变调制率调频引信双通道相关检测抗数字射频存储干扰方法

陈齐乐， 郝新红， 闫晓鹏， 王雄武

(北京理工大学 机电动态控制重点实验室， 北京 100081)

0 引言

连续波调频引信因结构简单、成本低、定距性能优越，被广泛应用于常规弹药系统[1]。现代战场电磁环境日益复杂，随着电子技术发展和各国对电子战的日益重视， 数字射频存储(DRFM)技术被广泛应用于电子战领域。其通过截获雷达或引信发射信号，并对截获信号进行一定调制实现相干干扰，以DRFM为核心的有源欺骗式干扰对引信构成了严重威胁[2]。针对连续波调频引信，DRFM主要对截获信号作时延和频移调制，其中频移调制DRFM(简称频移DRFM)利用调频引信的距离- 速度耦合特性，能够实现在同一周期内干扰引信[3-8]。

针对频移DRFM干扰，近几年涌现了大量抗干扰方法研究[9-11]。文献[9]提出了分数阶傅里叶变换(FRFT)匹配滤波算法，该方法利用FRFT实现匹配滤波，能够有效分辨真实回波信号和频移DRFM干扰，但该算法需要额外硬件资源，难以在低功耗、小体积条件应用。文献[10]提出了对发射信号作固定频移的抗干扰方法，该方法通过对发射信号作多普勒补偿，但其只针对间歇采样干扰有效。文献[11]通过改变发射波形调制率，利用频移DRFM造成的匹配滤波失配识别干扰，该方法简单易于实现，但目前匹配滤波算法无法应用于引信平台。

本文基于文献[11]，通过交替改变调频引信发射信号的调制率，提出了变调制率调频引信双通道相关检测(以下简称相关检测引信)抗干扰方法。采用快速傅里叶变换(FFT)提取调频谐波峰值包络并结合双通道瞬时相关检测，实现精确定距；综合利用多次谐波信息实现引信抗DRFM干扰；最后，通过数学仿真软件MATLAB仿真验证了该方法的定距及抗干扰性能。仿真结果表明：同传统调频引信相比，变调制率调频引信双通道相关检测抗干扰方法在不增加硬件资源的前提下，可实现精确定距，并能够显著提高引信的抗DRFM干扰性能。

1 频移DRFM干扰下调频引信失效机理

1.1 调频谐波定距原理

以连续波调频引信为研究对象，其工作原理如图1所示。其中，ut(t)表示引信发射信号，ur(t)表示目标回波信号，uid(t)表示混频后包含目标信息的差频信号，m表示谐波次数，fm为调制频率，fd为多普勒频率。

图1 调频引信谐波定距原理框图Fig.1 Block diagram of FMCW fuze

(1)

式中：At表示发射信号幅值；n表示发射信号周期序列号。

(2)

式中：Ar表示回波信号幅值。经混频后，取tn=t-nT，并将幅值归一化，差频信号uid(t)可表示为

(3)

对上述差频信号作FFT，得

(4)

根据(4)式可知，差频信号各次谐波幅度为两个辛格函数叠加。一般情况下，在引信几十米的作用距离范围内，引信回波信号时延远远小于调制周期，即τ≪T，第m次谐波峰值位置同回波信号时延的关系满足：

(5)

若引信预设起爆延时为τ0,根据(5)式可求得其对应谐波次数m0.

调频引信通过带通滤波输出m0次谐波信号m0fm±fd，再经2次混频、低通滤波得到多普勒信号，最后通过多普勒信号包络峰值检波、门限比较等实现定距。

1.2 频移DRFM干扰下调频引信失效机理

DRFM干扰工作原理如图2所示，其先将截获的引信信号下变频，然后对所得中频信号进行滤波并数字化，数字信号经存储后传送至计算机，计算机根据干扰需要对信号施加调制，并将调制后的信号经上变频后发射出去。DRFM主要的调制方式有时延调制和频移调制，其中频移调制利用调频信号的距离- 速度耦合特性，能够避免干扰信号滞后于真实回波信号。

图2 DRFM干扰原理框图Fig.2 Block diagram of DRFM jamming

令DRFM干扰信号的时延为τj，为实现同周期干扰引信，调制频移fjd>0 MHz，干扰信号可以表示为

(6)

式中：Aj表示干扰信号幅值。

干扰信号uj(t)作用下引信差频信号可近似表示为

(7)

差频信号的归一化频谱为

(8)

当干扰信号频移fjd满足

(9)

仍可以使引信第m0次谐波输出包络峰值，其峰值幅度为

(10)

当X(m0fm)大于预设起爆门限时，引信被干扰。

2 变调制率调频引信双通道相关检测抗DRFM干扰方法

2.1 变调制率调频引信双通道相关检测原理

变调制率调频引信双通道相关检测原理如图3所示。其发射信号采用相同调制周期内，不同调制率的锯齿波交替变化进行调频(见图4)；信号处理方法采用FFT提取谐波峰值包络，并结合双通道瞬时相关检测方法实现精确定距。

图3 变调制率调频引信双通道相关检测原理Fig.3 Block diagram of dual channel correlation detection for variable chirp rate FM fuze

图4 变调制率调频引信差频信号Fig.4 Beat signal of variable chirp rate FM fuze

(11)

设目标回波时延为τ，则目标回波信号可表示为

(12)

一般回波时延τ≪T,忽略不规则区域，则目标回波作用下的差频信号可表示为

(13)

真实目标回波作用下，中频信号频谱可表示为

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(14)

若DRFM干扰信号时延为τj，调制频移为fjd,则DRFM干扰信号可表示为

(15)

同样，干扰信号同本地参考信号混频后的差频信号可表示为

(16)

干扰信号作用下的差频信号频谱可表示为

(17)

分析(14)式可知，由于存在两个调制频偏，m次谐波包络存在两个对应不同距离的峰值，但在某一特定弹目距离，双通道m1次和m2次谐波只有一个谐波包络峰值位置重合，因此，可利用该特性，通过双通道谐波包络相关，保证引信定距的唯一性。假设预设起爆时延仍为τ0，则在预设起爆距离处，m1=Δf1τ0，m2=Δf2τ0次谐波同时达到峰值，根据(17)式,频移调制干扰信号通过固定频移无法同时使m1、m2次谐波同时达到峰值，因此综合利用相邻两调制周期的双通道信息，将m1、m2次谐波作瞬时相关从而实现抗频移DRFM干扰的功能。

2.2 引信定距性能

根据(14)式，双通道谐波包络输出信号经瞬时相关后可近似表示为

(18)

2.3 引信抗频移DRFM干扰性能

若DRFM调制频移fjd，根据(9)式，此时m1次谐波达到峰值位置：

(19)

m2次谐波达到峰值位置：

(20)

|τj1-τj2|>τs，

(21)

(22)

此时，干扰作用下引信瞬时相关包络um1×m2(τ)≈0.

3 仿真与分析

3.1 定距性能

仿真参数设置如下：传统谐波定距引信锯齿波调制频率fm=100 kHz，调制带宽Δf=100 MHz；相关检测引信锯齿波调制频率fm=100 kHz，两调制带宽Δf1=100 MHz,Δf2=70 MHz；差频信号采样率fs=20 MHz，弹目相对速度v=500 m/s，预设起爆距离R0=9 m；引信工作距离30～0 m. 未加噪声时，相关检测引信4次谐波、6次谐波及瞬时相关包络输出如图5所示。信噪比SNR=0 dB的高斯白噪声作用下，4次谐波、6次谐波及瞬时相关包络输出如图6所示，其中U为引信谐波幅值。

图5 未加噪声时引信输出Fig.5 Output of fuze without noise

图6 SNR=0 dB时引信输出Fig.6 Outputs of fuze for SNR=0 dB

由图5和图6可知：因存在两个调制频偏，4次谐波峰值及距离分辨力应分别出现在(6±1.5) m处与(8.6±2.1) m处；6次谐波峰值及距离分辨力应分别出现在(9.0±1.5) m处和(12.8±2.1) m处，两谐波峰值在9.0 m处重合，仿真结果与理论值相吻合(见图5(a))。信号处理采用双通道谐波包络瞬时相关检测方法，使得预定起爆位置处的距离相关峰更为陡峭，其他距离处相关检测输出信号被压低为距离旁瓣，从而实现了精确定距，且定距精度决定于较大的调制频偏，其定距精度同谐波定距引信定距精度相当(见图5(b))。从图6可以看出，相关检测引信对噪声有较强的抑制能力，在SNR=0 dB的高斯白噪声条件下仍可以实现精确定距功能，且其对噪声抑制能力强于谐波定距引信。

3.2 抗DRFM干扰性能

以现有调频谐波定距引信为参考，对比分析调频谐波定距方法和相关检测引信二者的抗DRFM干扰性能。引信仿真参数不变，设定干扰调制频移fjd=5.5 MHz，引信飞行距离为100～30 m，调频谐波定距引信及相关检测引信检波输出仿真结果如图7所示。从图7(a)可知，在频移调制干扰作用下，调频谐波定距引信6次谐波包络分别在(91.5±1.5) m处和(73.5±1.5) m处出现峰值，与理论分析一致，引信被干扰；从图7(b)可以看出，相关检测引信4次和6次检波包络均提前出现峰值，其中，6次谐波包络分别在(91.5±1.5) m处和(73.5±1.5) m处出现峰值，4次谐波分别在(88.5±1.5) m处和(76.5±1.5) m处出现峰值(4次和6次谐波包络均来自Δf1)，但两次谐波峰值在任何时刻均不重合，经瞬时相关后输出如图7(c)所示，引信输出包络被压低为距离旁瓣，从而大大提高了引信对抗DRFM干扰性能。

图7 DRFM作用下瞬时相关输出Fig.7 Output of fuze under DRFM jamming

选取抗干扰成功率作为衡量抗干扰性能指标，引信参数设置同上，以表1仿真参数设置干扰，进行500组引信抗干扰仿真。在该仿真条件下，调频谐波定距引信被干扰473次，抗干扰成功率约为5.4%，相关检测引信被干扰67次，抗干扰成功率约为86.6%. 仿真结果表明：同调频谐波定距引信相比，本文所提抗频移DRFM干扰方法能够显著提高无线电引信的抗干扰性能。

表1 仿真参数设置

4 半实物实验验证引信定距性能

利用可编程逻辑门阵列(FPGA)制作引信原理样机信号处理电路，对本文所提抗干扰方法进行半实物验证。引信收发信号采用Simulink模拟，参数同前文所述。仿真生成的差频信号导入任意函数发生器，信号处理电路通过模拟数字转换器采集差频信号，在FPGA中完成128点FFT包络提取定距方法，引信4次和6次谐波及相关输出结果如图8所示。

图8 引信输出Fig.8 Output of fuze

由于存在两个调制频偏，引信4次、6次谐波各有两个包络峰值(见图8(a)和图8(b)),但两谐波只有一个谐波包络峰值位置重合，经相关后出现唯一峰值(见图8(c)),保证了定距唯一性。实验结果表明：本文所提相关检测引信能够实现定距功能，其定距性能取决于频偏较大者。

5 结论

本文在分析调频引信在频移DRFM干扰作用下失效机理的基础上，提出了变调制率调频引信双通道相关检测抗DRFM干扰方法，通过仿真及半实物测试验证了该方法的可行性。得到结论如下：

1)变调制率调频引信通过利用频移DRFM干扰同真实目标回波的差异，在不增加硬件成本的前提下，能够显著提高引信抗干扰效果。

2)变调制率调频引信采用双通道相关检测方式保证了定距唯一性，具有良好的定距性能。

3)本文所设计算法复杂度低，实时性高，能够满足引信需求。