毫米波FMCW雷達(dá)近炸引信信號(hào)處理設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 引信是通過(guò)測(cè)量彈頭距地面的相對(duì)高度來(lái)控制戰(zhàn)斗部在最佳高度起爆,以提高戰(zhàn)斗部的殺傷威力。而近炸引信的目的則是在未到達(dá)預(yù)定引爆區(qū)域而又無(wú)法避免對(duì)方攔截的情況下，引爆戰(zhàn)斗部，以避免戰(zhàn)斗部被對(duì)方完全破壞后的失效。針對(duì)該應(yīng)用，本文在毫米波波段設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于調(diào)頻連續(xù)波體制的近炸引信信號(hào)處理器。
關(guān)鍵詞： 調(diào)頻連續(xù)波；毫米波；引信；信號(hào)處理

隨著現(xiàn)代攔截技術(shù)的發(fā)展，對(duì)導(dǎo)彈自我保護(hù)能力的要求越來(lái)越高。為了避免敵方攔截導(dǎo)彈對(duì)我方導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部造成致命破壞，導(dǎo)致我方武器完全失效，在被對(duì)方攔截導(dǎo)彈擊中破壞前，需要提前引爆戰(zhàn)斗部，以期能盡量對(duì)敵方造成破壞。針對(duì)這一需求，本文以比較成熟的調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）體制為基礎(chǔ)，開展了毫米波雷達(dá)近炸引信技術(shù)的信號(hào)處理技術(shù)研究和設(shè)計(jì)工作。
1 FMCW測(cè)高與測(cè)速原理
1.1 測(cè)距原理
FMCW[1]雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)天線向外發(fā)射一列連續(xù)調(diào)頻毫米波，并接收目標(biāo)的反射信號(hào)。發(fā)射信號(hào)的頻率在時(shí)域中按調(diào)制電壓的規(guī)律線性變化。如果采用三角波調(diào)制信號(hào)，當(dāng)雷達(dá)和目標(biāo)無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)形狀相同，但有時(shí)間延遲Δt，如圖1所示。

Δt與目標(biāo)距離R關(guān)系為：

其中c為光速。發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)頻率之差為混頻器輸出的差拍信號(hào)頻率即拍頻fb。因此：

從上述公式得出，目標(biāo)距離R與fb成正比，可以通過(guò)測(cè)量拍頻f_b來(lái)測(cè)量雷達(dá)與目標(biāo)的距離R。
1.2 測(cè)速原理
當(dāng)目標(biāo)和引信有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，回波信號(hào)包含一個(gè)多普勒頻移f_d，如圖2所示。

由圖2可以看出，與靜止目標(biāo)不同，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在三角波的上升沿和下降沿對(duì)應(yīng)的拍頻不同，具有對(duì)稱的特點(diǎn)。在三角波上升沿和下降沿輸出的拍頻分別為：

2 系統(tǒng)方案與算法設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)方案
毫米波雷達(dá)引信[2]一般采用脈沖和連續(xù)波兩種工作體制。脈沖體制在近距離需求下需要采取窄脈沖方式，當(dāng)距離很近時(shí)，發(fā)射脈沖和接收脈沖間距很小，對(duì)信號(hào)處理速度要求很高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜。相比較而言，采用調(diào)頻連續(xù)波體制（FMCW）更能滿足近距離、較小測(cè)距盲區(qū)的要求，這也是本文中采用調(diào)頻連續(xù)波的重要原因。
該毫米波FMCW引信屬于三角波線性調(diào)頻、調(diào)制周期恒定的定距測(cè)量引信，其硬件平臺(tái)原理框圖如圖3所示。其基本流程為：采用三角波線性調(diào)頻毫米波振蕩源，經(jīng)天線輻射等幅調(diào)頻波，經(jīng)過(guò)與目標(biāo)距離成正比例的時(shí)間延遲Δt，由目標(biāo)反射并被引信接收天線接收，經(jīng)混頻后輸出差拍信號(hào)。該差拍信號(hào)的頻率即拍頻fb與時(shí)間延遲Δt成正比，也與目標(biāo)距離成正比。該信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大、AD變換后送入FPGA進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。通過(guò)諸如FFT、求模、求極值、判決等一系列處理，最后得到引信相對(duì)目標(biāo)的速度、距離信息。

該引信采用了收發(fā)天線分開的方案，隔離度好，動(dòng)態(tài)范圍大，靈敏度高，短距離情況下工作性能佳。天線接收到的回波信號(hào)，經(jīng)放大、混頻后直接輸出差拍信號(hào)，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，體積小，成本低，對(duì)振蕩源的頻率穩(wěn)定度要求也較低。AGC增益受回波信號(hào)的強(qiáng)度控制，目標(biāo)越遠(yuǎn)增益越大，反之亦然?；祛l器后的帶通濾波器中心頻率應(yīng)等于標(biāo)定距離處的差拍信號(hào)fb0，帶寬等于多普勒頻率的2倍，為防止發(fā)射信號(hào)泄漏和其他干擾信號(hào)對(duì)整機(jī)靈敏度的影響，該帶通濾波器的帶外抑制性能較優(yōu)。
信號(hào)處理組件擬采用全數(shù)字化處理方式，通過(guò)可編程器件FPGA實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理和邏輯控制的功能。高速D/A用于產(chǎn)生VCO所需的三角調(diào)制信號(hào)，對(duì)其線性度要求較高，D/A的采樣率越高，分辨率越高，輸出的信號(hào)線性度越好，但采樣率和分辨率的提高會(huì)帶來(lái)技術(shù)難度和成本的提高。實(shí)際應(yīng)用中，高速D/A的輸出還需接平滑濾波器，提高調(diào)制信號(hào)的線性度，降低D/A時(shí)間離散和幅度離散對(duì)測(cè)高性能的影響。
三角波調(diào)制信號(hào)的的幅度和周期都是常數(shù)，當(dāng)目標(biāo)到達(dá)規(guī)定的距離范圍之內(nèi)時(shí)，混頻器輸出的差拍信號(hào)進(jìn)入帶通濾波器通帶，經(jīng)放大、整形后，通過(guò)FFT進(jìn)行頻率鑒別。在三角波調(diào)制信號(hào)的上升沿，由于多普勒效應(yīng)的影響，差拍信號(hào)的頻率將會(huì)升高，而在三角波調(diào)制信號(hào)的下降沿，由于多普勒效應(yīng)的影響，差拍信號(hào)的頻率將會(huì)降低，對(duì)調(diào)制信號(hào)上升沿和下降沿的差拍頻率進(jìn)行和差運(yùn)算，可以計(jì)算出平均差拍頻率和多普勒頻率大小，平均差拍頻率反映出距離信息，多普勒頻率反映出速度信息。
2.2 算法設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)中采用FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)差拍信號(hào)的全數(shù)字化處理，使用成熟的IP核技術(shù)通過(guò)基于FFT的測(cè)頻技術(shù)測(cè)量雷達(dá)引信相對(duì)目標(biāo)的距離和速度。主要算法包括測(cè)距、測(cè)速和產(chǎn)生調(diào)制所用的對(duì)稱三角波。
2.2.1 測(cè)距
測(cè)距是雷達(dá)引信應(yīng)首先完成的功能，為了使戰(zhàn)斗部破壞目標(biāo)的效果到達(dá)最佳，戰(zhàn)斗部需在特定最佳引爆距離啟爆。因此，作為引信并不需要連續(xù)測(cè)距，只需當(dāng)引信相距目標(biāo)到達(dá)特定距離時(shí)給出動(dòng)作信號(hào)即可。
降低雷達(dá)引信的誤爆率是雷達(dá)引信設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要的工作。在設(shè)計(jì)中采用了多距離門順序動(dòng)作的方式來(lái)提高引信的可靠性。分別在R1、R2和R3處設(shè)計(jì)了3個(gè)距離門，每個(gè)距離門以其對(duì)應(yīng)距離為中心，范圍為正負(fù)1 m，當(dāng)信號(hào)處理部分通過(guò)FFT、求模、求極值、求平均等一系列手段求得距離后，與上述3個(gè)距離門進(jìn)行比較，當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)N（該數(shù)字由系統(tǒng)的誤爆概率確定）幀的信號(hào)都滿足該距離門時(shí)，給出動(dòng)作信號(hào)，只有在引信按順序給出三個(gè)動(dòng)作信號(hào)的情況下才認(rèn)為確實(shí)達(dá)到引爆條件，給出最后的引爆信號(hào)。其流程圖如圖4所示。

2.2.2 測(cè)速
在測(cè)得相對(duì)距離的基礎(chǔ)上，還需要通過(guò)速度識(shí)別來(lái)判斷接近目標(biāo)是否為預(yù)設(shè)目標(biāo)（如攔截導(dǎo)彈）。在速度選通的過(guò)程中同測(cè)距一樣也需要在每幀F(xiàn)FT后都驗(yàn)證其測(cè)得的速度是否匹配設(shè)定的速度門，如果連續(xù)出現(xiàn)額定次數(shù)N幀滿足該速度門的信號(hào)，引信便給出速度動(dòng)作信號(hào)。其流程圖如圖5。

3 仿真與實(shí)現(xiàn)
3.1 系統(tǒng)仿真
在Matlab[3]環(huán)境下，模擬對(duì)稱三角波線性調(diào)頻信號(hào)經(jīng)延時(shí)后，通過(guò)混頻、濾波、FFT等步驟，觀測(cè)其頻譜，驗(yàn)證使用對(duì)稱三角波線性調(diào)頻信號(hào)測(cè)量拍頻的可行性。其中最大頻偏Fm為150 MHz。圖6為仿真系統(tǒng)框圖。

圖7分別為混頻信號(hào)通過(guò)低通濾波器前后的信號(hào)頻譜。從圖中可以看出通過(guò)一個(gè)低通濾波器可以很容易得到需要的差拍頻率。

在方案驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，通過(guò)ModelSim對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行仿真。仿真中，一個(gè)包含兩個(gè)頻率分別為f1和f2的正弦波模擬含有多普勒頻移的回波信號(hào)，通過(guò)雙波峰檢測(cè)算法得到回波中的兩個(gè)頻率后，對(duì)其求和以及求差得到回波的拍頻和多普勒頻移，進(jìn)而將它們與距離門、速度門進(jìn)行比較(頻率都由FFT的索引index表現(xiàn))。當(dāng)連續(xù)滿足距離門或是速度門N次后，對(duì)應(yīng)的動(dòng)作信號(hào)被置為高。從圖8中可以看到拍頻在10 m對(duì)應(yīng)的速度門范圍內(nèi)連續(xù)滿足了5幀后10 m對(duì)應(yīng)的動(dòng)作信號(hào)被置為高(從上往下第二個(gè)信號(hào)為速度門動(dòng)作信號(hào)，第七個(gè)信號(hào)為距離動(dòng)作信號(hào))，同樣的，用于速度識(shí)別的速度動(dòng)作信號(hào)也在多普勒頻移連續(xù)滿足速度門要求N幀后被置為高。

3.2 上板調(diào)試
ChipScope具有類似傳統(tǒng)邏輯分析儀的功能，能起到和傳統(tǒng)邏輯分析儀一樣的作用，而且還具有其突出優(yōu)點(diǎn)：可以方便地觀測(cè)FPGA內(nèi)部任何信號(hào)，這種強(qiáng)大的可觀測(cè)性為調(diào)試帶來(lái)了巨大便利，也節(jié)省了大量時(shí)間。
本設(shè)計(jì)在調(diào)試過(guò)程中應(yīng)用ChipScope調(diào)試。圖9為使用ChipScope上板調(diào)試FPGA程序的測(cè)頻結(jié)果和波形圖。
根據(jù)公式(8)可以推出，結(jié)果完全正確。

式中：index為FFT索引；f_b0為額定差拍信號(hào)頻率；NFFT為FFT計(jì)算點(diǎn)數(shù)；f_s為采樣頻率。
本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種毫米波FMCW雷達(dá)近炸自救引信的信號(hào)處理模塊。該信號(hào)處理方法與傳統(tǒng)算法相比，可以有效降低虛警概率，提高雷達(dá)引信的可靠性，同時(shí)，該處理算法可兼顧測(cè)距和測(cè)速，其測(cè)得的速度信息可作為判斷來(lái)襲目標(biāo)的重要判決依據(jù)，從而進(jìn)一步提高可靠性。研究中對(duì)算法進(jìn)行了大量的仿真和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該信號(hào)處理方法能可靠有效地進(jìn)行速度和距離測(cè)量。
參考文獻(xiàn)
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