针对连续波多普勒引信的干扰模式及效能分析

王长胜

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225001)

针对连续波多普勒引信的干扰模式及效能分析

王长胜

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225001)

以典型规则干扰波形和非规则干扰波形为例构建了不同的干扰源模型，研究和分析了在不同干扰源模型下连续波多普勒引信的起爆高度，利用MATLAB-Simulink搭建仿真系统，对输出的仿真结果进行探讨和分析。

连续波多普勒引信；干扰模型；MATLAB-Simulink

0 引 言

在现代战争中，不仅要着眼于对敌方人员设备造成毁灭性打击，更需要在敌方的打击中保持己方的存活率。电子引信干扰技术能够有效地保护我方装备，在我方阵地空域形成干扰屏障，对进入范围的智能炮弹进行无线电干扰，减小敌方炮弹的有效杀伤范围。

干扰泛指一切破坏和扰乱敌方电磁设备正常工作的战术和技术措施的统称。干扰的分类很多，按照干扰波形来分，一般分为规则波形干扰和非规则波形干扰。对于引信来说，干扰信号对引信的直接作用效果分为两大类：早炸和瞎火。早炸是指引信在干扰作用下误输出启动信号，使榴弹在战斗部毁伤半径范围之外提前引爆。瞎火是指引信在正常设定的工作范围内未输出启动信号。

在末制导阶段，炮弹引信开机工作，对地面进行探测，引信输出起爆信号的判据为：多普勒回波信号的频率、幅度大小、幅度增幅速率同时满足阈值条件。针对以上3个判定条件，本文以规则和非规则干扰波形建立不同的模型，对引信的干扰效果进行模拟分析。

信号发生模块产生本振信号并发射，经目标反射形成回波。回波及干扰信号一起与本振混频后进入处理模块，若同时满足3个判定条件则输出起火引爆信号，模型仿真流程如图1所示。

干扰源模块以规则波形(正弦调幅扫频、正弦调频扫频等)和非规则波形信号(噪声调幅扫频、噪声调频扫频等)为例，进行压制式和欺骗性干扰。

炮弹在离目标较远处对其实施欺骗性干扰，使其早炸；在靠近目标时对其实施压制性干扰，使其瞎火，如图2所示。

1 规则波形信号对引信干扰的模拟

1.1 正弦波调幅扫频干扰下的仿真实验

扫频式干扰信号的时域数学表达式为[1]：

(1)

式中：ω0为载波频率；k为调频系数；v(t)为对既有信号进行带宽搬移的调制信号。

扫频信号以锯齿波作为频率调制信号，其数学表达式为：

(2)

式中：As为锯齿波斜率；Ts为锯齿波周期。

构建连续波多普勒引信扫频干扰仿真模型，仿真了引信距地面100～50 m的探测过程。引信速度为225 m/s，工作参数为：中心频率f0=750MHz，幅度设为1。设榴弹的三维坐标从(0,0,100)飞行到(28,0,50)。

图3为信号产生部分，载波和干扰源混频所得多普勒回波信号通过低通滤波器采样。

图4为干扰源模块，干扰样式为正弦波调幅扫频干扰。初始载频740MHz，1kHz采样频率，每个频率点停留10ms，调频系数为1。正弦波调幅信号频率为1 000Hz，幅度为20V。

如图5，回波信号采样后分2条支路：一条支路用于频率检测；另一条支路检测幅度和幅度增幅。支路一将fd每128点为一组进行傅里叶变换，主要实现将连续波多普勒信号从时域转换为频域。支路二对fd取绝对值并滤波，将所得信号分成2路：一路直接放大；另一条支路采取Z变换，求取附近10个采样点增幅变换率的平均值作为定距处的增幅速率[2]。

图6为判决电路。支路一是多普勒信号幅度判决，范围在20～70mV；支路二为多普勒信号频率判决，范围为990～1 520Hz，系统采样率为20k，快速傅里叶变换(FFT)点数为128个点；支路三是幅度增幅判决，阈值为0.12～39mV/s。

炮弹对目标产生最大杀伤范围的高度为11～4m。图7为正弦波调幅扫频干扰下输出信号，图7(d)中，大约在71m和68m出现2个启动信号，干扰机对引信实施了欺骗干扰，使引信在71m处提前起爆。

1.2 正弦波调频干扰下的仿真实验

正弦波调频干扰源模型以式(1)为基础，用正弦波作为调制信号，数学表达式为：

(3)

式中：As为正弦波幅度；ωs为正弦波频率；φs为正弦波初相位。

图8中正弦波的幅度为1V，频率为2 000Hz,压控振荡器(VCO)输出带宽为2MHz。输出结果如图9(d)，大约在53.02m、52.3m和51.2m出现3个启动信号，炮弹约在离地面53m处起爆。

1.3 其他规则波干扰源模型建立

1.3.1 方波调频干扰信号的产生

干扰源模型以式(1)为基础，用方波作为调制信号扫频干扰，方波在一个周期内的数学表达式为：

(4)

式中:A为方波幅度;T为方波周期。

模型如图10所示。

1.3.2 三角波调频干扰信号的产生

干扰源模型以式(1)为基础，用三角波作为调制信号扫频干扰，三角波在一个周期内的数学表达式为：

(5)

式中：A为三角波幅度；T为三角波周期。

模型如图11所示。

2 非规则波形信号对引信干扰的模拟

2.1 噪声调幅信号的特点

射频噪声是一种很好的干扰波形，但是一般情况下的射频噪声功率较低，不能满足压制性干扰的要求。人们常使用高斯噪声去调制载频来提高干扰噪声的功率[3]。

(6)

式中：Uj为载波幅度；ωj为载波频率。

噪声调幅信号的均值为:

(7)

噪声调幅信号的自相关函数为：

(8)

式中：Rn(τ)为高斯白噪声n(t)的自相关函数。

可见，噪声调幅信号的均值和自相关函数均和时间t有关，所以不是严格的平稳随机信号。但是其均值和自相关函数均以2π/ωj为周期，所以其符合广义周期平稳性。

假设连续波多普勒信号的幅度为Ut，中心角频率为ω0，则连续波多普勒信号可表示为：

(9)

如果定距系统和目标之间的距离为R，光速为c，则信号的往返延迟时间为τ=2R/c，发射信号遇到目标反射回来，接收到的回波信号为：

(10)

接收机接收到的回波信号的功率为：

(11)

则回波功率为：

(12)

在噪声调幅信号干扰的情况下，接收机在接收到正常回波信号的同时，还能接收到噪声调幅信号。如果不考虑噪声信号到达接收机的延迟，则其时域表达式为：

(13)

可以计算出输入的干扰信号平均功率为:

(14)

所以，连续波多普勒引信接收机的输入信干比为:

(15)

信干比是信号与干扰信号之间的比值，能够定量反映信号和干扰信号的大小关系，进而能分析出在多大的信干比下系统能够被压制。

2.2 噪声调幅干扰下的仿真实验

在连续波多普勒引信仿真模型基础上，构建了噪声调幅干扰仿真模型，仿真引信距地15～0m的探测过程。引信和干扰源之间相对运动速度为225m/s。引信的具体参数为：中心频率f0=750MHz。图12表示回波与噪声调幅的干扰源相加，所得信号进入接收机内与本振信号混频，得到多普勒信号。

图13为回波信号的模拟，回波信号由本振进行延时和幅度衰减得到。

图14为噪声调幅信号的输出，输入信干比为-15 dB的情况下，噪声功率过大，使得输出信号包络波动严重，遮盖住有用信号包络的形状，从而不能同时满足判定依据，引信被压制无法启动。启动信号如图15所示。

2.3 噪声调频信号特点

噪声调频干扰信号的表达式为[4]：

(16)

(17)

噪声调频信号的功率等于载波功率：

(18)

式中：Uj为噪声调频信号的幅度。

因此，调制噪声功率不对已调波的功率发生影响。噪声调频信号干扰带宽(半功率带宽)为：

(19)

化简式(19)得：

(20)

由于噪声调频干扰的频率在较宽的频带内以很快的速度变动，而系统滤波器通带宽度较窄(通常远小于调频频宽)，假设为BH，通带范围(fL,fH)，只有当干扰频率处于其频带内时才能使干扰信号进入接收机。因此，若引信干扰信号总功率为Pj，则进入系统接收机的平均干扰信号功率为：

(21)

式中：ΔF为引信振荡器带宽;ΔB为调频频宽。

系统接收信号功率为：

(22)

系统输入信噪比为：

(23)

2.4 噪声调频干扰下的仿真实验

图16为噪声调频干扰源内部模块，由高斯白噪声调频产生信号，经延时和衰减模块得到干扰信号。噪声调频干扰源模块如图17所示。

图18和图19为噪声调频信号的输出，输入信干比为-15dB的情况下，由干扰信号作用导致多普勒回波信号失真严重，达不到判定阈值，结合引信输出的仿真结果，未输出起爆电平，所以引信被压制无法启动，造成瞎火。

3 结束语

本文采用规则和非规则干扰波形，建立了对连续波多普勒引信的干扰模型，并对其末制导阶段进行干扰效能仿真。由仿真结果可知，正弦波调幅、调频干扰源能够对炮弹进行欺骗性干扰，而噪声调幅、调频干扰源能够对炮弹实施压制性干扰。仿真结果对工程应用具有较大的指导意义。

[1] 艾娜.外差式连续波多普勒引信干扰波形设计[J].航天制造技术,2004(12):24-26.

[2] 李洪涛.一种连续波多谱勒引信的干扰波形研究[J].电子信息对抗技术,2009(7):23-25.

[3] 赵惠昌.无线电引信设计原理及方法[M].北京:国防工业出版社,2010.

[4] WANG J,GET S S,LEE T H.Adaptive fuzzy sliding mode control of a class of nonlinear systems[C]//Proceedings of The 3rd Asian Control Conference.Shanghai,2000:599-604.

Jamming Mode and Efficiency Analysis to Continuous-wave Doppler Fuze

WANG Chang-sheng

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Taking typical regular jamming waveform and irregular jamming waveform as examples,this paper constructs different jamming source models,studies and analyzes the detonating height of continuous wave Doppler fuze under different jamming source models,uses MATLAB-Simulink to build simulation system,discusses and analyzes the output result.

continuous wave Doppler fuze;jamming model;MATLAB-Simulink

2016-06-24

TN972.1

A

CN32-1413(2017)01-0001-07

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.001