引信原理框圖結(jié)構(gòu)形式相似,但視頻開關(guān)之后的信號(hào)處理有所不同。傳統(tǒng)PD 引信在視頻開關(guān)之后先進(jìn)行低頻帶通濾波放大,再進(jìn)行低頻采樣和數(shù)字信號(hào)處理；而視頻數(shù)字化PD 引信在視頻開關(guān)之后先進(jìn)行視頻帶通濾波放大,再進(jìn)行視頻采樣和數(shù)字信號(hào)處理。

本節(jié)對(duì)視頻數(shù)字化PD 引信中的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行介紹,分析視頻數(shù)字化對(duì)引信作用距離的影響。

設(shè)引信作用距離為15 m,發(fā)射脈沖和回波脈沖寬度為30 ns,回波信號(hào)周期及發(fā)射、接收波門周期為1μs,視頻接收波門寬度范圍為(0～100)ns,視頻帶通濾波器通帶范圍為5 k Hz～100 MHz。若視頻采樣率為100 MHz,則每個(gè)視頻回波信號(hào)周期內(nèi)可采100點(diǎn)。對(duì)于落在視頻接收波門內(nèi)的回波,最多可采11點(diǎn),即每個(gè)視頻回波信號(hào)周期內(nèi)最多有11個(gè)有效數(shù)據(jù)落在視頻接收波門內(nèi)。由于回波脈沖寬度為30 ns,故對(duì)于落在接收波門內(nèi)的回波脈沖,至少總能采到1點(diǎn)且不損失脈沖幅度。將每個(gè)接收波門周期的相同位置的采樣數(shù)據(jù)編成1組,最多共可獲得11組有效數(shù)據(jù)。這11組可能的有效數(shù)據(jù)中,至少有1組數(shù)據(jù)是對(duì)落在視頻接收波門內(nèi)的目標(biāo)回波進(jìn)行采樣獲得的。這樣的1組數(shù)據(jù)每1μs只有1點(diǎn),等效于用低頻采樣率1 MHz進(jìn)行采樣,避免了傳統(tǒng)PD 引信低頻濾波造成的視頻脈沖包絡(luò)幅度損失。

而5 k Hz～100 MHz的噪聲經(jīng)過視頻開關(guān)和5 k Hz～100 MHz視頻帶通濾波后,時(shí)域幅度基本不損失。但由于噪聲經(jīng)100 MHz視頻采樣并進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取后,再進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)分析時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲折疊,低頻等效噪聲理論上會(huì)增大100倍。最終視頻采樣相對(duì)于低頻采樣的信噪比增量為(/)/(/)/100≈1.11倍,信噪比增量很小。因此視頻數(shù)字化PD 引信作用距離公式為

式中:為噪聲折疊因子,取值為視頻帶通濾波器的高端頻率與脈沖重復(fù)頻率的比值。

與式(1)相比,視頻數(shù)字化PD 引信作用距離公式與傳統(tǒng)PD 引信作用距離公式有兩處不同。第一處是式(3)中無(wú)距離損失因子,是/與/的乘積,/比較直觀,而/是噪聲經(jīng)過視頻波門后產(chǎn)生的功率損失,需進(jìn)行仿真驗(yàn)證。第二處是式(3)增加了噪聲折疊因子,也需要進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

2.2 視頻數(shù)字化PD引信性能分析

理論上視頻數(shù)字化PD 引信與傳統(tǒng)PD 引信可以實(shí)現(xiàn)相同的性能,只是實(shí)現(xiàn)的方式和付出的代價(jià)不同。

如果需要有較高的測(cè)距精度,傳統(tǒng)PD 引信需要有小的發(fā)射脈寬,接收波門需分多檔,低頻接收電路也要分多路進(jìn)行處理,即采用多路“視頻開關(guān)+濾波放大電路”的電路形式。而視頻數(shù)字化PD 引信只需要將高速采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字分選和分多路數(shù)字處理即可,可以實(shí)現(xiàn)硬件的小型化。在這種情況下,視頻數(shù)字化雖然不能明顯提高信噪比,但使引信具有了分檔測(cè)距的功能。如當(dāng)發(fā)射脈寬較窄且視頻采樣率為100 MHz時(shí),可以獲得1.5 m 的測(cè)距精度。這使得引信可以根據(jù)不同的距離采用不同的引戰(zhàn)延時(shí),從而提高引戰(zhàn)配合效率。

傳統(tǒng)PD 引信如果要獲得分檔測(cè)距能力,需要設(shè)置多路信號(hào)處理電路,體積、質(zhì)量和成本將大幅增加。當(dāng)然視頻數(shù)字化的代價(jià)是采樣率的大幅提高(由1 MHz變?yōu)?00 MHz)和多路數(shù)字信號(hào)處理能力。

如果不要求PD 引信有較高的測(cè)距精度,只追求高的信噪比或大的作用距離,傳統(tǒng)PD 引信一般采用較寬的發(fā)射脈沖以提高信噪比,視頻數(shù)字化PD 引信也會(huì)采用較寬的發(fā)射脈沖,并采用接收波門采樣信號(hào)累加的方法提高信噪比?？梢?視頻數(shù)字化PD 引信與傳統(tǒng)PD 引信相比,信噪比沒有改善,只是實(shí)現(xiàn)方式不同。

3 仿真驗(yàn)證

在第2章的論述中,視頻數(shù)字化PD 引信作用距離公式(式(3))與傳統(tǒng)PD 引信作用距離公式(式(1))有兩處不同:第一處是式(3)中去掉了距離損失因子,第二處是式(3)增加了噪聲折疊因子,二者均需要進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

3.1 噪聲經(jīng)過視頻波門后產(chǎn)生的功率損失仿真

在傳統(tǒng)PD 引信中,噪聲經(jīng)過視頻波門后會(huì)產(chǎn)生功率損失,噪聲經(jīng)過視頻波門前后引起功率損失的仿真頻譜如圖4所示。其仿真步驟為:

a)產(chǎn)生(0～300)MHz白噪聲,通過(0～400)k Hz低通濾波器進(jìn)行濾波,然后用1 MHz采樣率采樣并進(jìn)行FFT 頻譜分析,得到的噪聲頻譜如圖4(a)所示；

b)產(chǎn)生相同的(0～300)MHz白噪聲,先通過一個(gè)脈沖寬度100 ns、周期1 000 ns的視頻開關(guān),再通過(0～400)k Hz低通濾波器進(jìn)行濾波,然后用1 MHz采樣率采樣并進(jìn)行FFT 頻譜分析,得到的噪聲頻譜如圖4(b)所示。

圖4 傳統(tǒng)PD 引信噪聲經(jīng)過視頻波門前后引起功率損失仿真圖

比較圖4(a)和圖4(b)可知,圖4(a)中噪聲信號(hào)頻譜幅度約為圖4(b)中噪聲信號(hào)頻譜幅度的3.1倍,功率差約為10 dB,證明傳統(tǒng)PD 引信中白噪聲通過視頻開關(guān)后功率損失10 d B。

在視頻數(shù)字化PD 引信中,噪聲經(jīng)過視頻波門、視頻濾波后再視頻采樣,并不會(huì)產(chǎn)生功率損失。視頻數(shù)字化PD 引信視頻波門前后噪聲信號(hào)時(shí)域波形如圖5所示。其仿真步驟為:

a)產(chǎn)生(0～300)MHz的白噪聲,通過(0～100)MHz低通濾波器濾波后,得到的噪聲時(shí)域波形如圖5(a)所示；

b)產(chǎn)生相同的(0～300)MHz白噪聲,先通過一個(gè)脈寬100 ns、周期1 000 ns的開關(guān),再通過(0～100)MHz低通濾波器濾波后,得到的噪聲時(shí)域波形如圖5(b)所示。

圖5 視頻數(shù)字化PD 引信視頻波門前后噪聲信號(hào)時(shí)域仿真圖

經(jīng)比較可知,圖5(a)和圖5(b)中兩個(gè)噪聲信號(hào)時(shí)域波形幅度基本相等,說明經(jīng)視頻開關(guān)后,待采樣的噪聲信號(hào)功率未受損失。

3.2 視頻數(shù)字化引信噪聲折疊的仿真

視頻信號(hào)經(jīng)視頻采樣后數(shù)據(jù)量非常大,一般采用抽取的方法減小數(shù)據(jù)量,但這樣會(huì)產(chǎn)生噪聲折疊。噪聲信號(hào)經(jīng)抽取后導(dǎo)致折疊的頻譜仿真如圖6所示。其仿真步驟為:

a)(0～100)MHz白噪聲用100 MHz的采樣率采樣(共25 600點(diǎn))后,每100點(diǎn)抽取1點(diǎn),共抽取256 點(diǎn),進(jìn)行FFT 分析得到的噪聲頻譜如圖6(a)所示；

b)對(duì)相同的(0～100)MHz白噪聲先進(jìn)行(0～400)k Hz濾波,再用1 MHz的采樣率采樣(共256點(diǎn))并進(jìn)行FFT 分析,得到的噪聲頻譜如圖6(b)所示。

經(jīng)比較可知,圖6(a)中噪聲信號(hào)頻譜幅度約為圖6(b)中噪聲信號(hào)頻譜幅度的10倍。證明視頻數(shù)字化抽取后噪聲幅度比傳統(tǒng)PD 引信進(jìn)行低頻濾波、低頻采樣后的噪聲信號(hào)幅度大10 倍左右,即頻譜折疊后噪聲信號(hào)功率約增大100倍,亦即噪聲折疊因子為100。

圖6 噪聲折疊仿真圖

4 視頻數(shù)字化PD 引信的另一種實(shí)現(xiàn)方式與作用距離公式

采用視頻數(shù)字化技術(shù)設(shè)計(jì)引信時(shí),如果對(duì)信噪比或作用距離要求較高而發(fā)射功率受限制,可以犧牲測(cè)距精度,將接收波門內(nèi)的所有采樣點(diǎn)的采樣值進(jìn)行累加。例如,當(dāng)=100 ns,=1 000 ns,=100 ns 時(shí),可將 接收波門 內(nèi) 的10個(gè)采樣點(diǎn)的采樣值進(jìn)行累加。當(dāng)目標(biāo)回波全部落在接收波門內(nèi)時(shí),累加后的目標(biāo)信號(hào)幅度是單個(gè)采樣點(diǎn)的目標(biāo)信號(hào)幅度的10倍,累加后的目標(biāo)信號(hào)功率是單個(gè)采樣點(diǎn)的目標(biāo)信號(hào)功率的100倍；當(dāng)無(wú)目標(biāo)回波落在接收波門內(nèi)時(shí),累加后的噪聲功率是單個(gè)采樣點(diǎn)的噪聲功率的10 倍。最終,累加后的信噪比為累加前的10倍,即通過犧牲測(cè)距精度實(shí)現(xiàn)了信噪比的提高。

這種情況下視頻數(shù)字化PD 引信作用距離公式為

式中:為有效信號(hào)累加的個(gè)數(shù)。

5 結(jié)論

本文通過仿真與分析,給出了視頻數(shù)字化PD引信兩種主要的作用距離公式形式,并對(duì)視頻數(shù)字化PD 引信與傳統(tǒng)PD 引信的信噪比等參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比。視頻數(shù)字化PD 引信相比傳統(tǒng)PD 引信,主要優(yōu)勢(shì)是不需要通過多個(gè)距離門和多路低頻處理電路來(lái)獲得分檔測(cè)距性能,有利于引戰(zhàn)配合。在發(fā)射脈沖很窄而作用距離較大的情況下,相對(duì)于傳統(tǒng)PD 引信,視頻數(shù)字化PD 引信可通過高速視頻采樣、數(shù)據(jù)抽取和分組獲得較高的測(cè)距精度,且不影響作用距離。