基于Simulink 仿真的无线电引信信号处理器性能退化研究

张星宇，刘迪

（陆军工程大学石家庄校区，河北石家庄，050003）

0 引言

连续波多普勒无线电引信是最早使用的一种无线电引信，其结构简单、体积小、成本低、可靠性高，目前仍被各国广泛使用。其作用原理是采用多普勒效应，利用引信与目标接近时二者间的相对运动，使引信发射机振荡源的信号频率f0与接收机接收到的信号频率f 产生差异，引信接收到的多普勒信号的振幅随弹目距离的减小而增大，从而提取目标信息以在最佳位置起爆[1]。

信号处理器是无线电引信提取目标信息的重要部件，其性能状况直接关系到引信能否在预定位置起爆，发挥毁伤效果。实际运用环境中，引信面对高（低）温、温度变化、振动、冲击等复杂环境应力的影响，电子部件的性能势必会发生变化，出现一定程度的退化甚至失效。因此，采用一定手段对无线电引信性能变化进行分析，并在设计上对其薄弱环节、可能故障点进行加固，具有很强的现实意义。传统的无线电引信性能测试运用专用的仪器设备，通过引信预留接口或插针进行测试，需要对引信进行分解，工作量较大，且获得数据一般只能判断引信是否合格，难以进一步分析。针对这一问题，本文基于Simulink 平台搭建了无线电引信信号处理器系统仿真，并模拟了部件退化对其性能造成的影响。

1 信号处理器工作原理及故障分析

1.1 工作原理

以某型无线电引信信号处理器为例进行分析。该信号处理器的原理方框图如图1 所示，由七个功能电路组成，分别为带通放大器、整流滤波器、采样脉冲产生器、幅度检测电路、增幅速率选择电路、模拟地产生的电路、输出驱动电路。

图1 信号处理器原理方框图

其工作原理为由无线电引信目标检测器输出的信号，通过带通放大器抑制通带以外的信号，保留目标信号（即多普勒信号）后分两路，一路送至整流滤波器，进行全波整流，提取目标信号幅值；另一路送至采样脉冲发生器，将连续波多普勒信号变为脉冲串，用于控制增幅速率选择电路。经全波整流的幅度信号有三个通道，一是送至幅度检测的电路，当该幅度一旦超过设定门限时，幅度检测器会检测出来并输出高电平至与门；二是送至衰减器后分两路，一路输出端形成增幅速率上限检测电路的动态上门限，另一路为增幅速率上限检测电路，当增幅速率超过动态上门限时输出高电平至与门；三是送至积分器后分两路，一路输出端形成动态下门限，另一路送至增幅速率下限检测电路，当增幅速率超过动态下门限时输出高电平至与门。因此，只有当幅度检测、上限幅度检测、下限幅度检测三通道同时输出高电平时，信号处理器才会输出点火脉冲，有效利用了目标信号的幅度、增幅速率等信息，使其具有很好的目标识别能力与抗干扰能力。

1.2 失效模式分析

根据信号处理器的工作原理及各功能电路结构，首先采用FTA 法（故障树分析法）对其可能的失效模式进行分析，如图2。

图2 信号处理器失效树

由失效树可知，各电路中的部分电容、电阻、运算器等的失效都将导致分电路失效，进而影响信号处理器功能，造成其失效。再利用FMECA 法（故障模式影响及危害度分析法）对其失效模式影响影响进行分析，如表1。

表1 信号处理器失效模式及影响分析

通过上述分析可知，信号处理器各电路的部件变化对整体性能存在影响，会造成其退化和失效。但采用FTA 法与FMECA 法分析失效模式过于笼统，只定性地提出了结论却没有直接针对某一部件，导致可操作性与指导性不强，难以运用工程实际。因此，本文结合分析结果，运用Simulink 仿真软件进一步研究。

2 信号处理器仿真模型搭建

针对无线电引信信号处理器仿真模型的搭架，国内学者已经做了大量工作，并在MATLAB 平台[2-4]、Simulink 平台[5-7]、PSPICE 平台[8]、ADS 平台[9]等完成过搭建，本文延续于Simulink 平台搭建信号处理器的思路开展研究。

2.1 输入信号分析

目标探测器输出的信号进入信号处理器，该信号的组成为振荡电路产生的本振信号与目标回波信号混频而成：

其中UL与Ur分别为本振信号的幅值与回波信号的幅值，f 为本振信号的频率，fd为回波信号中多普勒信号的频率。本文研究的某型无线电引信为一种对地引信，根据多普勒定律，可得

式中Vd与θ 分别为引信随弹丸接近地面时的速度与落角，λ0为本振信号波长。同时，回波信号的幅值随下落高度的变化而变化，即

式中，SA为引信自差收发机的灵敏度，D 为天线方向系数，F(φ)为天线的方向性函数，N 为反射系数，H0为引信距离地面的初始高度。

针对特定引信随炮弹的某一次射击过程中，f、Vd、θ、SA、D、F(φ)、N、H0都为确定的常数，只与引信结构和射击诸元有关，因此可通过计算得到输入信号，并用于仿真。

2.2 仿真模型整体设计

根据信号处理器的作用原理以及各分部件工作过程，首先确定仿真模型流程图：

图3 仿真模型流程图

根据确定的流程图，分别构建各分模块。如输入信号由1式、3 式计算结果的两路信号混频而成；如带通滤波可以采用Simulink 预设模块Digital Filter Designer，根据信号处理器特性调整预设参数实现功能；又如全波整流可以通过预设开关模块Relay、Switch 等组合而成实现。将各模块相连，完成信号处理器仿真模型的搭建，如图4。

图4 信号处理器仿真模型

2.3 典型场景仿真及结果

图5 仿真场景

选取火炮对地面射击某一时刻，此时引信随弹丸距离地面高度H0=25m，弹丸飞行速度Vd=800m/s，与地面落角θ=30°，地面反射系数N=0.15，无线电引信本振信号中心频率f=200MHz，其余参数为该型无线电引信设计时的固有参数，场景如图6。

通过将计算得到的回波信号以及本振信号混频后输入仿真模型，开始仿真，过程中部分结果及最终仿真结果如图6至图9 所示。

图6 带通放大器输出信号

图7 全波整流输出信号

图8 采样脉冲信号

图9 仿真最终结果

根据仿真最终结果，点火脉冲出现的时间为仿真开始后0.031s 至0.039s 之间，结合弹体的落速与落角，计算得到此时炸高分布于9.4m 至12.6m 之间。

3 基于仿真模型的失效分析

电子产品的失效模式可分为突发失效与退化失效两种模式[10]。突发失效即产品在某一瞬间其功能完全丧失，如发生了元器件击穿、电路短路、材料断裂等，会直接造成系统功能失效。种类失效通常由于高强度外界应力刺激或产品自身设计缺陷导致，难以预测。退化失效是产品在贮存或使用过程中，性能随时间的延长而逐渐劣化，如电阻阻值漂移、电容数值的改变、线路导电性能的变化等，直至无法正常工作[11]。这类失效无法避免，取决于产品的贮存与工作环境[12]。

由于线路中的电阻、电容器件的性能直接关系到信号处理器各部件参数，且其退化过程易于量化代入仿真模型。因此下文研究电阻、电容性能退化对信号处理器部件及整体的影响。

3.1 采样脉冲发生器

采样脉冲发生器的工作过程为比较器负端相连的RC 并联电路的放电过程。初始状态下比较器正端偏压小于负端，此时比较器输出高电平；负端电压随着RC 电路的放电不断下降，当负端偏压下降到小于正端时，比较器翻转输出低电平，此过程随多普勒频率周期而重复。在正负两端偏压确定的情况下，脉冲宽度只与负端并联的电容、电阻有关。在仿真模型中调整并联RC 电路的等效数值表示其退化过程，选取数值退化+10%、+20%、-10%、20%，于示波器3 中用标尺工具测量采样脉冲变化情况，具体结果见表2。

表2 采样脉冲退化结果

由结果可得，当RC 并联线路等效数值发生增大退化时，采样脉冲变宽；当RC 并联线路等效数值发生减小退化时，采样脉冲变窄。分析点火脉冲变化情况时发现采样脉冲宽度对点火脉冲出现时间及范围无影响，即不影响引信炸高，但直接关系到点火脉冲宽度，过宽会导致受干扰概率增加，过窄会导致无法正常驱动执行级点火。

3.2 速率上限检测电路

幅值增幅速率上限检测运用比较器实现，正端为幅值进行微分后的增幅速率信号，负端为动态上门限。动态上门限的产生通过RC 网络使信号衰减实现，输入网络的信号随着输入信号的增幅速率变大而开始以一定速率衰减，该数值与RC 网络电容、电阻数值有关。分别调整仿真模块中相关RC 网络的等效数值表示其退化过程，选取数值退化+15%、+30%、-15%、-30%，于“仿真结果”示波器中用标尺工具测量各脉冲变化情况，结果如表3。

表3 速率上限检测电路退化结果

由结果可知，当RC 网络的等效数值发生增大失效时，上限脉冲截止时间增加，点火脉冲范围增大，炸高分布加大；当RC 网络的等效数值发生减小失效时，上限脉冲截止时间减少，点火脉冲范围减小，炸高分布变窄，在数值衰减达到-30%时，上限脉冲截止时间T 小于下限脉冲出现时间，此时无点火脉冲产生，造成引信的瞎火。

3.3 速率下限检测电路

对于增幅速率下限检测电路的研究思路与上限电路类似，同样选取数值退化+15%、+30%、-15%、-30%，结果如表4。

表4 速率下限检测电路退化结果

由结果可知，当RC 网络的等效数值发生增大失效时，下限脉冲出现时间增加，点火脉冲范围减小，炸高分布变窄且炸高减小，在数值增加达到+30%时，下限脉冲出现时间T 大于上限脉冲截止时间，此时无点火脉冲产生，造成引信瞎火；当RC 网络的等效数值发生减小失效时，下限脉冲出现时间减小，点火脉冲范围增大，炸高分布加大且炸高增加。

4 结论

本文以某型连续波多普勒无线电引信信号处理器为研究对象，通过分析其结构与作用原理，采用FTA 法与FMECA 法对信号处理器存在的失效模式进行了归纳。针对上述两种方法工程指导性不强的问题，运用Simulink 搭建信号处理器仿真模型，并对一射击场景进行了模拟。基于仿真模型，在相关电容、电阻性能退化的情况下，对采样脉冲发生器、增幅速率上限检测电路、增幅速率下限检测电路进行了仿真，得出了以下结论：

(1）采样脉冲发生器产生的脉冲宽度与比较器负端并联RC 电路的等效数值呈正相关关系；(2）增幅速率上限脉冲的截止时间随动态上门限的控制RC 网络的等效数值的增大右移，减小左移，当左移达到一定程度后会造成引信瞎火；(3）增幅速率下限脉冲的截止时间随动态下门限的控制RC 网络的等效数值的增大右移，减小左移，当右移达到一定程度后会造成引信瞎火。