基于多普勒效应的典型伪码引信抗噪声调频干扰性能分析*

刘 静，周新刚,胡国兵

(1 金陵科技学院网络与通信工程学院，南京 211169； 2 国防大学军事管理学院，北京 100091)

0 引言

伪码调相及其复合体制引信[1-4]是在伪码调相雷达(有的文献也称伪噪声雷达，pseudo-noise, PN radar)的基础上发展起来的一种新型调制体制的无线电引信，它发射利用m序列调制或其复合调制的信号来探测和测定目标位置，控制弹丸爆炸。该调制体制引信由于距离截止特性好，抗干扰性能强，成为现代引信体制重要的发展方向之一，世界上各军事强国基于该原理的引信已经投入生产或使用，如装置在中型水面舰艇上的近程、低空、超低空的航空导弹引信，以及用于对付飞机和导弹的地空导弹引信等。文献[5-7]深入分析了伪码调相及其复合调制信号的特性，对它们在测距系统中的应用进行了研究。

调频干扰[8-10]是对雷达、引信干扰的常见样式。文献[11]在忽略多普勒频率的影响下以信干比增益为准则对伪码体制引信的抗噪声调频干扰进行了分析。由于引信和目标之间存在高速相对运动，多普勒频移是客观存在的。文中基于多普勒频率效应的影响，在噪声调频干扰模式下，推导了伪码体制引信接收机的总信干比增益，发现多普勒频率对其抗干扰性能具有重要影响，并在此基础上深入分析了影响该体制引信的抗噪声调频干扰性能的主要因素。

1 伪码体制引信工作原理

伪码体制引信是无线电引信中最常见的一种引信，其工作原理是用伪随机码或PPM伪随机码调制高频载波信号，已调信号经过高功率放大器放大，然后由天线向自由空间辐射。在接收机端，回波信号被引信天线感应到，经过高功率放大后进入带通滤波器，然后进行相干解调，获得基带伪随机码信号；经恒虚警放大处理与本地延迟的PPM伪随机码做相关处理，获得目标距离信息。当弹目距离达到启动阈值时，信号处理器会给出一个起爆信号，引爆弹丸[1，4]。

伪码和PPM伪随机码的波形表达式依次分别为:

2 伪码体制引信接收机噪声在调频干扰下的信干比增益

2.1 伪码调相引信接收机在噪声调频干扰下的信干比增益

在噪声调频干扰下，不失一般性，伪码调相引信接收机模型可以表示成图1结构。

图1 噪声调频干扰下的伪码调相引信接收机模型

弹目交会时，引信天线截获距离为R的目标回波信号，则接收机前端的信号数学表达式为：

Urj(t)=ArSpn(t-τ)cos[(ω0+ωd)t]+Uj(t)

(1)

输入有用信号的平均功率为：

(2)

等号右边第二项为t的高频项，可忽略不计。因此

(3)

(4)

设带通滤波器(BPF)是通带为[f0-1/(2Tm),f0+1/(2Tm)]的理想矩形滤波器，Urn(t)经过这样的BPF，有效调制指数远大于1时，输出的噪声调频干扰Uj(t)的功率谱密度为[9]:

(5)

式中：均方根值fe为fe=kfσ/(2π)，称为有效频偏；ρ(0<ρ<1)为Uj(t)经过BPF的噪声质量因数。

设本地振荡信号为UL(t)=AIcos(ω0t)，AI为本振信号幅度，则相干解调器的输出信号为UI(t)=1/2[ArAISpn(t-τ)cos(ωdt)+AIUcj(t)]。Uj(t)混频时可能出现镜像效应，为此乘以g系数，故Ucj(t)的功率谱密度为GUcj(f)=GUj(f)g，经恒虚警放大限幅处理，输出：Ua(t)=Spn(t-τ)cos(ωdt)+Uh(t)，Uh(t)=Ucj(t)/Ar。

设本地延迟码为Spn(t-τd)，τd取决于伪码调相引信预定的起爆距离，经相关处理，输出RUS(τd)如式(6)所示。

RSS(τd-τ)+RjS(τd)

(6)

当τ=τd，弹目距离达到预设的起爆距离等时，相关器输出最大值，所以

RSS(τd-τ)max=RSS(0)=sinc(pTmωd)

(7)

相关器输出的干扰信号平均功率Jo为：

(8)

当t1-t2=0时，Jo取最大值，Jomax=GUcj(f)/

由此可得相关器输出的峰值信干比为：

c2(pTmωd)/GUcj(f)

(9)

因此伪码调相引信接收机在噪声调频干扰下的总信干比增益为：

exp[(f0-fj)2/(2f2e)]/(ρg)

(10)

2.2 伪码调相与PPM复合引信接收机在噪声调频干扰下信干比增益

在噪声调频干扰模式下，采用同样的理论推导方法，可以得到伪码调相与PAM复合引信接收机的总信干比增益为：

exp[(f0-fj)2/2f2e]/(ρg)

(11)

2.3 伪码体制引信接收机在噪声调频干扰下信干比增益的统一

根据式(10)和式(11)，在噪声调频干扰的情况下，可将伪码调相及其与PPM复合体制引信接收机的信干比增益统一表达为:

exp[(f0-fj)2/(2f2e)]/(ρg)

(12)

当α=1时，为伪码调相引信的信干比增益；当0<α<1时，为伪码调相与PPM复合引信的信干比增益。式(12)是在伪码体制引信的相关接收机的带宽等于发射信号带宽(1/(αTm))下得到的存在噪声调频干扰的信干比增益统一表达式，需要特别强调的是，该信干比增益是在接收机前端未饱和情况下得到的。

3 伪码体制引信抗噪声调频干扰性能的影响因素分析

从伪码体制引信接收机在噪声调频干扰下的信干比增益统一表达式(12)中不难看出：噪声调频对伪码体制引信的干扰效果主要受伪码体制本身的工作参数：伪码序列长度p，子脉冲宽度αTm，载波频率f0；接收机带通滤波器和混频器状况：ρ和g；干扰机的性能：频率瞄准误差Δf=f0-fj，调制噪声的有效频偏fe；弹目交会情况：多普勒频率ωd等因素的综合影响。定义frj=|f0-fj|/fe为相对瞄准偏差，显然0≤|frj|<1有实际意义。图2显示的是α=50%，ρ=0.8，g=0.9，p=63，Tm=100 ns，在噪声调频干扰下，改变多普勒频率和相对瞄准偏差的数值大小时，伪码体制引信接收机的信干比增益的变化规律如图2，下面进行深入分析。

图2 伪码体制引信噪声调频干扰下的信干比增益

①伪码体制引信在噪声调频干扰下，信干比增益与噪声调频干扰经过带通滤波器后的质量因数ρ和混频器的镜像效应g成反比。信干比增益的推导过程中，噪声调频干扰信号是用理想的高斯白噪声调制的，在引信进行相关处理前，ρ和g就是表征干扰信号质量的主要因素，ρ·g值越大，噪声调频干扰信号的噪声质量越高，信干比增益越小，遮盖性干扰的效果越好。所以ρ和g是干扰方所不能决定的，因此在干扰功率为确定值的情况下，可以通过提高调制噪声的噪声质量来提高遮盖性干扰的效果。

②伪码体制引信在噪声调频干扰下，信干比增益与有效调制频偏fe成正比。在干扰功率和引信接收机带宽一定的情况下，增大有效调制频偏反而减小了噪声调频干扰的功率谱密度，从而减小了进入接收机的干扰功率，减弱了噪声调频干扰的干扰效果。

③伪码体制引信在噪声调频干扰下，信干比增益与子脉冲宽度αTm成正比。增大子脉冲宽度的同时也增加了相关器的积分时间，有用信号能量得到了积累，而由于噪声调频干扰是随机信号理想情况下与伪码信号不相关，随着积分时间的延长不会干扰得不到积累。因此增大子脉冲宽度有助于提高噪声调频干扰下的信干比，同时也会带来一个不利的结果——减小了伪码体制引信的距离分辨力。

④伪码体制引信在噪声调频干扰下，信干比增益按相对瞄准频偏frj的平方指数增大。图3仿真了fd=0时的信干比增益G与frj的关系曲线，从图中不难看出，在完全瞄准时的信干比增益最低，即瞄准阻塞式干扰对伪码体制引信起一定的干扰效果。

图3 伪码体制引信信干比增益与相对瞄准误差的关系

图4 完全瞄准时伪码体制引信信干比增益与多普勒频率的关系

另外，通过对Tm=100 ns,α=50%时，p=15,31,63和p=63,α=50%时，Tm=50 ns,100 ns,200 ns的情况进行仿真，结果表明增大伪码序列长度p或子脉冲宽度αTm，在噪声调频干扰模式下，多普勒频率对伪码引信信干比增益G的影响变大；伪码体制引信接收机的信干比增益G随多普勒频率fd的增大总体呈下降趋势，在fd=i/(2αTmp),i=1,2，…的频率点出现极小值；也就是说在这些频率点，伪码体制引信定距出现了盲点。这与噪声调频干扰无关，是伪码引信本身固有的瑕疵。多普勒频率fd=2vrf0/c，所以fd和两个因素的变化有关，弹目径向相对速度vr和引信工作频率f0。由于vr取决于弹目交会状况，为了减弱多普勒频率对伪码引信的影响，可以通过选择伪码引信的应用场合和选择合适的工作频率的方式来达到。

4 结论

通过研究表明，影响伪码引信抗噪声调频干扰性能的主要因素有：引信工作频率、子脉冲宽度、伪码序列长度以及弹目交会状况、干扰信号带宽、干扰信号瞄准误差、噪声调频干扰经过引信接收机带通滤波器后的质量因数以及混频器的镜像效应等，为提高伪码体制引信的抗干扰性能和有效干扰这种体制引信提供了重要理论依据；仿真分析表明瞄准阻塞式干扰对伪码体制引信起一定的干扰效果。