一发三收天线无线电引信定向探测

2011-12-03李仁杰任光亮马岸英

制导与引信 2011年4期

李仁杰, 任光亮, 艾霞, 马岸英

(1.西安机电信息研究所,陕西西安710065;2.西安电子科技大学,陕西西安710071)

0 引言

目前,导弹定向引信天线均为发收成对配置,而炮弹尚未见定向引信。如美国的新一代空空导弹A IM-120采用了可识别目标方位的无线电引信和定向战斗部;俄罗斯的KS 2172远程空空导弹无线电引信,可给出弹目间的距离及目标方位信息。国内许多单位开展了各种不同无线电近炸引信的探测技术研究,尚未见有装配在炮弹上的定向引信的相关信息。

随着现代战争的发展,对武器性能不断提出新的要求。在对付空中目标时,传统的战斗部弹片都是围绕弹轴在各个方向均匀散布,只有少量弹片击中目标,大部分弹片被浪费掉了,因此其杀伤效果非常有限。如果引信能探测并识别目标的方向,使引信在目标来袭方向上适时起爆战斗部,就可以大大提高引战配合效率[1-3]。定向战斗部要求具有能够识别目标方位的定向探测引信,而引信天线的空间分布和方向图决定了定向探测的测量精度和分辨率,根据引信所处弹体结构特点及一发三收探测器结构设计要求,必须尽可能增大不同方位目标回波之间的差异,提出在10GH z频段基于一个发射天线、三个接收天线的定向探测方法。

1 一发三收天线结构与信号模型

无线电引信定向探测的基础是一发三收探测器,天线的空间分布和方向图直接决定着测向的精度和分辨率。对于一发三收天线引信,天线可以利用的空间包括弹锥和弹体。弹体空间较大,对于增大宽波束天线接收信号差异比较有利。图1给出了探测器收发天线在弹上的分布情况。

图1 一发三收天线分布示意图

图中:Tx表示发射天线;Rx1、Rx2和 Rx3分别表示三个接收天线。由图可见,发射天线位于弹头,接收天线均匀分布在弹锥上。图2给出了三个宽波束接收天线在赤道面上的天线方向图。由图2可见,三个接收天线在各自对应的120°区域内方向图呈心形,在不同的区域各自对来自同一方向的接收信号增益不同。

图2 三接收天线在弹轴横截面上的天线方向图

设探测器发射天线发射的方位识别信号为

式中:x(t)为调制信号;exp(j2πf c t)为复载波信号;f c为载波频率。

设信号经目标反射在传输中加入高斯白噪声,以一定方向返回三个接收天线,该方向上三个接收天线对信号的增益分别为k1、k2和k3,则三个天线接收到的方位识别信号分别为

式中t≥τ,由于接收天线间的距离相对于目标与各天线的距离较小,因此忽略信号到三个天线的传输时延差,认为探测信号传输时延皆为τ,另外w1(t)、w2(t)和w3(t)分别为三个接收天线接收到探测信号中所含的加性高斯白噪声。由式(2)可见,三个接收天线收到信号的强度与目标处于不同的方位有关。

2 一发三收天线定向探测原理

由图2的三个接收天线方向图可知,在水平面的不同区域内三个天线对测向信号的增益不同。如在R3区域中,接收天线3的增益要明显大于接收天线1和接收天线2。因此,通过比较三个回波信号的功率可以判断目标位于三个区域中的哪一个内。进一步观察会发现,同一区域的不同部分三个接收天线的增益也有所不同。比如在R3区域内,R3区域的上半部分中,天线1的增益大于天线2的增益,而在R3区域的下半部分中,天线1的增益则小于天线2的增益。因此,进一步比较接收回波天线功率可以更精确地确定目标所在方位。图2根据三个接收天线的增益情况将平面划分为6个不同方位,表1给出了这些方位上期望的回波信号对应功率关系。表中,R1、R2和R3分别表示接收天线1、2和 3上回波信号的平均功率。

表1 信号功率与方位间的关系

根据定向探测原理给出定向探测系统框图如图3所示,系统可以采用调频、正交频分复用和频率捷变等探测体制[4,5]。各接收机首先利用本地载波信号对接收回波信号进行混频滤波提取调制信号,混频滤波后信号为

式中:t≥τ,N1(t)、N2(t)和 N3(t)分别为经低通滤波后的零均值窄带高斯噪声,其通带内功率谱

式中:Δt表示采样周期;N为给定的序列长度。

方位判决为

式中:xi=x(iΔt)。

P1、P2和P3的分布概率密度函数为

图3 定向探测系统框图

其中:

由(6)给出的P1、P2和P3分布概率密度函数可得任意回波方位的检测概率与误检概率。例如在某回波方位上有k1＞k2＞k3,则P1＞P2＞P3时正确检测,检测概率为

误检概率为1-p(P1＞P2＞P3)。

3 仿真与结果

为验证定向探测方法的性能,在 MATLAB仿真平台上,利用接近于实际天线方向图的函数模拟实际天线方向图,为了便于计算机仿真测试,采用函数来近似该图形:

式中:θ表示天线方向图赤道面的方位角,其图形如图4所示。仿真中所使用的三个接收方向图之间的关系如图5所示。测向处理算法利用各个接收天线收到信号的差异进行确定目标方位。

图4 仿真中使用的天线方向图

图5 仿真中的三个天线方向图

在理想目标及高斯白噪声条件下进行了计算机仿真。仿真中,取用来计算平均功率的信号长度N=128,探测体制选用正交频分复用探测体制[6]。仿真中分别对仅判决R1、R2和R3三个方位与判决 S1、S2、S3、S4、S5 和 S6六个方位的情况进行了统计,得到各自在不同信噪比下的检测和虚警概率曲线。

图6给出了判决三个方位检测和虚警概率曲线。信噪比高于-4 dB时,三个检测方位的检测概率就已高于90%;信噪比高于-2 dB,其相应虚警概率已降为0。图7给出了六检测方位的检测和虚警概率曲线。六检测方位时的性能要略差于三检测方位,信噪比高于-1 dB时,检测概率高于90%;信噪比高于-2 dB,虚警概率降为0。这一结果与检测理论预测是相符的,在三方位检测时判决只用比较哪个天线上的回波信号最强,而在六方位检测时需要对三个接收天线的回波信号强度排序,检测错误概率更高。而虚警概率取决于对天线是否接收到回波信号的判决,与检测方位数关系不大,因此两种检测下的虚警概率情况基本一致。