偽碼引信長短碼復合測高相關接收方法

徐利平,王　震，王大鵬，魏　瑋

(西安機電信息技術研究所，陜西 西安　710065)

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偽碼引信長短碼復合測高相關接收方法

徐利平,王震，王大鵬，魏瑋

(西安機電信息技術研究所，陜西 西安710065)

針對傳統脈沖體制偽碼引信單組碼測高存在高處理增益與減小探測盲區之間的矛盾，提出長短碼復合測高相關接收方法。該方法采用一個長碼相關器和一個短碼相關器進行相關接收，兩個相關器間用射頻開關切換，遠距離探測時選用長碼相關器進行相關接收，處理增益高，干擾容限大，抗干擾性強；近距離探測時，選用短碼相關器進行相關接收，探測距離更低，拓展了引信的近距離探測范圍。測試和試驗結果證明該方法在保證遠距離抗干擾能力的情況下，可有效提高引信的近距離探測能力。

偽碼引信；相關接收；探測盲區

0　引言

脈沖體制測距具有測距精度高，抗干擾性能好等特點。偽隨機碼具有極強的自相關性，可有效地解決抗干擾問題，提高引信與戰斗部的有效配合，增強引信的抗干擾能力[1-2]。偽碼測高引信一般采用單天線收發一體、脈沖工作體制，即發射偽碼信號時關閉接收通道，接收回波信號時關閉發射通道，來減小發射通道直通到接收通道的能量，減小對接收的干擾。傳統的偽碼引信一般采用單組碼測高，即只用一組偽隨機碼對發射信號進行調制，然后對回波進行相關處理。偽碼引信碼長決定系統的處理增益和探測盲區，碼字越長，系統的處理增益越高[3]，抗干擾能力越強，但是探測盲區也越大。現代高價值彈藥對引信的探測能力要求比較高，一般從15 m到200 m都有探測需求,所以單組碼偽碼測高引信很難滿足要求。

基于聲表面波的偽碼相關器具有高處理速度，大處理帶寬，和極強的處理能力,特別是實時處理中具有絕對優勢[4]。同時聲表面波相關器體積小、功耗低，所以偽碼引信相關處理多采用聲表面波相關器。文獻[5]中和文獻[6]中闡述的相關接收方法為：系統發射13位巴克碼調制的射頻信號，然后將目標反射的回波信號下變頻到中頻，在中頻經過聲表相關器相關處理后提高了回波信號的信噪比，輸出信號經過檢測器和比較器后輸出高度判決信號。由于系統采用單組碼測距，所以存在固定近探測盲區的問題。文獻[7]中對相關器的相關處理進行了改進，對相關器的輸入輸出端進行了匹配，減小了相關器的反射損耗，但是仍屬于單組碼測距，近距離探測仍存在固定探測盲區的問題。本文針對此問題，提出采用長短碼復合測高的方法。

1　傳統偽碼引信相關接收方法

傳統偽碼引信相關接收方法如圖1所示。

圖1　傳統偽碼引信相關接收方法Fig.1　Traditional correlation reception method for PN Fuze

偽碼引信采用脈沖測距原理，寬波束單天線收發分時復用，在中頻進行0/π調制，然后上變頻到射頻，經功放由天線發射出去，然后轉入接收狀態，回波信號經天線、T/R開關，低噪放后下變頻到中頻，然后在中頻進行相關處理，最后由信號處理器計算出回波的延時并得出高度信息。

將射頻信號下變頻到中頻可以防止高頻信號直接饋通，使相關處理在較低頻率上實現。相關處理采用聲表面波相關器實現，簡化了結構，提高信號的處理速度，降低系統的功耗。噪聲和干擾分量的功率譜在相關器相關解擴過程中被擴展，使進入到信號頻帶內的噪聲和干擾功率大大降低，信噪比得以提高，系統性能得到改善。偽碼相關器的輸出信噪比與輸入信噪比的比值為處理增益，處理增益是表征引信抗干擾能力的重要指標，它決定于信號的碼長。

由于偽碼引信是單天線收發分時工作的，發射時候不能接收，接收的時候不能發射，所以發射信號的時寬決定了引信的最近探測距離。在碼元寬度一定的情況下，碼長就決定了發射信號的時寬。

所以，為了提高引信的抗干擾性，就需要發射長碼字信號來提高引信的處理增益，但是近距離探測難以保證；為了保證近距離的探測就需要發射短碼字信號，但是引信的抗干擾性難以保證。

2　長短碼復合相關接收方法

為了解決處理增益與固定探測盲區的矛盾，提出長短碼復合相關接收的方法，原理圖如圖2所示。引信采用單天線收發共用，射頻前端發射與接收分時工作來減小發射通道向接收通道的泄露，即發射時關閉接收通道；接收時關閉發射通道。

圖2　長短碼復合相關接收方法Fig.2　Long-short code Composite altimetry correlation reception method

與圖1傳統單碼字偽碼引信比較，編碼/控制器在不同的高度會產生兩種長度不同的偽隨機碼送入射頻前端的調制器。中頻相關處理鏈路中單相關器改進成雙相關器，即一個長碼字相關器，一個短碼字相關器。兩個相關器輸入輸出端由高速射頻開關1、開關2控制，在兩個相關器間選通切換。綜合考慮引信探測距離范圍，抗干擾性，體積、功耗及成本等因素，選擇7位巴克碼作為長碼，3位巴克碼作為短碼，碼率為50 MHz；選擇HMC336MS8G作為相關器的選擇開關。

距離的遠近由發射信號的時寬和信號在探測距離上的延時相比較決定，當延時大于長碼字的時寬時，為遠距離探測，否則為近距離探測。遠距離探測時，編碼/控制器將長碼字偽隨機碼送入射頻前端的中頻調制器，產生長碼字中頻偽碼調相信號，上變頻到射頻，經功放由天線發射出去，然后轉入接收狀態等待接收。編碼/控制器產生的控制信號將射頻開關撥到長碼字相關器端。回波信號經天線、T/R開關，下變頻到中頻，進入長碼字相關器進行相關處理。遠距離探測時使用長碼字，提高了系統的處理增益，干擾容限大，增強了系統的抗干擾能力。

在探測距離接近長碼近距探測能力時切換到短碼探測模式，即選擇25 m距離時為切換距離點。由于信號的發射周期為20 μs，而長短碼切換可在20 ns內完成，所以不影響引信高度的實時探測。編碼/控制器將短碼字偽隨機碼送入射頻前端的中頻調制器，對載波進行調制。接收時射頻開關撥到短碼字相關器端進行接收，可以探測到更近的距離。

3　設計合理性及測試驗證

3.1相關器和射頻開關選擇合理性分析

最常用的偽隨機碼序列包括巴克碼、M序列等。由于M序列必須采用連續波且序列碼很長才能消除大的旁瓣。如果M序列采用脈沖形式，自相關函數特性會遭到破壞，所以不適合應用于偽碼脈沖體制引信。巴克碼作為偽隨機碼序列之一，它有著良好的自相關特性和尖銳峰特性，并且在脈沖工作的情況下不影響自相關特性，所以巴克碼序列適合于偽碼脈沖體制引信。

微聲電子與微機電產品在性能、體積和功耗方面的有獨特的優勢，特別適合于引信這種有小體積、低功耗、高可靠性要求的系統應用。國外新的引信開始大量采用微聲電子與微機電技術。隨著高速微聲電子的發展，聲表面波相關器的碼元寬度可以做的很窄，以保證足夠的信號帶寬，從而得到良好的距離分辨率和測距精度。

聲表面相關器主要是利用聲表面波抽頭延遲線的“自同步”特性，對擴頻調制信號實現同步和解擴。利用聲表面波抽頭延遲線的“自同步”特性，有別于電路的實現方法，我們不必去建立復雜的同步電路，使相關接收模塊電路結構大大簡化，而且由于沒有鎖定時間等系統延時，提高了整個引信系統的實時性。所以我們采用7位和3位聲表面波相關器處理偽碼引信的回波信號。

射頻開關是用于控制射頻信號傳輸路徑及信號大小的控制器件，在無線電探測器、電子對抗、雷達系統等許多領域有廣泛的用途。射頻開關主要有PIN管開關和FET管開關。由于PIN管開關依靠電流控制通斷，需要設計高速電流驅動器，電路結構復雜，功耗比較大，而FET管開關依靠電壓控制，功耗和體積小，電路結構簡單，所以選擇FET管開關。

射頻開關的關鍵參數包括帶寬、插入損耗、隔離度、開啟關斷時間、回波損耗和封裝尺寸等。

HMC336MS8G的封裝為MSOP8G小型封裝，5 V供電，35 μA超低功耗，工作頻率為直流6 GHz，插入損耗1.2 dB，兩路之間的隔離度大于47 dB，輸入輸出端的回波損耗大于12 dB，開啟和關斷時間小于10 ns，理論計算在3位巴克碼探測時最近距離可探測到10.5 m，滿足偽碼引信近距離15 m的探測要求。

3.2長短碼復合相關接收模塊測試驗證

射頻前端輸出的偽碼中頻回波信號輸入到長短碼復合相關接收模塊，首先經過射頻開關選擇相關器通道，相關處理完后相關峰輸入到放大器進行增益補償，然后輸入到包絡檢波器進行包絡檢波，最后放大輸出。

測試平臺包括穩壓電源、微波信號源和編碼信號源、高頻示波器、噪聲源、偽碼調制器、功率合成器、射頻放大器和同軸電纜等。由于相關器的相關峰波形和處理增益是偽碼相關接收模塊的最重要指標，所以我們重點觀測相關器輸出波形和估測長短碼復合相關接收模塊的處理增益。

估測方法為：用微波信號源產生中頻正弦波信號，用編碼信號源分別產生7位巴克碼或者3位巴克碼信號，并與正弦波信號一起輸入到偽碼調制器產生偽碼中頻信號，通過調整微波信號源的功率來調整偽碼中頻信號的功率。用噪聲源產生一定功率的帶限白噪聲，并與偽碼中頻信號一起送入功率合成器，將合成的信號輸入到長短碼復合相關接收模塊，用高頻示波器檢測相關峰輸出。

首先輸入小信號，測出相關器輸出的信噪比。然后逐漸增大輸入功率，測出相關器在不同功率信號狀態下的信噪比，可以評估出相關器在動態范圍內處理增益的變化。圖3為7位巴克碼調制的中頻信號波形圖。將射頻開關選通到7位巴克碼相關器通道，將圖3所示的中頻信號輸入到相關處理模塊的7位相關器，經過相關處理和放大補償后輸出的相關峰如圖4所示，說明模塊7位相關器通道可以正常輸出尖銳的相關峰。

將帶限白噪聲加入7位巴克碼中頻信號后如圖5所示，將圖5所示的信號送入相關處理模塊測量輸出相關峰的信噪比。通過改變微波信號源的輸出功率，分別測量了不同輸入功率下相關器的輸出信噪比，計算出不同功率下相關處理模塊的處理增益，如表1所示。

圖3　7位巴克碼中頻信號Fig.3　7 bit barker code IF signal

圖4　7位巴克碼相關接收測試圖Fig.4　The test pattern of 7 bit barker code correlation reception

圖5　加入噪聲的7位巴克碼中頻信號Fig.5　7 bit barker code IF signal which was added with noise

輸入信號Ai/mV輸入噪聲Ni/mV輸出信號A0/mV輸出噪聲N0/mV處理增益Gp/dB80015016513.47.27900150190147.09100015020513.86.96110015022013.47.001200150235.413.17.031300150256.513.27.01140015029113.87.08150015029813.56.88

由表1可知，7位巴克碼作為調制信號時，當信號由800 mV動態變化到1 500 mV時，相關處理模塊的處理增益大概為7 dB左右，與單組碼(7位巴克碼)測距時相比，相關器處理增益基本相同，說明相關處理模塊7位巴克碼相關處理通道工作正常。

處理增益與理論計算8.45 dB存在1.45 dB合理差距，這是由測量誤差、信號通道的放大器內部噪聲及現階段相關器的制作工藝水平等因素共同造成的。

用編碼信號源產生3位巴克碼編碼信號與微波信號源產生的正弦波信號一起送入調制器，產生3位偽碼中頻信號，如圖6所示。

將射頻開關選通道3位巴克碼相關器通道，將圖6所示的中頻信號輸入到相關處理模塊，相關處理后輸出的相關峰如圖7所示，說明模塊3位相關器通道可以正常輸出尖銳的相關峰。

將帶限白噪聲加入3位巴克碼中頻信號后如圖8所示，將圖8所示的信號送入相關處理模塊測量輸出相關峰的信噪比。通過改變微波信號源的輸出功率，分別測量了不同輸入功率下相關器的輸出信噪比，計算出不同功率下相關處理模塊的處理增益，如表2所示。

圖6　3位巴克碼中頻信號Fig.6　3 bit barker code IF signal

圖7　3位巴克碼相關接收測試圖Fig.7　The test pattern of 3 bit barker code correlation reception

圖8　加入噪聲的3位巴克碼中頻信號Fig.8　3 bit barker code IF signal which was added with noise

輸入信號Ai/mV輸入噪聲Ni/mV輸出信號A0/mV輸出噪聲N0/mV處理增益Gp/dB800150153.619.63.40900150170.119.23.391000150183.918.83.331100150203.4193.291200150215.518.23.411300150235.718.43.391400150262.519.13.361500150282.319.33.30

由表2可知，3位巴克碼作為調制信號時，當信號由800 mV動態變化到1 500 mV時，相關處理模塊的處理增益大概為3.36 dB左右，與單組碼(3位巴克碼)測距時相比，相關器處理增益基本相同，說明相關處理模塊3位巴克碼相關處理通道工作正常。

處理增益與理論計算4.77 dB存在1.41 dB合理差距，這是由測量誤差、信號通道的放大器內部噪聲及現階段相關器的制作工藝水平等因素共同造成的。

由實驗室測試結果表明長短碼復合相關處理模塊兒的7位巴克碼相關通路和3位巴克碼相關通路都能輸出尖銳的相關峰，處理增益接近理論計算值。與單組碼字測距比較，處理增益基本一樣，但復合后相關處理模塊不影響遠距離探測的條件下可以探測到更近的距離。

3.3半實物仿真試驗驗證

長短碼相關處理模塊與射頻前端模塊及編碼/控制模塊、信號處理模塊組裝成整機后，在引信動態國家重點實驗室的目標回波模擬系統實驗室進行了半實物仿真實驗并與傳統的單組碼(7位巴克碼)測高引信進行了比較。目標回波模擬系統可以根據不同目標RCS特性產生不同距離上的相應功率的模擬目標回波信號。實驗方法為關閉射頻前端的發射通道，打開接收通道使偽碼引信處于接收狀態。偽碼引信產生時鐘同步信號控制目標回波模擬系統產生由遠及近的回波信號，模擬產生引信接近目標時候從目標反射回來的信號。模擬回波信號從射頻前端的射頻端口輸入到接收通道，最后由信號處理模塊輸出高度信號。

傳統的7位偽碼引信的半實物仿真結果如圖9所示。半實物仿真結果表明，傳統的單組碼測距偽碼引信最近距離大概在45 m左右。

圖9　7位偽碼引信半實物仿真結果Fig.9　The result of 7 bit PN fuze hybrid simulation

長短碼復合偽碼引信的半實物仿真結果如圖10所示。由圖10可知，引信可以從15～200 m連續測距，最近距離可以探測到15 m左右，比單組碼測距偽碼引信最近距離減小了30 m左右。證明長短碼復合測高相關接收方法在不影響遠距離探測的情況下可有效得拓展近距離探測范圍，該方法可以應用于各種偽碼引信。

4　結論

本文提出了偽碼引信長短碼復合相關接收方法。該方法采用一個長碼相關器和一個短碼相關器進行相關接收，兩個相關器間用射頻開關切換，遠距離探測時選用長碼相關器進行相關接收，處理增益高，干擾容限大，抗干擾性強；近距離探測時，選用短碼相關器進行相關接收，探測距離更低，拓展了引信的近距離探測范圍。長短碼復合相關接收模塊制板、組裝后在實驗室進行了測試驗證，并進行了半實物仿真實驗。測試和試驗結果表明該方法在保證遠距離抗干擾能力的情況下，可有效提高引信的近距離探測能力，引信最近距離可以由原來的45m減小到15m。研究成果可用于各種偽碼引信中。

[1]徐利平，謝錫海，曹志謙.偽碼引信的數字多相濾波和頻域脈沖壓縮[J].探測與控制學報，2009，31(5):5-10.

[2]曹成茂，張河.偽隨機碼在近炸引信中設計中的應用[J].彈箭與制導學報,2004，24(4)：342-344.

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[4]梁懿，陳婷.基于SAW技術的擴頻信號解擴解調模塊設計[J].壓電與聲光，2013，35(3)：309-317.

[5]于利軍，謝錫海，韓銀福，等.偽碼測高計相關峰微分比較及邊沿捕獲[J].探測與控制學報，2008，30(4)：36-39.

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[7]石亮，徐利平，白博.偽碼引信相關器雙共軛匹配方法[J].電子測試，2015(11)：16-29.

Long-short Code Composite Altimetry Correlation Reception Method for PN Fuze

XU Liping,WANG Zhen,WANG Dapeng,WEI Wei

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China)

According to increase processing gain and reduce coverage gaps of traditional pulse system PN fuze with single group code altimeter method, this paper proposed a long-short code composite altimetry correlation reception method. The method used a long code SAW correlator and a short SAW correlators, and choose RF switch between the two channels. When PN fuze could launch long code signal to improve processing gain remote detection, in order to achieve enhanced anti-jamming capability. PN fuze could launch short code signal to reduce blind spot detection when proximity detection. Experimental results showed that the method could effectively improve the ability of proximity detection, when ensure anti-interference ability of remote detection, also with good performance. The closest distance of fuze detection range could be reduced from 45 m to 15 m.

pseudo-random coded fuze; correlation reception; blind area of detection

2016-01-18

徐利平(1982—)，男，內蒙古巴彥淖爾市人，碩士，工程師，研究方向：無線電引信。E-mail:hcgk1117@163.com。

TJ430

A

1008-1194(2016)04-0033-05