副载频调制信号照射镜像干涉研究

吕瑞恒, 李洁洋, 顾村锋, 黄伟忠

(上海机电工程研究所, 上海 201109)

0 引言

副载频调制信号广泛应用于导弹半主动寻的制导过程中的修正指令传输环节[1]。副载频调制信号是由调制信号对载频信号调频或调相实现,通过调制每路副载频的幅度(0或1)来表征指令信息,用于形成导引指令、实施抗干扰策略等重要场合。在工程使用中,指令信息的传递过程将受到照射镜像信号的干涉影响。目前,对于平滑调相副载频信号镜像干涉的影响研究还未见公开文献报道。

文中针对半主动寻的制导的修正指令环节,研究了平滑调相副载频直波信号受照射镜像信号(后文称镜像信号)干涉的过程,给出了镜像信号的干涉影响机理,提出了消除干涉影响的副载频调制信号波形设计及应用依据,并通过试验验证了该依据的有效性。

1 副载频调制信号镜像干涉影响

1.1 副载频调制信号

副载频调制信号包括调频和调相两种调制方式[1-3],典型的副载频调制信号表达式为:

(1)

接收机通过对n路副载频做解码检测,得到指令调制信息。文献[3]中将振幅包络线A(t)简化为1,给出了具有3个副载频的调制信号的贝塞尔级数展开形式:

cos((ω0+iω1+jω2+kω3)t)

(2)

式中:Ji(β0)、Jj(β0)、Jk(β0)均为第一类贝塞尔函数。考虑振幅包络信号A(t)对频率分量的影响[4],不失一般性,令U=1,得到单副载频调制信号的级数展开表达式如下:

(3)

式中:ω0为载频;ωB为副载频;ωC=2π/τd;mB=β0/2。

由式(3)知,当mB≪1时,副载频调制信号中的频率分量集中在载频及副载频的第一边频上。由于平滑振幅包络信号的频率满足ωC≪ωB,因而对副载频之间影响很小。当多路副载频选取的频率间隔足够大时,其频率组合之间不会互相影响。

1.2 镜像信号的干涉形式

导引头直波接收机收到的是复杂的信号干涉组合,通常对于开阔平坦的陆地或海面环境,照射器的照射镜像信号为主要干涉源。

令直波信号表示为S1(t),幅度为U1;镜像信号表示为S2(t),幅度为U2。不失一般性,令镜像信号与直波信号的波程时间差为τ。通常,地面照射器高度有限,镜像信号与直波信号的多普勒频率差相比信号载频频率而言可忽略不计。以单副载频为例,回波信号S(t)可表示为:

(4)

根据调制信号级数展开表达形式,得到载频ω0以及副载频ω0+ωB分量如式(5)和式(6)所示。

(5)

(6)

1.3 镜像信号的干涉影响

调制度定义为副载频幅度与载频幅度的比值。对于直波信号,调制度β1为:

(7)

存在镜像信号时,调制度β2为:

β2=

(8)

由式(7)和式(8)可得镜像信号干涉引起的调制度幅度变化系数Δβ为:

(9)

由式(9)可知,Δβ是信号波程时间差τ(后文仿真时以波程延迟距离表示,两者成正比)的函数,并随两信号的幅度比值U2/U1、载频及副载频的频率值而变化。

当U2/U1=1且波程差τ满足cosω0τ=-1时,将使得调制度变化系数Δβ→∞。而当U2/U1≠1时,Δβ将始终是有意义值。考虑到ω0≫ωB,Δβ取得极值时,满足:

(10)

(11)

Δβmax表示调制度偏离的最大值,其对应的波程时间差为τ。

Δβ的包络周期由ωB决定,包络内信号起伏周期由ω0决定。图1给出了Δβ随波程延迟距离的变化示意图。仿真所取参数如表1所示(表中参数只为仿真演示目的,无实际含义)。

表1 仿真所用参数

注:ωB=2πfB,ω0=2πf0。

如图1,受镜像信号干涉影响,Δβ最大偏离达到了约30 dB。当镜像信号干涉影响使调制度偏离超过可检测阈值T0时,将引发直波解码异常。图2展示了系统试验中出现的解码丢帧现象。

综上所述,当副载频频率、直波信号及镜像信号能量差、波程延迟距离满足一定条件时,信号调制度将会发生偏离,当其偏离范围超出检测容限的时候,将引发解码异常,导致修正指令失效。修正指令失效将直接影响导弹中末交班精度,严重情况下将引发导弹大脱靶,使其丧失毁伤能力,亟需得到解决。

2 消除干涉影响的镜像信号设计

2.1 镜像信号干涉影响规律

半主动照射信号的波束主瓣通常指向目标,直波信号和镜像信号通过照射波束旁瓣发射,如图3所示。

直波信号的功率P直和镜像信号的功率P镜的计算如式(12)、式(13)所示:

(12)

(13)

式中:Pt为发射功率;Gt(γ)为照射天线增益方向图,其增益值大小同照射方向与发射波束主瓣的角度偏离值γ相关;λ为波长;Gr(β)为直波接收天线增益方向图,其增益值大小同信号入射方向与接收波束主瓣的角度偏离值β相关;ρ为镜像信号传播路径上的地(海)面反射系数;Rm、Rm,r为信号传播路程。

通常,当直波传输路径处于照射副瓣波束中心时,由于地(海)面的反射衰减,镜像信号功率将远小于直波信号,由式(11)知此时调制度变化极小;但当直波传输路径处于照射天线方向图凹口时,地(海)面反射衰减得益被抵消,功率接近的两路信号将会导致调制度偏离,严重时引发解码异常。文献[5]给出了典型的天线方向图形式,如图4所示。

通过数字仿真试验,得到了影响调制度幅度变化系数Δβ的关键因素。参数选取见表2。

表2 仿真所用参数

通常地(海)面照射器架高有限,波程延迟距离显示范围选为0～50 m。

图5给出了不同副载频频率值、不同信号功率差组合条件下,Δβ随波程延迟距离的理论变化情况。调制度的最大偏离值分别为19.11 dB、5.08 dB、2.92 dB、1.11 dB。

具有如下规律:

1)在一定范围内,信号波程延迟距离越小,调制度最大偏离值越小。

2)在相同副载频频率的条件下,信号功率差越大,调制度最大偏离值越小。

3)在相同信号功率差的条件下,副载频频率越低,调制度最大偏离值越小。

2.2 副载频调制信号设计及应用依据

调制度偏离越小,越有利于副载频调制信号的正确解码。基于调制度幅度变化系数Δβ的变化规律,通过遵循一定的信号波形设计及应用依据,可以降低调制度的最大偏离值。

具体的设计及应用依据包括:

1)降低照射器高度。降高有助于降低镜像信号波程延迟距离至安全范围,使得调制度满足检测容限。

2)提高信号功率差。提高功率差至一定阈值,使得在同等波程延迟距离下,调制度能够满足检测容限。对确定的检测门限,可通过式(11)推算必要的功率差。

3)降低副载频频率。使得在相同延迟距离及功率差条件下,调制度满足检测容限。

3 试验验证

在试验室内搭建回路验证了镜像信号的干涉影响以及设计、应用依据的有效性。

如图6所示,两信号源生成两路不同波程延迟距离(步长20 m)、不同功率差的相干信号,分别模拟直波信号和镜像照射信号。试验结果记录如表3所示。

表3 试验结果统计表

序号1至序号6表明,随着信号波程延迟时间的增大(即波程延迟距离增大),直波解码出现“正常丢失正常”的周期现象。

序号1表明,在一定的波程延迟距离范围内解码正常,与理论结果吻合,验证了波形设计依据1)的有效性。

序号7至序号11表明,存在功率差阈值T0,当两信号功率差超过T0时,解码丢帧现象将会消除,验证了波形设计依据2)的有效性。

在同系列产品的系统试验中,低副载频调制形式的产品未出现解码丢帧现象,间接验证了波形设计依据3)的有效性。

综上所述,副载频调制信号的波形设计及应用依据有效,能够消除镜像信号对直波解码的干涉影响。

4 结论与工作展望

文中针对半主动寻的制导过程的修正指令传递环节,研究了副载频调制的直波信号受其镜像信号干涉影响的过程,得到了其影响机理。理论表明,镜像信号将引发直波调制度的幅度起伏变化,当其变化范围超出接收机检测容限的时候,将会引发解码异常。

为了消除镜像信号对直波调制度的干涉影响,文中提出了3项副载频调制波形的设计及应用依据,即降低照射器高度、提高信号功率差以及降低副载频频率值。设计依据的有效性得到了试验验证。

以上研究成果对工程研制具有重要理论价值。

参考文献:

[1] 邵晟, 张琦. 一种基于数字化技术的多通道副载波调制直波模拟信号源 [J]. 制导与引信, 2012, 33(4): 20-23.

[2] 赵巍, 周旭. 数字化副载频解调的研究 [J]. 无线电通信技术, 2014, 40(5): 44-46.

[3] 穆虹. 防空导弹雷达导引头设计 [M]. 北京: 中国宇航出版社, 1996: 164-169.

[4] 杨革文, 黄蓓, 陈德红, 等. 间断照射码元宽度对导弹截获低速目标能力的影响 [J]. 上海航天, 2014, 31(3): 56-58.

[5] RICHARDS Mark A. 雷达信号处理基础 [M]. 邢孟道，王彤，李真芳，译. 北京: 电子工业出版社, 2008: 7-10.