李楚寶,黃 輝,袁久興,任俊峰,李新文
(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所,陜西 西安 710065)
近些年來隨著武器裝備的發(fā)展,針對(duì)于無線電調(diào)頻引信高精度分檔定高以及抗干擾方面的需求也日見突出,通過對(duì)差頻信號(hào)中相對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行距離-速度聯(lián)合估計(jì)的信號(hào)處理方法,能有效實(shí)現(xiàn)高精度分檔定高以及抗干擾處理??垢蓴_處理包含了在干擾條件下不誤動(dòng)作及在干擾條件下能夠進(jìn)行定高兩方面內(nèi)容,通過距離變化-速度比對(duì)能夠在大部分干擾條件下實(shí)現(xiàn)干擾信號(hào)的識(shí)別,當(dāng)有效獲得距離-速度信息時(shí)可以通過估計(jì)的方法在干擾時(shí)進(jìn)行高度估計(jì)實(shí)現(xiàn)干擾條件下的定高,關(guān)于抗干擾處理方面內(nèi)容的本文不做詳細(xì)論述。
傳統(tǒng)無線電調(diào)頻引信的信號(hào)處理方法多采用一個(gè)或兩個(gè)固定的距離通道上的多普勒信息進(jìn)行定距處理,該方法不能進(jìn)行距離-速度聯(lián)合估計(jì)[1-2]。文獻(xiàn)[3]介紹了利用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度大范圍測距的方法,但該方法不能提取差頻信號(hào)中的多普勒信息,不能實(shí)現(xiàn)距離-速度聯(lián)合估計(jì)。文獻(xiàn)[4]介紹了利用不同時(shí)間段差頻和多普勒信號(hào)進(jìn)行混頻抑制調(diào)頻引信多普勒信號(hào)的方法,該方法不能實(shí)現(xiàn)距離-速度聯(lián)合估計(jì)。文獻(xiàn)[5]介紹了利用采用分?jǐn)?shù)階傅里葉變換實(shí)現(xiàn)小調(diào)制帶寬高精度測距的方法,該方法同樣不能實(shí)現(xiàn)距離-速度聯(lián)合估計(jì)。上述文獻(xiàn)中介紹的調(diào)頻引信信號(hào)處理方法均不能解決無線電調(diào)頻引信差頻信號(hào)中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)距離、速度信息連續(xù)同時(shí)測量的問題。本文針對(duì)無線電調(diào)頻引信信號(hào)處理難以解決連續(xù)同時(shí)獲取目標(biāo)距離、速度信息的問題,提出了基于二維DFT變換的調(diào)頻引信處理方法。
無線電調(diào)頻引信由于結(jié)構(gòu)簡單、距離截止能力強(qiáng)易于實(shí)現(xiàn),廣泛用于無線電引信系統(tǒng),其原理框圖如圖1所示。
圖1 三角波調(diào)頻多普勒引信原理框圖Fig.1 Principle block diagram of triangular wave FM doppler fuze
根據(jù)圖1的原理框圖可以得到三角波調(diào)頻差頻的瞬時(shí)相位[6-8]關(guān)系為式(1),圖2為差頻信號(hào)瞬時(shí)頻率示意圖。
(1)
式(1)中,ω0為載頻,α=2πΔfm/Tm為調(diào)制斜率,Δfm為調(diào)制頻偏,Tm為調(diào)制周期,Ed為差頻信號(hào)幅度(同目標(biāo)距離、目標(biāo)的后向散射系數(shù),接收增益有關(guān)),τ=2r/c為目標(biāo)到引信探測器之間的延遲時(shí)間,r為目標(biāo)到引信探測器之間距離,c為光速。
圖2 三角波調(diào)頻差頻時(shí)-頻關(guān)系Fig.2 Time-frequency relation of triangular wave FM difference frequency
二維DFT是對(duì)二維矩陣進(jìn)行離散傅里葉變換,設(shè)f(x,y)是在空間域上等間隔采樣得到的M×N的二維離散信號(hào),x和y是離散實(shí)變量,u和v為離散頻率變量,則二維DFT變換對(duì)一般地定義為:
u=0,1…,M-1;v=0,1…,N-1
(2)
三角波調(diào)頻差頻信號(hào)中存在著運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離信息及運(yùn)動(dòng)信息(多普勒信息),為了方便描述我們引入快時(shí)間、慢時(shí)間的概念,并對(duì)式(1)進(jìn)行快、慢時(shí)間的變換和推導(dǎo)得出在不同時(shí)間尺度描述條件下差頻瞬時(shí)頻率的特性??鞎r(shí)間對(duì)應(yīng)的是一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)的時(shí)間,表征的是調(diào)制周期內(nèi)的距離信息。慢時(shí)間為不同調(diào)制周期對(duì)應(yīng)的時(shí)間,表征的是運(yùn)動(dòng)信息(多普勒信息),根據(jù)式(1)增加快、慢時(shí)間參數(shù)可得到式(3):
(3)
圖2中1,2,4,5部分頻率在快時(shí)間內(nèi)是變化的,稱為不規(guī)則區(qū),通常情況下不規(guī)則區(qū)的時(shí)間很短一般進(jìn)行忽略,分別對(duì)3,6部分相位求導(dǎo)可以得到差頻在快時(shí)間-慢時(shí)間描述下的瞬時(shí)頻率。
差頻的瞬時(shí)頻率:
(4)
式(4)中,λ為中心頻率對(duì)應(yīng)的波長,V為目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度,4Δfmr(tn,Tn)/c為差頻中距離頻率,2V/λ為差頻中的多普勒相位,φ1(tn,Tn)=V(αTm/2+2αtn-2ατ)/πc為剩余相位,φ2(tn,Tn)=V(2αtn-2ατ-αTm/2)/πc為剩余相位,且|φ1(tn,Tn)| 對(duì)差頻信號(hào)進(jìn)行二維DFT變換的基本原理就是利用差頻信號(hào)包含的目標(biāo)距離速度信息通過二次DFT變換分別對(duì)距離維和速度維的進(jìn)行提取,該過程等同于對(duì)差頻信號(hào)一維信號(hào)空間域變換成二維信號(hào)后進(jìn)行二維離散DFT變換。 設(shè)差頻一維信號(hào)為[Ud(t1,T1),…,Ud(tM,T1),…,Ud(t1,TN),…,Ud(tM,TN),…],其中,M為離散采樣數(shù)據(jù),N為調(diào)制周期。 差頻信號(hào)的二維DFT變換具體步驟如下: 1)將一維差頻信號(hào)M×N長度的數(shù)據(jù)變成二維離散矩陣: 2)對(duì)二維離散矩陣采用式(2)進(jìn)行二維DFT變換得到一個(gè)二維復(fù)信號(hào)矩陣: 3)對(duì)Y的元素求模,|y(ui,vj)|為距離vj、多普勒頻率ui對(duì)應(yīng)的能量: 4)重復(fù)對(duì)一維差頻信號(hào)進(jìn)行步驟1),2),3),可以得到不同時(shí)刻,不同距離對(duì)應(yīng)的多普勒信號(hào)的能量。 為了驗(yàn)證基于二維DFT變換的調(diào)頻引信信號(hào)處理方法能夠利用調(diào)頻引信差頻信號(hào)進(jìn)行動(dòng)目標(biāo)距離-速度聯(lián)合估計(jì),利用K波段調(diào)頻探測器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的目標(biāo)特性測試,通過數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,使用Matlab軟件對(duì)數(shù)據(jù)記錄儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。 K波段(12 mm)調(diào)頻探測器調(diào)制參數(shù):三角波調(diào)頻、調(diào)制頻率fm=200 kHz、調(diào)制帶寬Δfm=160 MHz。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)為直角邊長0.2 m的角反射體,運(yùn)動(dòng)速度為1 m/s。數(shù)據(jù)記錄儀采樣率為20 Mb/s。 為模擬高速條件下算法性能,采用數(shù)據(jù)分裂合并的辦法將運(yùn)動(dòng)速度等效提高300倍,模擬速度V=300 m/s條件下差頻信號(hào),然后把加速后的差頻信號(hào)轉(zhuǎn)變成二維矩陣M×N的數(shù)據(jù)(列向量長度M=100,行向量長度N=100),對(duì)二維矩陣進(jìn)行二維DFT變換仿真得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的距離-速度-能量關(guān)系,如圖3所示。其中,X軸為距離信息,Y軸為多普勒信息(速度),Z軸能量信息,通過獲取有效速度范圍內(nèi)的最大能量對(duì)應(yīng)的距離、速度信息夠獲取進(jìn)行運(yùn)動(dòng)目標(biāo)距離-速度聯(lián)合估計(jì)。當(dāng)對(duì)二維矩陣進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新后,可以得到連續(xù)的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離-速度聯(lián)合估計(jì),如圖4所示。 圖3 某時(shí)刻二維DFT變換的距離-速度-能量圖Fig.3 Distance-velocity-energy diagram of two-dimensional DFT transform at a time 圖4 動(dòng)目標(biāo)距離-速度聯(lián)合估計(jì)Fig.4 Joint range-velocity estimation of moving target 仿真結(jié)果分析見表1所示,數(shù)據(jù)刷新率同調(diào)制頻率fm相同為200 kHz,多普勒頻率理論值為50 kHz,多普勒測量精度pf=fm/N為2 kHz,測量多普勒范圍在精度范圍以內(nèi),理論測距分辨率pr=c/4Δfm為0.468 75 m,實(shí)際測距分辨率和位長有關(guān),此次仿真驗(yàn)證采用離線處理,故測量測距分辨率同理論測量分辨率。 表1 仿真結(jié)果分析表Tab.1 Analysis table of simulation results 仿真結(jié)果表明,基于二維DFT變換的調(diào)頻引信信號(hào)處理方法能夠利用無線電調(diào)頻引信系統(tǒng)的差頻信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)目標(biāo)距離-速度聯(lián)合估計(jì)。 本文提出了基于二維DFT變換的調(diào)頻引信信號(hào)處理方法。該方法把無線電調(diào)頻引信的一維差頻信號(hào)變換為二維矩陣,然后對(duì)二維矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行二維DFT變換,通過二維DFT變換后的二維頻域信息聯(lián)合估計(jì)差頻信號(hào)中的距離、速度信息。仿真試驗(yàn)表明,該方法能夠利用無線電調(diào)頻引信差頻信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)目標(biāo)距離-速度聯(lián)合估計(jì),為無線電調(diào)頻引信實(shí)現(xiàn)高精度分檔裝定,干擾信號(hào)識(shí)別提供了一種技術(shù)途徑。3 仿真驗(yàn)證
4 結(jié)論