毫米波近炸引信數字化信號處理器

王輝輝，付學斌，張 珂

（1.西安電子工程研究所，陜西 西安710100；2.西安機電信息技術研究所，陜西 西安710065）

0 引言

無線電引信是一種利用無線電波獲取目標信息而作用的近炸引信，其作用原理是在預先設定的探測距離處引爆戰斗部，提高殺傷力［1］。線性調頻連續波（LFMCW）體制的數字調頻式毫米波近炸引信具有近距離測量精度高、頻帶寬、多普勒分辨力高、全天候工作能力好的優點，因此在智能彈藥系統中具有很好的應用前景［2-3］。LFMCW 近炸引信的高度信息表現在差拍信號的頻譜上，通過頻譜分析來獲取高度信息［4-5］，因此頻率分析的精度直接影響著高度測量的精度。傳統數字調頻式毫米波近炸引信采用快速傅里葉變化（FFT）處理來獲取距離譜［6］，但是FFT 方法的頻率分辨率受采樣頻率和處理點數的限制，采樣頻率過低則回波中包含目標信息較少，處理點數多一方面造成系統處理時間較長，不具備好的實時性，另一方面單純的增加處理點數并不能增加有效的高度譜信息。雖然復調制快速傅里葉變化方法（Zoom-FFT）可在不降低頻率分析范圍的情況下實現局部頻譜細化［7］，但此種方法為了保持數據量不變，選抽率的多少就決定了算法需要擴充數據的倍數。在近炸引信平臺，數據量的增加意味著需要較長的處理時間，這同樣會減弱引信系統的實時測高能力。

針對傳統毫米波數字信號處理器距離分辨率不高、處理時間長、實時性差的缺點，本文設計了毫米波近炸引信信號處理器。

1 調頻法測距原理

LFMCW 體制引信易實現較高的距離分辨力、不存在距離盲區、信號能量大、結構簡單等特點，同時對稱三角LFMCW 的對稱性使它具有獨特的優越性［8］，因此該引信系統采用對稱三角線性調頻連續波信號，進行近程實時精確測高。發射信號的頻率按周期性三角波的規律變化，圖1為發射信號和目標回波信號的頻率示意圖，ft是發射機的高頻發射頻率，它的平均頻率是f0，f0的變換周期為Tm，通常Tm為數百分之一秒。fr為從目標的回波頻率，它和發射頻率的變化規律相同，但在時間上滯后tR，tR=2R／c。發射頻率調制的最大頻偏為±0.5ΔFm，fb為發射和接收信號間的差拍頻率。

圖1 三角調頻連續波測距原理Fig.1 The principle of target range based on the symmetrical triangular frequency modulation continuous wave（STMFCW）

目標距離為R，則發射頻率ft和回波的頻率fr為：

因此差頻fb為：

在調頻的下降段，df／dt為負值，fr高于ft，但二者的差頻仍如上式。對于一定距離R 的目標回波，除去t軸上很小一部分2R／c以外（這里差拍頻率急劇地下降到零），其它時間差頻是不變的。若用頻率計測量一個周期內的平均差頻率fbav，可得到：

實際工作中，應保證單值測距且滿足：Tm?2R／c，因此平均差頻率為：

從而得到目標距離：

運動目標情況下發射信號及運動目標回波信號簡單示意圖1（b）所示，運動目標的回波和發射信號相比有一個多普勒頻移，這樣在信號和回波經過差拍運算后上掃頻段減去多普勒頻移，下掃頻段加上多普勒頻移。當反射回波來自運動目標，其距離為R 而徑向速度為v 時，其回波頻率fr為：

其中fd為多普勒頻率，正負號分別表示調制前后半周正負斜率的情況。當fd＜fbav時，得出的差頻為：

則目標距離為：

因此只要將回波信號與發射信號做混頻得到差拍信號，對差拍信號進行采樣變換，再利用FFT 進行頻域分析進而得到差拍信號在上掃頻段和下掃頻段的頻率，就可以得到單個目標的位置和速度信息。

2 毫米波數字信號處理器

2.1 毫米波近炸引信系統結構

該毫米波引信結構如圖2所示。本系統采用雙天線結構，收發分置，收發天線之間通過環形器進行隔離，整個天線系統的增益為60dB。信號處理機采用數字化結構，由可編程邏輯門陣列（FPGA）產生一個同步周期的方波觸發信號（觸發信號周期為1μs）。該信號觸發產生對稱三角線性調頻連續波信號，該三角LFMCW 在正頻率和負頻率段的時間寬度都為1μs。在發射端，由同步信號觸發產生的LFMCW 信號經過發射通道后由發射天線進行發射；在接收端，目標回波信號（對于引信目標為大地）由接收天線進行接收，經過接收通道處理后得到差頻信號。差頻信號送入信號處理機，由信號處理模塊的AD 采樣后得到數字化的差頻信號，在FPGA對該差頻信號進行目標檢測處理。為防止誤動，本引信系統需要檢測出兩個距離信息，預起爆距離R1和起爆距離R，并且R1＞R。在預起爆信號輸出有效的情況下檢測到起爆距離后，才輸出最終起爆信號，這樣能有效地防止誤啟動。

2.2 數字信號處理器軟件設計

數字引信信號處理器的軟件處理流程如圖3所示，首先進行12位AD 采樣，將模擬差頻信號數字化，AD 工作時鐘選定為50 MHz。為了實現后端的MTD 相參積累處理，需要保證每個觸發脈沖內的AD 采樣數據對齊，因此用同步觸發信號做觸發來存儲AD 數據，從而保證數據能夠對齊。

圖2 系統設計框圖Fig.2 Structural schematic diagram of the system

圖3 軟件設計流程圖Fig.3 The software flow-process diagram

脈壓處理采用FFT 實現，由于采樣同步觸發脈沖為1 MHz，因此正頻率和負頻率在一個同步脈沖內時間都為1μs，為了提高距離分辨率，需要調高FFT 處理的點數，考慮到FPGA 的工作時鐘150 MHz，因此選擇128 點的FFT 來實現脈壓處理。距離單元和FFT 點對應的關系為：

脈壓完成后得到的128點數據分別代表不同的頻率，不同的頻率信號就對應不同距離的回波信息，因此將脈壓以后對應的預起爆距離R1和起爆距離R 的數據進行存儲，并對這兩個距離單元的數據進行重排，使得前后多幀同一距離單元的數據對齊，然后對同一距離單元的脈壓數據通過第二級FFT 來實現MTD 處理。為了提高速度分辨率，MTD 處理采用512點積累，也就是第二級FFT 采用512點處理。根據本次MTD 處理結果來更新雜波圖門限和自適應門限，并將更新后的門限作為下次檢測時所使用的門限，最后根據檢測判決結果輸出起爆判決信號。由于FPGA 的流水處理且運算速度高，因此判決信號的輸出是實時輸出的結果。

2.3 自適應目標檢測新方法

本信號處理器關鍵技術為自適應檢測方法，由于回波信號隨目標（地面）不同其強度也不同，因此不能采用固定門限作為檢測準則，必須采用自適應門限準則。本信號處理器采用三門限檢測：自適應門限檢測、比值門限檢測和雜波圖門限檢測相結合的檢測原則，其原理框圖如圖4 所示，三個檢測準則為：

1）雜波圖門限檢測：將每次MTD 處理結果進行緩存，利用前后兩次MTD 處理后零速通道的值進行雜波圖門限的更新，其他速度通道的值和更新后的雜波圖門限比較，如果大于雜波圖門限的K倍，則認為是目標，否則認為是雜波。

2）比值門限檢測：將本次MTD 和上次MTD結果相對應的速度通道的值進行比值處理，如果比值大于一個固定常數m，則認為本次該速度通道上有目標存在，否則進行自適應檢測門限的更新。

3）自適應門限檢測準則：為了消除噪聲的影響，首先給定一個起始的自適應檢測門限，該門限主要用于排除起始噪聲的干擾。將MTD 結果和自適應檢測門限比較，如果過門限，則認為是目標，否則進行自適應門限檢測的更新。其中自適應檢測門限更新的準則為本次MTD 結果和上一次的自適應檢測門限值的加權處理。

3 外場試驗數據結果分析

在地面和高塔之間固定一根鋼絲，鋼絲與地面夾角為α。將引信懸掛在鋼絲上，引信距離地面垂直高度為H，讓引信從鋼絲上自由滑下，在引信下滑的過程中，對中頻回波信號和信處輸出的起爆決策信號進行全程采樣。對采集的實驗數據進行分析，圖5為采集到的中頻信號，圖中虛線為1 MHz的同步觸發信號，實線為目標的回波信號，由圖可知目標回波信號相對較弱。

圖6 為MTD 積累后對應引信下滑速度為12m／s時的速度通道的速度譜曲線圖，其中橫坐標為距離維，縱坐標為時間維。由圖可知，經過MTD處理以后信號的能量能夠很好的積累。由于天線波束較寬，距離地面越近各個距離段的回波信號越多，因此從圖中能量分布可以看出，引信在距離地面的距離小于20m 以后的能量比較強。

圖7（a）為最終的檢測結果輸出，圖7（b），（c）分別對應距離R、R1的局部細化圖，其中橫坐標為時間，縱坐標為MTD 輸出。圖7（a）中實線表示R 輸出結果，虛線表示R1輸出結果。圖7（b）星形標志代表距離R 有判決輸出，圖7（c）三角表示距離單元R1米處有判決輸出。從局部細化圖可以看出，距離R1的第一個點判決輸出的位置在第2 686 ms，距離R 的第一個點判決輸出的位置在第2 922ms，距離R1第一個判決輸出的位置在時間上比距離R 提前了236 ms，也就是說系統能首先輸出預起爆信號，然后輸出起爆信號，時序滿足系統指標要求。

圖4 檢測原理圖Fig.4 Structural schematic diagram of the detecting principle

圖5 目標回波和觸發圖Fig.5 The diagram of target radar echo and trigger signal

圖6 速度譜曲線Fig.6 The curve of velocity spectrum

圖7 檢測結果輸出Fig.7 Results of the detecting System

4 結論

本文設計了毫米波近炸引信數字化信號處理器，該信號處理器首先對差頻信號進行AD 采樣處理，然后對采樣后的數字信號進行脈壓處理，從而得到不同距離單元的回波信息，通過對所需距離單元的信號進行MTD 處理，進而得到檢測數據；同時用一種新的自適應檢測方法對目標進行檢測，最后產生所需炸點高度的起爆判決信號。外場試驗結果表明：該系統能穩定、實時地輸出起爆信號，起爆高度符合系統指標要求，同時該信號處理器還具有很好的速度適應性。本文所設計的數字化信號處理器具有重要的工程應用價值，為后續毫米波近炸數字化引信系統的定型奠定了扎實的基礎。

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