張紅旗 陳彬 李曉

摘?要：為提高無線電引信的抗干擾能力，本文提出一種V波段的相位編碼脈沖壓縮多普勒引信，綜合采用非大氣窗口波段、脈內(nèi)脈間相位編碼、中頻數(shù)字化、脈沖壓縮及頻域處理等多項技術(shù)，并詳細(xì)介紹了各關(guān)鍵部分的實現(xiàn)方式，并進行了初步的抗干擾性能分析。

關(guān)鍵詞：無線電引信;非大氣窗口;V波段;脈沖壓縮;相位編碼;抗干擾

中圖分類號：TJ43+1文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1673-5048（2020）01-0033-06

0?引言

無線電引信作為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中的重要組成部分，目前廣泛應(yīng)用于對空導(dǎo)彈系統(tǒng)中，如美國的AIM120導(dǎo)彈、“霍克”導(dǎo)彈、“不死鳥”導(dǎo)彈和PAC-1導(dǎo)彈，法國“海響尾蛇”導(dǎo)彈，意大利“阿斯派德”導(dǎo)彈，俄羅斯S-300PMU1系統(tǒng)和48N6E導(dǎo)彈、S-300V系統(tǒng)9M82導(dǎo)彈、道爾M1系統(tǒng)9M330導(dǎo)彈等[1]，并且在今后相當(dāng)長的時間內(nèi)，仍將是導(dǎo)彈引信的主要類型之一。

隨著新電子對抗技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)彈面臨的戰(zhàn)場環(huán)境從簡單環(huán)境到復(fù)雜環(huán)境發(fā)展[2]，靈巧性的有源干擾威脅日增[3]，無線電引信將面臨日趨惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境。因此，必須采取更多手段和措施，從頻段、體制、工作模式、信號處理等多個方面提高無線電引信的生存能力。

強烈的大氣衰減使得V波段具有天生的抗有源干擾優(yōu)勢，特別適合引信等近程探測設(shè)備。隨著5G通信技術(shù)的發(fā)展，60 GHz頻率（V波段）得到了廣泛的關(guān)注，有理由相信，器件、材料和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，必將極大促進V波段在無線電引信中的應(yīng)用。目前國內(nèi)V波段引信研究多采用FMCW體制，由于器件水平、大氣衰減等因素限制，難以滿足引信對巡航導(dǎo)彈、無人機等小目標(biāo)的高靈敏度探測需求，為此，本文提出了一種相位編碼脈沖壓縮V波段脈沖多普勒引信，在提高引信抗干擾能力的同時確保高靈敏度探測。

1?引信方案選擇

1.1?波段選擇

當(dāng)雷達工作頻率和清潔大氣中的水蒸氣和氧氣分子的共振頻率相同或相近時，雷達能量會出現(xiàn)大幅衰減，圖1所示為不同頻率的無線電波在大氣中的衰減特性[4]。

由圖1可以看出，由于大氣中的氧分子有磁偶極矩，在毫米波段有一組諧振線，衰減因子隨之成倍增長，與其他窗口頻段相比，要高一到兩個數(shù)量級。兩個O2強吸收峰，分別對應(yīng)60 GHz（5 mm）和118.8 GHz（2.5 mm），相比而言，60 GHz（5 mm）的衰減更為強烈。

強烈的大氣衰減使得60 GHz（V波段）在遠(yuǎn)程探測上不能應(yīng)用，因此預(yù)警機、電子干擾機以及導(dǎo)引頭、數(shù)據(jù)鏈等遠(yuǎn)距離工作的設(shè)備均不在V波段工作，而對于引信等近距離探測設(shè)備，該波段的大氣吸收衰減對探測影響極小，可以忽略，因此選擇電磁環(huán)境干凈的V波段，具有天生的抗有源干擾優(yōu)勢[5]。

相比目前引信常用的Ka波段，V波段具有以下特點：

（1）V波段在空間遠(yuǎn)距傳輸時衰減更大，很難遠(yuǎn)距離截獲和偵收引信的發(fā)射信號，且干擾引信需要的功率更大，而由于器件技術(shù)限制，目前尚無有效的有源干擾;

（2）V波段波長更短，天線及收發(fā)系統(tǒng)易實現(xiàn)小體積，有利于在導(dǎo)彈等空間受限的設(shè)備上使用，易于實現(xiàn)高增益的窄天線波束，角度分辨率高;

（3）V波段頻率高，易于在較低的相對帶寬條件下實現(xiàn)大的絕對信號帶寬，有利于實現(xiàn)高距離分辨，以獲取更豐富的目標(biāo)信息;

（4）V波段頻率更高，因此不同徑向速度動目標(biāo)之間的回波多普勒頻率差別較大，有利于目標(biāo)速度的分辨;

（5）目前多數(shù)隱身頻段一般小于20 GHz，極少部分納米吸波材料[6]可達到50 GHz，對于頻率高達60 GHz的V波段探測難以實現(xiàn)有效的隱身。

隨著V波段設(shè)計技術(shù)的發(fā)展[7-10]，其已經(jīng)具備了在引信中應(yīng)用的基礎(chǔ)，本文在工程中突破了V波段高增益彈體共形天線、快速相位調(diào)制、低損耗同軸微帶饋電轉(zhuǎn)換、高隔離度收發(fā)集成等關(guān)鍵技術(shù)，并完成了樣機研制工作。

1.2?工作體制選擇

由于脈沖多普勒體制可同時獲得目標(biāo)的速度和距離信息，因此在無線電引信中得到了廣泛的應(yīng)用。但簡單的等寬等周期調(diào)制脈沖多普勒引信存在易產(chǎn)生距離模糊、易受干擾等缺點，因此在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了隨機脈位脈沖序列、隨機二相碼脈沖序列和隨機脈位隨機二相碼脈沖序列調(diào)制的引信，其發(fā)射信號是被隨機噪聲調(diào)制的載波信號，具有低截獲概率的特點，大大提高了脈沖多普勒引信在復(fù)雜干擾環(huán)境下的抗干擾能力[11]。

本文選擇脈內(nèi)和脈間偽隨機碼0 /π調(diào)相脈沖壓縮多普勒體制，其主要特點是每個周期發(fā)射脈沖內(nèi)部的編碼具有良好的自相關(guān)特性，經(jīng)脈沖壓縮后可獲得較高的脈壓增益和距離分辨能力，同時不同周期間的編碼不相關(guān)，有助于解決距離模糊和提高抗有源干擾能力。

2?系統(tǒng)組成

本文設(shè)計的V波段脈沖多普勒引信由天饋單元、收發(fā)組件、信號處理機、二次電源等組成，如圖2所示。

圖中，天饋單元包括間隔90°均勻分布排列的四根天線及射頻電纜，采用雙發(fā)雙收方式工作，完成對射頻脈沖信號定向的發(fā)射和接收;V波段收發(fā)組件的發(fā)射部分包括V波段振蕩源、脈沖調(diào)制、相位調(diào)制、功放等，接收部分包括接收開關(guān)、LNA、混頻、中放等;信號處理機由A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA及接口電路等組成，實現(xiàn)對中頻信號數(shù)字化、脈沖壓縮、旁瓣抑制、加權(quán)測距、CFAR目標(biāo)檢測，同時負(fù)責(zé)產(chǎn)生相位編碼信號、收發(fā)時序控制（PA/A/B信號控制）等。二次電源對引信供電進行二次變換，輸出引信所需的各路直流電壓。

3?關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)

3.1?天線

引信天線通常采用窄波束、高增益、低旁瓣天線，要求發(fā)射天線、接收天線方向圖為空心圓錐體，在導(dǎo)彈圓周截面內(nèi)，輻射無方向性，即E面方向圖近似圓形;在縱截面內(nèi)，定向輻射，即H面天線主波束與彈軸方向成預(yù)定夾角、波束寬度窄、副瓣電平低等，以實現(xiàn)側(cè)向環(huán)視探測。

為滿足天線要求，采用了長槽漏波波導(dǎo)天線。該型天線輻射效率高、方向圖優(yōu)良，克服了半波長縫隙陣列天線頻帶窄的弱點，能夠滿足空空導(dǎo)彈對天線的指標(biāo)要求[10]。仿真獲得的天線方向圖如圖3所示，波束傾角為68°，波束寬度仿真為3°。

天線體采用波導(dǎo)饋電，利用非標(biāo)波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換完成與射頻電纜的連接，通過低損耗同軸電纜實現(xiàn)電磁波的饋送，使安裝更適應(yīng)工程化要求。

3.2?收發(fā)組件

V波段收發(fā)組件的功能框圖見圖4。

相參頻率源以高穩(wěn)晶振為基準(zhǔn)，利用數(shù)字鎖相技術(shù)等，產(chǎn)生兩路頻率相差fIF的V波段信號，分別作為發(fā)射信號和本振信號，并同時產(chǎn)生一路相參頻率源，作為AD和信號處理的時鐘。0/π調(diào)相器由兩級高速單刀雙擲開關(guān)通過開關(guān)線形式產(chǎn)生，載波抑制度可以達到30 dB以上。末級放大器采用GaN功放，有效輸出功率可以達到1 W。

組件采用密封結(jié)構(gòu)，通過同軸-波導(dǎo)-微帶的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進行饋電轉(zhuǎn)換，見圖5，優(yōu)化后的插入損耗小于0.5 dB，避免了強不連續(xù)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，對裝配的要求降低，適合工程裝配的要求。

3.3?信號處理機

信號處理機的主要功能包括AD采樣、數(shù)字下變頻、脈沖壓縮、旁瓣抑制、時頻域轉(zhuǎn)換、速度距離信息提取、目標(biāo)識別等。

收發(fā)組件采用超外差式架構(gòu)，因此信號處理機通過高速ADC在中頻上進行帶通采樣[12]，并進行數(shù)字正交下變頻，獲得I、Q兩路基帶信號。

脈沖壓縮處理一般包括時域卷積法和頻域相乘法兩種，其本質(zhì)是相同的[13]。一般運算量大宜采用頻域快速卷積法以減少運算量。引信0/π二相碼調(diào)制序列較短，濾波器系數(shù)為1或-1，采用圖6所示的橫向FIR濾波器實現(xiàn)時域卷積更為簡捷。

巴克碼是一種理想的脈沖壓縮信號，其自相關(guān)函數(shù)的主旁瓣比與其壓縮比相等，即為碼長N， 且具有均勻的旁瓣。本文選擇13位巴克碼進行脈內(nèi)編碼，其序列可表示為{+++++--++-+-+}，脈沖壓縮后的信號波形見圖7 。

可見13位巴克碼經(jīng)過脈沖壓縮后的形狀，與其自相關(guān)函數(shù)一致，峰值為13，即脈沖壓縮比為13，峰值旁瓣比為22.3 dB。

選擇經(jīng)典的二階RG濾波器進行旁瓣抑制，旁瓣抑制后信號見圖8，峰值為11.9（損失0.77 dB），峰值旁瓣比為45.8 dB[14]，提高了20 dB以上。

兩路基帶信號進行脈沖壓縮和旁瓣抑制后，數(shù)據(jù)進行重排，以二維矩陣的形式存入RAM內(nèi)，每個周期存入不同的行，完成一幀信號的存儲后，按列進行FFT，獲得目標(biāo)的距離-速度二維分布，其中距離分辨力取決于脈壓后的脈沖寬度，速度分辨力取決于積累的脈沖數(shù)。

本文設(shè)計的V波段脈沖多普勒引信采用13位巴克碼0/π相位調(diào)制、橫向FIR濾波器時域脈壓、二階RG濾波器旁瓣抑制，對9 m處RCS為0.01 m2金屬球目標(biāo)的回波信號見圖9，其在距離維和速度維的切片見圖10，可見所測得的距離為8.75 m，多普勒頻率為54.69 kHz，并且可以根據(jù)距離和速度兩個維度上的特征進行目標(biāo)識別和抗干擾。

通過CFAR判據(jù)獲得目標(biāo)的速度、距離信息，結(jié)合多次檢測的關(guān)聯(lián)性，并與彈載計算機提供的制導(dǎo)信息綜合決策，進行目標(biāo)識別、引戰(zhàn)配合等。

4?抗干擾性能分析

雷達設(shè)計中通常采用雷達模糊函數(shù)來確定特定波形的距離和多普勒分辨率。雷達模糊函數(shù)定義為[15]

式中：u（t）表示發(fā)射（和接收）波形的復(fù)包絡(luò);t′表示時延;fd表示多普勒頻移。以脈內(nèi)13位巴克碼、脈間127位M序列0/π調(diào)相信號為例，在Matlab中進行仿真，得到此波形的模糊圖見圖11。

模糊圖主峰尖銳，說明該體制具有良好的距離、速度分辨率，能夠有效降低引信距離副瓣，避免了測距模糊和距離副瓣干擾，同時具有低截獲特性，使敵方偵察、復(fù)制、轉(zhuǎn)發(fā)困難。

同時，相對于目前常用的微波段引信，V波段引信具有抗有源干擾的波段選擇優(yōu)勢。對于引信這種近距、瞬時探測系統(tǒng)，威脅較大的是轉(zhuǎn)發(fā)式和阻塞式干擾，其中轉(zhuǎn)發(fā)式干擾需要偵收到引信的發(fā)射信號?？紤]衰減時干擾機偵收到的引信功率為

式中： Pt為引信發(fā)射功率，取1 W;Gt為引信發(fā)射天線增益，取14 dB;Gr為干擾機偵收天線增益，取5 dB;λ為工作波長;R為引信與干擾機間的距離;δ為無線電波單程傳播衰減（dB/km），標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，V波段取為16 dB/km，X波段忽略不計。此時可以得到不同距離處干擾機偵收到引信功率見表1。

目前干擾機的偵收靈敏度一般為-80 dBm，則對于X波段引信，主瓣偵收距離為5 km。對于V波段的引信，和X波段相比功率衰減快，對應(yīng)的偵收距離為500 m。由于引信的主瓣寬度很窄，在彈目高速運動的情況下，干擾機難以對準(zhǔn)引信的主瓣，當(dāng)主副瓣電平比為25 dB時，干擾機只有在50 m時才能偵收到引信信號。

可見，V 波段引信具有良好的射頻隱身性能，干擾機難以在遠(yuǎn)距離偵收到引信信號，同理也難以遠(yuǎn)距離形成有效的阻塞干擾，再加上采用脈內(nèi)脈間調(diào)相的脈壓體制，直接干擾要求高、難度大。

5?結(jié)?束?語

本文將非大氣窗口的V波段與先進的相位編碼脈沖壓縮體制相結(jié)合，提出了適合引信使用的實用化方案，綜合采用頻段、體制、工作模式、信號處理等手段，提高了無線電引信的抗干擾能力，并克服了V波段目前探測能力相對較低的缺點。經(jīng)試驗驗證，對于解決探測能力、距離分辨力、抗干擾能力間的矛盾具有重要的意義，其總體及單項技術(shù)在新一代中距攔射型、近距格斗型和遠(yuǎn)程型空空導(dǎo)彈中，都具有很廣闊的應(yīng)用前景。

需要說明的是，由于巴克碼碼長限制，脈沖壓縮增益較為有限，因此需要進一步優(yōu)選適合引信使用的編碼形式，在滿足峰值旁瓣比前提下獲得更高的脈沖壓縮增益。

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