视频数字化脉冲多普勒引信作用距离公式及性能分析

陈泽宇,王雄志,徐元超,沈 莉,涂 建,刘跃龙

(1.海装上海局驻上海地区第六军事代表室,上海 201109；2.上海无线电设备研究所,上海 201109；3.上海目标识别与环境感知工程技术研究中心,上海 201109；4.上海机电工程研究所,上海 201109)

0 引言

脉冲多普勒(pulsed Doppler,PD)引信是最常用最成熟的一种引信体制。PD 引信在实现方式上经历了从较低频段到较高频段,从模拟电路到模拟电路加低频数字信号处理、再到视频数字化处理的发展历程。文献[1]中引信的滤波、放大、检波和电平比较等采用的是模拟电路。文献[2]中引信的处理电路采用是模拟电路加低频数字信号处理电路的实现方式。文献[3-5]中引信的视频信号采用的是全数字化处理。但迄今为止,视频数字化PD 引信的理论分析尚不够完备,也未见到其较准确的作用距离计算公式。本文给出了视频数字化PD 引信的原理框图和作用距离公式,与传统PD 引信原理框图和作用距离公式进行了比较,并对两种作用距离公式的不同之处进行了仿真分析,此外还对视频数字化PD 引信和传统PD 引信作用距离等性能进行了对比分析。

1 传统PD 引信原理与作用距离公式

传统PD 引信是指非视频数字化处理的PD引信。本章叙述了传统PD 引信的工作原理,对引信作用距离的参数进行了分析。

1.1 传统PD引信原理

传统典型的脉冲多普勒引信有天线收发共用和天线收发分开两种基本形式,使用最多的是天线收发分开形式。天线收发分开PD 引信原理框图和PD 引信各级波形如图1和图2所示。

由图1和图2可知,振荡源产生高稳定度低相噪的微波正弦信号,除耦合一部分作为接收机混频器本振外,经过发射开关形成射频发射脉冲信号,经脉冲功放放大后通过功分器由发射天线发射。被目标反射回来的回波脉冲信号携带了多普勒信息,被接收天线接收后至微波接收机(包括接收开关、低噪声放大、混频器和视放),最后输出带多普勒包络的双向视频脉冲信号。经视频开关、带通滤波后形成多普勒信号,再经放大和信号处理电路处理后,形成引信启动信号。

图1 传统PD 引信原理框图

图2 传统PD 引信各级波形图

1.2 作用距离分析

传统PD 引信作用距离公式为

式中:为引信作用距离；为发射功率；为发射天线增益；为接收天线增益；为工作波长；为目标雷达截面积；为发射脉冲在作用距离内落入接收波门的宽度；为玻耳兹曼常数；为绝对温度；为接收机等效带宽；为接收机噪声系数；/为输出信噪比；为发射脉冲重复周期；为接收波门宽度；为系统损耗。

传统PD 引信接收到的回波信号在视频开关后是带多普勒包络的视频脉冲(见图2(h)),经过低频带通滤波,多普勒包络的幅度减小(见图2(g)),信号损失系数为/。噪声通过视频开关后,噪声损失系数为/。相对于相同发射功率、相同天线增益的连续波引信,传统PD引信的信噪比损失系数为

假定作用距离为15 m,为获得较高的信噪比,可取=100 ns,=1 000 ns,=100 ns,则信噪比损失系数0.1,即1/10。也就是,要获得相同的作用距离,PD 引信的脉冲功率是连续波引信连续功率的10倍。同样假定作用距离为15 m,要获得20 m 以下较小的截止距离,可取=30 ns,=1 000 ns,=100 ns,则信噪比损失系数910,即1/≈111。也就是,要获得相同的作用距离,PD 引信的脉冲功率约为连续波引信连续功率的111倍。

2 视频数字化PD 引信作用距离公式与性能分析

传统PD 引信将回波脉冲信号进行低频多普勒滤波后再进行信号处理,而视频数字化PD 引信直接进行视频脉冲采样,避免了回波信号功率的损失,但因处理带宽增大也增加了噪声。本章给出了视频数字化PD 引信作用距离公式,并对视频数字化PD 引信的性能进行了分析。

2.1 视频数字化PD引信作用距离公式

视频数字化PD 引信典型原理框图如图3所示。

图3 视频数字化PD 引信原理框图

由图3可知,视频数字化PD 引信的原理框图与图2所示的传统PD 引信原理框图结构形式相似,但视频开关之后的信号处理有所不同。传统PD 引信在视频开关之后先进行低频带通滤波放大,再进行低频采样和数字信号处理；而视频数字化PD 引信在视频开关之后先进行视频带通滤波放大,再进行视频采样和数字信号处理。

本节对视频数字化PD 引信中的实现方式进行介绍,分析视频数字化对引信作用距离的影响。

设引信作用距离为15 m,发射脉冲和回波脉冲宽度为30 ns,回波信号周期及发射、接收波门周期为1μs,视频接收波门宽度范围为(0～100)ns,视频带通滤波器通带范围为5 k Hz～100 MHz。若视频采样率为100 MHz,则每个视频回波信号周期内可采100点。对于落在视频接收波门内的回波,最多可采11点,即每个视频回波信号周期内最多有11个有效数据落在视频接收波门内。由于回波脉冲宽度为30 ns,故对于落在接收波门内的回波脉冲,至少总能采到1点且不损失脉冲幅度。将每个接收波门周期的相同位置的采样数据编成1组,最多共可获得11组有效数据。这11组可能的有效数据中,至少有1组数据是对落在视频接收波门内的目标回波进行采样获得的。这样的1组数据每1μs只有1点,等效于用低频采样率1 MHz进行采样,避免了传统PD 引信低频滤波造成的视频脉冲包络幅度损失。

而5 k Hz～100 MHz的噪声经过视频开关和5 k Hz～100 MHz视频带通滤波后,时域幅度基本不损失。但由于噪声经100 MHz视频采样并进行数据抽取后,再进行快速傅里叶变换(FFT)分析时会产生噪声折叠,低频等效噪声理论上会增大100倍。最终视频采样相对于低频采样的信噪比增量为(/)/(/)/100≈1.11倍,信噪比增量很小。因此视频数字化PD 引信作用距离公式为

式中:为噪声折叠因子,取值为视频带通滤波器的高端频率与脉冲重复频率的比值。

与式(1)相比,视频数字化PD 引信作用距离公式与传统PD 引信作用距离公式有两处不同。第一处是式(3)中无距离损失因子,是/与/的乘积,/比较直观,而/是噪声经过视频波门后产生的功率损失,需进行仿真验证。第二处是式(3)增加了噪声折叠因子,也需要进行仿真验证。

2.2 视频数字化PD引信性能分析

理论上视频数字化PD 引信与传统PD 引信可以实现相同的性能,只是实现的方式和付出的代价不同。

如果需要有较高的测距精度,传统PD 引信需要有小的发射脉宽,接收波门需分多档,低频接收电路也要分多路进行处理,即采用多路“视频开关+滤波放大电路”的电路形式。而视频数字化PD 引信只需要将高速采集数据进行数字分选和分多路数字处理即可,可以实现硬件的小型化。在这种情况下,视频数字化虽然不能明显提高信噪比,但使引信具有了分档测距的功能。如当发射脉宽较窄且视频采样率为100 MHz时,可以获得1.5 m 的测距精度。这使得引信可以根据不同的距离采用不同的引战延时,从而提高引战配合效率。

传统PD 引信如果要获得分档测距能力,需要设置多路信号处理电路,体积、质量和成本将大幅增加。当然视频数字化的代价是采样率的大幅提高(由1 MHz变为100 MHz)和多路数字信号处理能力。

如果不要求PD 引信有较高的测距精度,只追求高的信噪比或大的作用距离,传统PD 引信一般采用较宽的发射脉冲以提高信噪比,视频数字化PD 引信也会采用较宽的发射脉冲,并采用接收波门采样信号累加的方法提高信噪比。可见,视频数字化PD 引信与传统PD 引信相比,信噪比没有改善,只是实现方式不同。

3 仿真验证

在第2章的论述中,视频数字化PD 引信作用距离公式(式(3))与传统PD 引信作用距离公式(式(1))有两处不同:第一处是式(3)中去掉了距离损失因子,第二处是式(3)增加了噪声折叠因子,二者均需要进行仿真验证。

3.1 噪声经过视频波门后产生的功率损失仿真

在传统PD 引信中,噪声经过视频波门后会产生功率损失,噪声经过视频波门前后引起功率损失的仿真频谱如图4所示。其仿真步骤为:

a)产生(0～300)MHz白噪声,通过(0～400)k Hz低通滤波器进行滤波,然后用1 MHz采样率采样并进行FFT 频谱分析,得到的噪声频谱如图4(a)所示；

b)产生相同的(0～300)MHz白噪声,先通过一个脉冲宽度100 ns、周期1 000 ns的视频开关,再通过(0～400)k Hz低通滤波器进行滤波,然后用1 MHz采样率采样并进行FFT 频谱分析,得到的噪声频谱如图4(b)所示。

图4 传统PD 引信噪声经过视频波门前后引起功率损失仿真图

比较图4(a)和图4(b)可知,图4(a)中噪声信号频谱幅度约为图4(b)中噪声信号频谱幅度的3.1倍,功率差约为10 dB,证明传统PD 引信中白噪声通过视频开关后功率损失10 d B。

在视频数字化PD 引信中,噪声经过视频波门、视频滤波后再视频采样,并不会产生功率损失。视频数字化PD 引信视频波门前后噪声信号时域波形如图5所示。其仿真步骤为:

a)产生(0～300)MHz的白噪声,通过(0～100)MHz低通滤波器滤波后,得到的噪声时域波形如图5(a)所示；

b)产生相同的(0～300)MHz白噪声,先通过一个脉宽100 ns、周期1 000 ns的开关,再通过(0～100)MHz低通滤波器滤波后,得到的噪声时域波形如图5(b)所示。

图5 视频数字化PD 引信视频波门前后噪声信号时域仿真图

经比较可知,图5(a)和图5(b)中两个噪声信号时域波形幅度基本相等,说明经视频开关后,待采样的噪声信号功率未受损失。

3.2 视频数字化引信噪声折叠的仿真

视频信号经视频采样后数据量非常大,一般采用抽取的方法减小数据量,但这样会产生噪声折叠。噪声信号经抽取后导致折叠的频谱仿真如图6所示。其仿真步骤为:

a)(0～100)MHz白噪声用100 MHz的采样率采样(共25 600点)后,每100点抽取1点,共抽取256 点,进行FFT 分析得到的噪声频谱如图6(a)所示；

b)对相同的(0～100)MHz白噪声先进行(0～400)k Hz滤波,再用1 MHz的采样率采样(共256点)并进行FFT 分析,得到的噪声频谱如图6(b)所示。

经比较可知,图6(a)中噪声信号频谱幅度约为图6(b)中噪声信号频谱幅度的10倍。证明视频数字化抽取后噪声幅度比传统PD 引信进行低频滤波、低频采样后的噪声信号幅度大10 倍左右,即频谱折叠后噪声信号功率约增大100倍,亦即噪声折叠因子为100。

图6 噪声折叠仿真图

4 视频数字化PD 引信的另一种实现方式与作用距离公式

采用视频数字化技术设计引信时,如果对信噪比或作用距离要求较高而发射功率受限制,可以牺牲测距精度,将接收波门内的所有采样点的采样值进行累加。例如,当=100 ns,=1 000 ns,=100 ns 时,可将 接收波门 内 的10个采样点的采样值进行累加。当目标回波全部落在接收波门内时,累加后的目标信号幅度是单个采样点的目标信号幅度的10倍,累加后的目标信号功率是单个采样点的目标信号功率的100倍；当无目标回波落在接收波门内时,累加后的噪声功率是单个采样点的噪声功率的10 倍。最终,累加后的信噪比为累加前的10倍,即通过牺牲测距精度实现了信噪比的提高。

这种情况下视频数字化PD 引信作用距离公式为

式中:为有效信号累加的个数。

5 结论

本文通过仿真与分析,给出了视频数字化PD引信两种主要的作用距离公式形式,并对视频数字化PD 引信与传统PD 引信的信噪比等参数进行了对比。视频数字化PD 引信相比传统PD 引信,主要优势是不需要通过多个距离门和多路低频处理电路来获得分档测距性能,有利于引战配合。在发射脉冲很窄而作用距离较大的情况下,相对于传统PD 引信,视频数字化PD 引信可通过高速视频采样、数据抽取和分组获得较高的测距精度,且不影响作用距离。