基于双距离门逻辑判决的冲激引信信号处理方法

杨金钢,张 锐，宋小雄

(西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

信息技术广泛应用于军事领域，使得战争形态从原来的机械化战争逐渐转化为信息化战争，为此战场上陆海空天不同作战平台的干扰机、电磁辐射源、高功率微波武器等设备以及侦察与反侦察，干扰与反干扰，摧毁与反摧毁等技术的应用越来越多，造成无线电引信面临的战场环境日趋恶劣，因此对未来战争武器装备中的引信抗干扰性能提出了更高的要求。

近年来，冲激体制近炸引信凭借其强抗隐身能力、高距离分辨率、精确定距、功耗低、硬件结构简单等优势受到了许多科研单位的关注[1]。文献[2]给出了传统冲激引信信号处理原理框图，传统冲激引信信号处理电路采用了基于抽样积分检测方法来实现对运动目标回波信号的提取[3]，回波信号虽具有距离和速度二维信息，但信号处理方法主要为利用回波能量进行门限判决，使得冲激引信在有源干扰[4]等复杂电磁环境下误输出虚警信号，引起引信早炸。针对冲激引信传统的单距离门抽样积分相关检测进行门限判决的信号处理方法易造成引信在强杂波信号和有源干扰条件下误虚警的问题，本文提出了一种基于双距离门逻辑判决的冲激引信新型信号处理方法。

1 冲激引信传统信号处理原理及方法

1.1 冲激引信传统信号处理原理

冲激引信传统信号处理原理基于雷达动目标检测原理[5]，其采用了一种基于抽样积分检测方法来实现对运动目标回波信号的提取。由于运动目标的多普勒响应[6]表现为接收回波波形的变化，从而导致目标所在的距离通道分布及其每个距离通道的输出波形的变化，而对固定的目标而言，同一个距离通道内输出信号波形则是不变的，通过检测目标回波[7]的这些变化，即可从固定强杂波中检测出目标信号。

假设sr(t)表示冲激引信接收信号则：

(1)

(2)

式中，nc(t)表示冲激引信接收的杂波，R0为目标距离，c为光速。

当发射随机脉位的信号时，接收回波为：

(3)

式(3)中，ti为同分布独立的随机变量。

在等效时间抽样接收机中，抽样脉冲序列为：

(4)

式(4)中，τ为固定延时量，τ=2R0/c。

所以对接收回波的抽样输出信号为：

(5)

显然当v=0时，对于给定的延时量τ，抽样输出的信号和杂波都为等幅的脉冲序列，在输出端无法把信号和杂波分开，如图1所示。

图1 目标固定时抽样接收机的输出波形Fig.1 Output waveform of the sampled receiver when the target is fixed

当v≠0时，杂波的抽样输出仍为等幅的脉冲序列，而信号的抽样点则随时间线性变化，输出信号的包络受到了速度的调制，如图2所示。

图2 目标运动时抽样接收机的输出波形Fig.2 Output waveform of sampling receiver when target is in motion

当满足取样定理时，即可恢复信号，由于目标的回波信号s(t)是一个振荡信号，信号长度短，频谱宽，而等效时间抽样输出信号的包络则被展宽，频谱被压缩。因而对抽样输出信号，通过差分放大，即可得到受速度调制的信号s(2vt/c+τ)，采用门限检测方法即可实现动目标检测,动目标检测原理图如图3所示。同时由于抽样波门在回波信号的每个点上抽样平均了很多次，实现了对有用信号的同步积累并滤除了系统噪声，进一步提升了信号信噪比。

图3 传统冲激引信信号处理原理框图Fig.3 Schematic diagram of signal processing for traditional impulse fuze

1.2 冲激引信传统信号处理方法

冲激引信传统信号处理方法为超宽带接收方法，主要有正交相关接收[8]和距离门抽样相关检测接收两种方式。正交相关接收在硬件和软件上都较为复杂，引信工程实现较困难；而距离门抽样积分进行相关检测接收是结构较为简单和应用较为广泛的冲激引信目标检测方式。距离门抽样相关检测接收的思想是对目标回波进行等效时间互相关抽样接收，参考信号为与发射信号同步的抽样脉冲，抽样脉冲为单极性窄脉冲，脉冲的宽度要符合取样定理的要求。当抽样波门固定时，可获得该距离上目标反射信号值，当抽样波门扫描时，可获得整个目标的信号波形，把获得的信号作为信号检测量，直接与门限条件进行比较。发射信号、距离门及回波信号时序示意如图4所示。时间间隔τ由近炸引信炸高确定，即电磁波在环境中来回传播时间，当引信向着目标运动时，一边发射脉冲信号，一边经固定延时τ后打开距离门检测回波并在回波到来时进行门限检测，同时由于该距离门为纳秒级脉冲，因此可实现高精度定距，且通过调整延时τ还可以实现不同的定距高度，τ=2R/C(R为引信预定炸高)。

图4 发射信号、距离门及回波信号时序波形图Fig.4 Time sequence waveform of transmitting signal, distance gate and echo signal

2 基于双距离门逻辑判决的冲激引信信号处理方法

基于双距离门逻辑判决的冲激引信信号处理原理如图5所示。其由原来的单距离门接收处理改为双距离门接收处理，具体处理方法：接收系统Ⅰ用于探测预先设定远距离R2，接收系统Ⅱ用于探测预先设定近距离R1；由于在弹丸接近目标时，其探测系统回波信号始终为由远及近出现，选通距离门Ⅱ检测远距离R2回波信号Ⅱ，选通距离门Ⅰ检测近距离R1回波信号Ⅰ，发射信号、距离门及回波信号时序示意如图6所示，图中，τⅠ=2R1/C，τⅡ=2R2/C。根据回波信号Ⅰ、回波信号Ⅱ能量判决、时序逻辑判决融合起爆与抗干扰策略后，最终在预设的R1距离处输出近炸起爆信号。

图5 冲激引信基于双距离门逻辑判决信号处理原理图Fig.5 Schematic diagram of decision signal processing based on double distance gate logic

图6 双距离门逻辑判决冲激引信的发射信号、距离门及回波信号时序波形图Fig.6 Emission signal of double-distance gate logic decision impulse fuze,Time sequence waveform of range gate

3 仿真和试验验证

3.1 仿真验证

为了验证基于双距离门逻辑判决的冲激引信信号处理方法的可行性，采用Matlab软件对冲激引信动目标检测进行了仿真，仿真结果如图7所示。为验证该方法的抗有源干扰能力，在信道中增加扫频信号作为模拟干扰源进行仿真。

图7 基于双距离门逻辑判决的冲激引信信号处理方法可行性仿真Fig.7 Signal processing method feasibility simulation of impulse fuze based on logic decision of double distance gate

仿真结果表明，引信在遇模拟干扰源时未输出虚警信号，在预定的近距离高度上输出近炸起爆信号，基于双距离门逻辑判决的冲激引信信号处理方法可行，并具有较强抗有源干扰能力。

3.2 试验验证

采用实验室内成熟的金属板推板试验方法对基于双距离门逻辑判决的冲激引信信号处理方案进行硬件测试，其中预设远距离门在9 m处，近距离门在6 m处。测试结果分别如图8、图9所示。由图可知：在预设9 m远距离处获得回波信号，在预设6 m近距离处获得回波信号，在扫频干扰信号下未输出虚警信号，并在约6 m处实时输出近炸起爆信号。试验验证表明，基于双距离门逻辑判决的冲激引信信号处理方法可行，具有在预设高度实时输出近炸起爆信号和较强抗有源干扰能力。

图8 基于双距离门逻辑判决的冲激引信信号处理方法回波信号实测信号Fig.8 Measured echo signal of impulse fuze signal processing method based on logic decision of double distance gate

图9 基于双距离门逻辑判决的冲激引信信号处理方法起爆信号实测信号Fig.9 Measured detonation signal of impulse fuze signal processing method based on logic decision of double distance gate

4 结论

本文提出基于双距离门逻辑判决的冲激引信信号处理方法，该方法通过对传统冲激引信信号处理中的单距离门接收处理改为双取样距离门接收处理获取双路回波信号，然后利用冲激引信探测目标时，回波信号由远及近先后出现的逻辑特征进行双路回波信号能量判决及具有时序的逻辑判决。仿真和实测验证表明，基于双距离门逻辑判决的冲激引信信号处理方法可行，并具有较强抗有源干扰能力。后续还可通过拓展数字化多距离门进行回波信号多特征量的强逻辑算法分析以进一步提升冲激引信抗干扰和炸点控制能力。