自差式毫米波多普勒引信的測試系統設計

蔡斌杰

(浙江長征職業(yè)技術學院,杭州 310023)

0 引言

引信作為探測對象的時間、指令信息，配備在對于所探測的對象有直接接觸的一類彈藥武器之上，運用于各類炮彈、各種型號水雷、以及各色的火箭彈等武器上[1]。通過對于待執(zhí)行操作目標的檢測，可以識別且推知出大量與待感知對象的信息、能量，這些特征包括所測返回波的彈目交會距離和角度、擊毀物參數、對應的速度和頻率等[2-3]。通過這些可以判斷出系統適應周圍環(huán)境的情況，同時引入無線通信領域的傳輸技術，以保證整個測試工作的順利進行。引信在整個武器彈藥開發(fā)中占據著重要地位，同時測試也貫穿于引信理論、電子對抗、實驗試制、設計等工作過程中[4-5]。總之，引信技術是不局限于傳統測量形式的包含信號各類處理、傳輸、識別和存儲等功能的多元綜合技術。

而自差毫米波的超低空和抗干擾優(yōu)良性能使其應用到可裝備部隊的各類武器，包括機載探測器、火控雷達，應用于靶場、防空、導彈等多領域承擔相應的測量、監(jiān)控、防撞擊等功能[6-8]。這樣穿透力強，較少干擾雜波的毫米波技術，對環(huán)境適應力強。未來對于攻擊目標采取精準的損毀和破壞是不可缺少的，這是需要較為可靠的引信控制，利用毫米波的特性來探知待測目標的特征。國外在這方面很早就開始了研究，陸續(xù)提出一系列測試方面的進步，包括引線傳輸信號、存儲測試、非易失電子以及彈載記錄等方法和原理。國內對此研究開始的較晚，但也穩(wěn)步演進，從上世紀的缺點較為明顯的彈丸參數測試、存儲遙測、針對終點彈道的存儲測試、動態(tài)存儲測試到現如今的測試動態(tài)化、智能化，成果較多的用于彈體空中控制以及爆炸拋灑的加速度、角速度測試[9-11]。但是這些對于毫米波引信所做的工作側重于測試設備和系統設計本身，對于實際的彈載環(huán)境的分析和實驗不多。因此本文對這方面的研究空缺進行了補充。設計了一種自差式毫米波測試系統用于實測，并對實際環(huán)境測量的結果進行分析。

1 自差式毫米波原理

毫米波探測原理是在搜索空中物體目標時利用多普勒這一效用,即完全自差式的方式[12]。待檢測對象與搜索的工具之間的相對位移即使通常所述的頻移。同時，經過信號處理器作用之后，可以獲知探測前來攻擊對象的相對速度，提前對于來襲的攻擊對象做出實時的防御[13]。該系統構造簡單，利用一些降噪的設計可以在功率不變的情況下提高對應機器的靈敏度。該系統可以進行一些必要的操作使得返回的波形能夠被探測到。這些幅值特別小的波形一方面很難滿足A/D模數器件的接受要求，另一方面是由于過低的信噪比而無法進行采樣輸入。因此，自差式毫米波設備需要能夠對探測到的返回波形進行放大以增大其幅值。8 mm波段的設備的工作原理[15],如圖1所示。

圖1 自差式毫米波工作原理

2 系統設計

在上述原理的基礎上，設計了以下自差毫米波的引信測試系統，根據所需的主要的功能相對應的構建了如下幾個模塊，設計的系統包括了電源管理以及信號的處理、采集、控制、存儲等一系列功能，如圖2所示。

圖2 系統整體設計

2.1 信號調理功能模塊

該模塊實現的主要功能是對輸入的信號進行整形調整得到系統其他接口相匹配的形式。與之有關的信號有多種形式以適應不同的功能。第一種是與落地功能有關的信號，通過該信號可以獲知炮彈落地的準確時間。第二種是多普勒信號，這是系統主要接收存儲的信號，通過分析可以得出整個測試的彈載下的動態(tài)功能。第三種是電源信號，本文中采取的為15 V標準的，在整個系統中執(zhí)行激勵其他模塊，保證上電正常延時功能，在系統中有不可或缺的功能。

2.2 采存功能模塊

該模塊是核心功能負責所需數據的存儲、采集。上述所列出的該模塊除了基本功能外還包括了控制功能。采集信息的元件是由A /D模數轉換器構成。該器件應用于模電和數電信息的轉換，型號為12 bit的AD7492。在該模塊的支持下，其余的存儲和控制部分才能夠有序的進行。需要重點強調的是，炮彈落地形成較大的速度促使抗沖擊能力這一功能有較好的完善和改進。因此運用了存儲穩(wěn)定的FLASH閃存，防止因為不可控因素而影響測試工作。因此選取的型號是K9W 8G08U 1M版本的存儲器。由圖所示采取的雙閃存的方式實現了較高的采樣速率。最后利用CPLD(復雜可編程邏輯器件)進行各類總線的連接配合單片機實現完成邏輯、時序等方面的控制。上述模塊，具體如圖3所示。

2.3 延時控制和電源管理模塊

考慮到實際情況中，毫米波設備沒有充足的電力供應保證其能夠在整個彈道進行測試，所以需要設定一個延時來對電源的開啟和結束進行相對應的控制，保證整個實驗能夠在

圖3 采存模塊組成框圖

得到恰當的電力供應。研究員在設置實驗彈的過程中，需要根據飛行時間結合系統可以提供的時間進行調配。本文就根據不同的射程設定的情況1和情況2的不同的延時、記錄時間。而對于電源管理則保證了整個測試過程中的功耗在有限供應點量情況下的較小，以完成一整套測試過程。保證系統能夠上電采集數據以及數據保持讀取以及待觸發(fā)狀態(tài)的兩者的任意切換。

3 具體工作過程

該系統是在一定的電源管理規(guī)則下構建起來的，所以在具體測試方面也細化成了以下幾個互相依賴又相互獨立的狀態(tài)進行相應的協作配合。在具體細化的工作狀態(tài)以及對應的功能和變換所需條件，如表1所示。

表1 實驗測試工作狀態(tài)特性

具體流程,如圖4所示。

圖4 系統工作狀態(tài)轉換過程

在第一個狀態(tài)休眠階段結束之后，可以設定延時時間，其范圍最高限度為255秒。延時完畢之前的待觸發(fā)狀態(tài)可以進行裝彈的準備工作。待延時后可為引信的毫米波發(fā)射提供15 v的電源功率消耗，發(fā)送探測信號。之后進行數據采集工作完成相應模塊的上電過程，此時指示燈給予相應的變化。之后整個系統保持耗能較低的狀態(tài)，等待之前存儲的數據拷貝完畢之后結束測試。

4 試驗過程及分析

初步設計完該系統且進行了一些基本的仿真測試之后，在某地的靶場的炮彈進行了相關的實際的驗證工作，根據實際測量的多種彈道數據進行分析,毫米波引信測試,如表2所示。

表2 實驗測試彈數據

fd=2v/λ

(1)

實驗測試彈數據,分別為彈道情況1的多普勒信號的描述以及對應的頻譜分析圖,如圖5和圖6所示。

圖5 情況1信號測試曲線

圖6 情況1測試對應頻譜

兩圖所展現的均是有效的曲線段。圖6內從落地開始計時，其中的粗線表示的是落地一瞬間的信號高電平轉為相反的情況。從圖6內可判斷出主頻為70 kHz，根據上述式(1)即多普勒頻移的公式[16]表述可知，通過對應的落速、波長可計算出其頻率的范圍。(波長為7 mm-10 mm對應的fd為65.2-93.1 kHz)。為情況2對應的信號的有效范圍和頻譜,如圖7、圖8所示。通過式(1)也可進行相應的fd(計算得到61.8 kHz到88. 3 kHz)。從圖中可以得出其主頻為89 kHz。上述兩者均可證明上述兩者均是毫米波引信返回的信號。

圖7 情況2信號測試曲線

圖8 情況2測試對應頻譜

在彈道情況1和情況2下的各項指標，如表3所示。

表3 落地前信號數據

其結果均是通過具體的展開圖和幅度圖得出。情況1在落地前6 ms時刻的各項指標，如圖9、圖10所示。

圖9 情況1在6 ms時刻展開圖

圖10 情況1在6 ms時刻頻譜

可以得出結論多普勒信號是呈現波動增幅的情況。對應的情況2對應的結果圖，如圖11、圖12所示。圖11、圖12表示落地前10 ms以及這一時刻的狀態(tài)情況。

5 總結

本文在介紹自差式毫米波的工作原理的基礎上，設計一整套測試系統用于自差式毫米波的多普勒引信，簡化測試系統的搭配元件，降低成本的同時也使得功率消耗得以降低。進一步進行了相應的彈載測試實驗，得到了兩種不同類型的多普勒信號。對于兩種不同情況分別求得其波動增幅的多普勒信號。對圖像結果進行分析，觀察其信號的主要頻率符合基本的多普勒公式，為后續(xù)總結規(guī)律的過程做了必要的準備。整個測試表明設計的系統滿足實時、準確、動態(tài)得出利用毫米波引信得到的回波信號，返回信號在分辨率等特性上符合彈載測試的標準。

圖11 情況2在10ms時刻展開圖

圖12 情況2在10 ms時刻頻譜

[1] 方榮新,李躍華. 彈載3 mm與8 mm輻射計定位性能分析[J]. 微波學報,2015(S2):186-189.

[2] 饒蕾,鄭健,李志豪. 近場被動式毫米波成像準光路系統設計[J]. 浙江大學學報(理學版),2016(3):310-315.

[3] 吳茂林,吳向臣,周在龍. 基于ARM+FPGA的引信

信息測試系統設計與實現[J]. 電子技術應用,2015(8):24-26.

[4] 姜景偉,李國林,周鵬飛. 某型引信自動測試系統接口適配器的設計[J]. 四川兵工學報,2015(4):25-28.

[5] 王輝輝,付學斌,張珂. 毫米波近炸引信數字化信號處理器[J]. 探測與控制學報,2014(5):34-37.

[6] 王永亮,陸建兵,嚴勇,吳海軍. 8 mm毫米波測云雷達系統設計[J]. 現代雷達,2014(7):14-17.

[7] 梁勇,趙河明,張恩愫. 基于單片機的多普勒信號測試系統的設計[J]. 制造業(yè)自動化,2014(3):133-135.

[8] 王新會,李楚寶,曹茜紅. 基于短時傅里葉變換的毫米波引信地面目標識別[J]. 航空兵器,2012(3):25-28.

[9] 仲凌志,劉黎平,葛潤生,等. 毫米波測云雷達的系統定標和探測能力研究[J]. 氣象學報,2011(2):352-362.

[10] 陳墨,徐金平. 毫米波自差頻CW系統發(fā)射漏波信號對接收靈敏度的影響[J]. 東南大學學報(自然科學版),2009(2):206-210.

[11] 曹黎明, 李耀波. 一種水下高速小目標回波頻率估計方法[J]. 指揮控制與仿真, 2013, 35(5): 106-109.

[12] 劉浩,于勁松,張海杰,等. 基于半實物仿真的多普勒雷達測試系統設計[J]. 測控技術,2012(10):121-123.

[13] 王曉方,羅雷. 某型電子時間引信電參數綜合測試系統設計[J]. 彈箭與制導學報,2010(6):112-115.

[14] 畢雪芹,王航宇,陳智利. 電子時間引信綜合測試系統設計[J]. 科學技術與工程,2016(3):310-315.

[15] 蘇志謀,簡金蕾,任宏濱,等. 基于毫米波技術引制一體化設計[J]. 飛航導彈,2012(3):81-85.

[16] 谷雨桐,景華,司馬濤,等. 一種毫米波引信低頻預處理電路[J]. 彈箭與制導學報,2011(3):129-130.