毫米波近炸引信数字化信号处理器

王辉辉，付学斌，张 珂

（1.西安电子工程研究所，陕西 西安710100；2.西安机电信息技术研究所，陕西 西安710065）

0 引言

无线电引信是一种利用无线电波获取目标信息而作用的近炸引信，其作用原理是在预先设定的探测距离处引爆战斗部，提高杀伤力［1］。线性调频连续波（LFMCW）体制的数字调频式毫米波近炸引信具有近距离测量精度高、频带宽、多普勒分辨力高、全天候工作能力好的优点，因此在智能弹药系统中具有很好的应用前景［2-3］。LFMCW 近炸引信的高度信息表现在差拍信号的频谱上，通过频谱分析来获取高度信息［4-5］，因此频率分析的精度直接影响着高度测量的精度。传统数字调频式毫米波近炸引信采用快速傅里叶变化（FFT）处理来获取距离谱［6］，但是FFT 方法的频率分辨率受采样频率和处理点数的限制，采样频率过低则回波中包含目标信息较少，处理点数多一方面造成系统处理时间较长，不具备好的实时性，另一方面单纯的增加处理点数并不能增加有效的高度谱信息。虽然复调制快速傅里叶变化方法（Zoom-FFT）可在不降低频率分析范围的情况下实现局部频谱细化［7］，但此种方法为了保持数据量不变，选抽率的多少就决定了算法需要扩充数据的倍数。在近炸引信平台，数据量的增加意味着需要较长的处理时间，这同样会减弱引信系统的实时测高能力。

针对传统毫米波数字信号处理器距离分辨率不高、处理时间长、实时性差的缺点，本文设计了毫米波近炸引信信号处理器。

1 调频法测距原理

LFMCW 体制引信易实现较高的距离分辨力、不存在距离盲区、信号能量大、结构简单等特点，同时对称三角LFMCW 的对称性使它具有独特的优越性［8］，因此该引信系统采用对称三角线性调频连续波信号，进行近程实时精确测高。发射信号的频率按周期性三角波的规律变化，图1为发射信号和目标回波信号的频率示意图，ft是发射机的高频发射频率，它的平均频率是f0，f0的变换周期为Tm，通常Tm为数百分之一秒。fr为从目标的回波频率，它和发射频率的变化规律相同，但在时间上滞后tR，tR=2R／c。发射频率调制的最大频偏为±0.5ΔFm，fb为发射和接收信号间的差拍频率。

图1 三角调频连续波测距原理Fig.1 The principle of target range based on the symmetrical triangular frequency modulation continuous wave（STMFCW）

目标距离为R，则发射频率ft和回波的频率fr为：

因此差频fb为：

在调频的下降段，df／dt为负值，fr高于ft，但二者的差频仍如上式。对于一定距离R 的目标回波，除去t轴上很小一部分2R／c以外（这里差拍频率急剧地下降到零），其它时间差频是不变的。若用频率计测量一个周期内的平均差频率fbav，可得到：

实际工作中，应保证单值测距且满足：Tm≫2R／c，因此平均差频率为：

从而得到目标距离：

运动目标情况下发射信号及运动目标回波信号简单示意图1（b）所示，运动目标的回波和发射信号相比有一个多普勒频移，这样在信号和回波经过差拍运算后上扫频段减去多普勒频移，下扫频段加上多普勒频移。当反射回波来自运动目标，其距离为R 而径向速度为v 时，其回波频率fr为：

其中fd为多普勒频率，正负号分别表示调制前后半周正负斜率的情况。当fd＜fbav时，得出的差频为：

则目标距离为：

因此只要将回波信号与发射信号做混频得到差拍信号，对差拍信号进行采样变换，再利用FFT 进行频域分析进而得到差拍信号在上扫频段和下扫频段的频率，就可以得到单个目标的位置和速度信息。

2 毫米波数字信号处理器

2.1 毫米波近炸引信系统结构

该毫米波引信结构如图2所示。本系统采用双天线结构，收发分置，收发天线之间通过环形器进行隔离，整个天线系统的增益为60dB。信号处理机采用数字化结构，由可编程逻辑门阵列（FPGA）产生一个同步周期的方波触发信号（触发信号周期为1μs）。该信号触发产生对称三角线性调频连续波信号，该三角LFMCW 在正频率和负频率段的时间宽度都为1μs。在发射端，由同步信号触发产生的LFMCW 信号经过发射通道后由发射天线进行发射；在接收端，目标回波信号（对于引信目标为大地）由接收天线进行接收，经过接收通道处理后得到差频信号。差频信号送入信号处理机，由信号处理模块的AD 采样后得到数字化的差频信号，在FPGA对该差频信号进行目标检测处理。为防止误动，本引信系统需要检测出两个距离信息，预起爆距离R1和起爆距离R，并且R1＞R。在预起爆信号输出有效的情况下检测到起爆距离后，才输出最终起爆信号，这样能有效地防止误启动。

2.2 数字信号处理器软件设计

数字引信信号处理器的软件处理流程如图3所示，首先进行12位AD 采样，将模拟差频信号数字化，AD 工作时钟选定为50 MHz。为了实现后端的MTD 相参积累处理，需要保证每个触发脉冲内的AD 采样数据对齐，因此用同步触发信号做触发来存储AD 数据，从而保证数据能够对齐。

图2 系统设计框图Fig.2 Structural schematic diagram of the system

图3 软件设计流程图Fig.3 The software flow-process diagram

脉压处理采用FFT 实现，由于采样同步触发脉冲为1 MHz，因此正频率和负频率在一个同步脉冲内时间都为1μs，为了提高距离分辨率，需要调高FFT 处理的点数，考虑到FPGA 的工作时钟150 MHz，因此选择128 点的FFT 来实现脉压处理。距离单元和FFT 点对应的关系为：

脉压完成后得到的128点数据分别代表不同的频率，不同的频率信号就对应不同距离的回波信息，因此将脉压以后对应的预起爆距离R1和起爆距离R 的数据进行存储，并对这两个距离单元的数据进行重排，使得前后多帧同一距离单元的数据对齐，然后对同一距离单元的脉压数据通过第二级FFT 来实现MTD 处理。为了提高速度分辨率，MTD 处理采用512点积累，也就是第二级FFT 采用512点处理。根据本次MTD 处理结果来更新杂波图门限和自适应门限，并将更新后的门限作为下次检测时所使用的门限，最后根据检测判决结果输出起爆判决信号。由于FPGA 的流水处理且运算速度高，因此判决信号的输出是实时输出的结果。

2.3 自适应目标检测新方法

本信号处理器关键技术为自适应检测方法，由于回波信号随目标（地面）不同其强度也不同，因此不能采用固定门限作为检测准则，必须采用自适应门限准则。本信号处理器采用三门限检测：自适应门限检测、比值门限检测和杂波图门限检测相结合的检测原则，其原理框图如图4 所示，三个检测准则为：

1）杂波图门限检测：将每次MTD 处理结果进行缓存，利用前后两次MTD 处理后零速通道的值进行杂波图门限的更新，其他速度通道的值和更新后的杂波图门限比较，如果大于杂波图门限的K倍，则认为是目标，否则认为是杂波。

2）比值门限检测：将本次MTD 和上次MTD结果相对应的速度通道的值进行比值处理，如果比值大于一个固定常数m，则认为本次该速度通道上有目标存在，否则进行自适应检测门限的更新。

3）自适应门限检测准则：为了消除噪声的影响，首先给定一个起始的自适应检测门限，该门限主要用于排除起始噪声的干扰。将MTD 结果和自适应检测门限比较，如果过门限，则认为是目标，否则进行自适应门限检测的更新。其中自适应检测门限更新的准则为本次MTD 结果和上一次的自适应检测门限值的加权处理。

3 外场试验数据结果分析

在地面和高塔之间固定一根钢丝，钢丝与地面夹角为α。将引信悬挂在钢丝上，引信距离地面垂直高度为H，让引信从钢丝上自由滑下，在引信下滑的过程中，对中频回波信号和信处输出的起爆决策信号进行全程采样。对采集的实验数据进行分析，图5为采集到的中频信号，图中虚线为1 MHz的同步触发信号，实线为目标的回波信号，由图可知目标回波信号相对较弱。

图6 为MTD 积累后对应引信下滑速度为12m／s时的速度通道的速度谱曲线图，其中横坐标为距离维，纵坐标为时间维。由图可知，经过MTD处理以后信号的能量能够很好的积累。由于天线波束较宽，距离地面越近各个距离段的回波信号越多，因此从图中能量分布可以看出，引信在距离地面的距离小于20m 以后的能量比较强。

图7（a）为最终的检测结果输出，图7（b），（c）分别对应距离R、R1的局部细化图，其中横坐标为时间，纵坐标为MTD 输出。图7（a）中实线表示R 输出结果，虚线表示R1输出结果。图7（b）星形标志代表距离R 有判决输出，图7（c）三角表示距离单元R1米处有判决输出。从局部细化图可以看出，距离R1的第一个点判决输出的位置在第2 686 ms，距离R 的第一个点判决输出的位置在第2 922ms，距离R1第一个判决输出的位置在时间上比距离R 提前了236 ms，也就是说系统能首先输出预起爆信号，然后输出起爆信号，时序满足系统指标要求。

图4 检测原理图Fig.4 Structural schematic diagram of the detecting principle

图5 目标回波和触发图Fig.5 The diagram of target radar echo and trigger signal

图6 速度谱曲线Fig.6 The curve of velocity spectrum

图7 检测结果输出Fig.7 Results of the detecting System

4 结论

本文设计了毫米波近炸引信数字化信号处理器，该信号处理器首先对差频信号进行AD 采样处理，然后对采样后的数字信号进行脉压处理，从而得到不同距离单元的回波信息，通过对所需距离单元的信号进行MTD 处理，进而得到检测数据；同时用一种新的自适应检测方法对目标进行检测，最后产生所需炸点高度的起爆判决信号。外场试验结果表明：该系统能稳定、实时地输出起爆信号，起爆高度符合系统指标要求，同时该信号处理器还具有很好的速度适应性。本文所设计的数字化信号处理器具有重要的工程应用价值，为后续毫米波近炸数字化引信系统的定型奠定了扎实的基础。

［1］陈霞，刘来方，邓宏伟.数字调频式无线电近炸引信设计［J］电视技术，2008，48（9）：92-94.

［2］Pan X，Cui Z Z.Doppler signal simulation and analytic system for radio fuze［J］.Journal of Beijing Institute of Technology，2008，17（1）：62-66.

［3］薛良金.毫米波工程基础［M］.哈尔滨：哈尔滨工业出版社，2004.

［4］Zhang R Q，Huang Y L，Yang J Y.Improving range precision of LFMCW radar based on frequency domain upsamplinginterpolating method［J］.Communications，Circuits and Systems，2005，2（5）：27-30.

［5］Ko H H，Cheng K W，Su H J.Range resolution improvement for FMCW radars［C］∥Proc.Of Radar Conference，2008：352-35.

［6］胡文.提高LFMCW 雷达高度表测高精度的方法研究［D］.西安：西安电子科技大学，2006.

［7］司锡才，朱晓.基于频谱细化的线性调频信号参数估计［J］.系统工程与电子技术，2009，31（3）：507-510.

［8］王月鹏.对称三角线性调频连续波雷达技术研究［D］.西安：西安电子科技大学，2005.