基于諧波系數幅值平均的復合調制引信抗掃頻式干擾方法

陳齊樂，郝新紅，閆曉鵬，喬彩霞，王雄武

（北京理工大學 機電學院，北京100089）

無線電引信具有體積小、定距精度高、適宜全天候作戰等特性，受到各國重視［1-2］。隨著無線電引信對抗技術的發展，現代戰場電磁環境日益復雜，無線電受到背景噪聲和電子干擾的嚴重威脅［3-4］。其中，掃頻式干擾作為一種常見的無線電引信電子干擾方式，通過載波頻率在一定頻帶范圍內快速掃描，結合了壓制式干擾和瞄準式干擾的特征，對無線電引信的干擾效果顯著［5］。連續波多普勒引信、連續波調頻引信的靜態掃頻干擾對抗試驗結果也驗證了這一點［6］，無線電引信抗掃頻式干擾性能應當受到重視。

為提高無線電引信在掃頻式干擾作用下的可靠性，相關學者做了大量研究，并提出了許多抗干擾方法。抗干擾研究的一個方向是提取更多信號特征來區別干擾信號和真實目標回波信號。如利用頻譜［7］、信息熵［8］及增量更新［9］等特征采用支持向量機對引信接收信號分類，或者利用調頻諧波時序信息抑制干擾［10］，這些方法在不改變引信體制的前提下顯著提高了引信抗干擾性能。抗干擾研究的另一個方向是設計新體制引信，增加引信發射波形帶寬和調制特征，提高引信抗干擾性能。頻 率 捷 變［11］、多 載 波［12］、超 寬 帶［13］及 調 相與調頻復合調制［14］等多種新體制引信在抗干擾方面取得了顯著效果。其中，混沌碼調相與線性調頻（CCPM-LFM）復合調制無線電引信（以下簡稱復合調制引信）兼具混沌碼調相和線性調頻的特性，具有優良的探測性能［15］，近幾年逐漸受到重視，但復合調制引信的抗掃頻式干擾性能較少研究。

本文針對復合調制引信抗掃頻式干擾問題，首先分析了復合調制引信在掃頻式干擾作用下的響應，并針對復合調制引信在干擾作用下輸出服從隨機分布的特點，在瞬時相關和諧波解調串聯（ICHD）定距算法原理的基礎上，利用相干累積的方法提高引信抗干擾性能。采用快速傅里葉變換（FFT）算法代替帶通濾波器提取諧波包絡，并將多次FFT所得諧波系數幅值平均。仿真結果表明：本文方法在滿足引信定距精度的前提下，能夠有效抑制掃頻干擾。

1 掃頻式干擾作用下復合調制引信的響應

1.1 復合調制引信定距原理

復合調制引信原理如圖1所示。調制信號生成模塊產生頻率為fm的鋸齒波調制信號，控制射頻壓控振蕩器（VCO）產生鋸齒波調頻信號，混沌碼生成模塊產生非周期混沌碼序列控制調相器對VCO產生的鋸齒波調頻信號相位調制，復合調制信號經環形器由收發天線輻射出去；目標回波信號同本地參考信號混頻獲得攜帶目標信息的復合調制差頻信號，經視頻放大、A／D轉換后送到信號處理模塊獲取目標距離信息。

若引信發射信號時間t，復合調制發射信號st（t）可表示為

式中：At為發射信號功率；f0為載波頻率；T＝1／fm為鋸齒波調頻周期；Tc為混沌碼碼元寬度；P＝T／Tc為一個調頻周期時長內的混沌碼數；調制頻偏為B，調頻率為β＝B／（PTc）；｛ck，n＝±1｝表示混沌碼，k為任意調頻周期內混沌碼序號，n為調頻周期序號，k＝0，1，…，P-1，n＝0，1，…，∞；不同調頻周期對應的混沌碼序列不同，v（·）表示時寬為Tc的門函數，rect（·）表示時寬為PTc的門函數。

假設引信同目標初始距離為R，彈目徑向相對運動速度為v0，則目標回波信號sr（t）可表示為sr（t，τ）＝Ae（τ）st（t-τ）

式中：τ＝2（R-v0t）／c為目標回波信號時延，c＝3×108m／s為光速；Ae（τ）為衰減因子。

目標回波信號同本地參考信號混頻后所得復合調制差頻信號sid（t，τ）可表示為

通常情況下，引信探測距離較近，目標回波信號時延τ?T，可以忽略復合調制差頻信號頻率非規則區，幅度歸一化的復合調制差頻信號可簡化為

復合調制引信采用ICHD獲取目標距離信息。若引信預設起爆延時τ0，信號處理電路首先將模數轉換后的復合調制差頻信號同延時τ0的混沌碼作瞬時相關以保存混沌碼的相關特性，令tn＝t-nPTc，瞬時相關所得信號scor（tn）可表示為

圖1 復合調制引信原理框圖Fig.1 Functional block diagram of hybrid modulation fuze

1.2 掃頻式干擾模型

掃頻式干擾按照頻率步進產生干擾信號，使得干擾信號能量可以集中在各個掃描頻點［2］。設干擾機的掃頻起始頻率為fj0，掃頻終止頻率為fjw，掃頻步長為Δf，每個頻點駐留時間為Tdw，總掃描點數為78，干擾信號sj（t）可表示為

1.3 掃頻式干擾對引信的作用結果

式中：⊙表示卷積；F｛·｝表示傅里葉算子。

干擾差頻信號經瞬時相關后，所得信號頻譜為中心頻率跳變的調頻信號頻譜同混沌碼頻譜的卷積。干擾作用下復合調制引信響應如圖2所示。干擾差頻信號隨著干擾信號載波頻率變化，其頻帶逐漸覆蓋引信帶通濾波器帶，某次諧波能量進入帶通濾波器。干擾信號能量遠大于真實回波能量，使得引信輸出信號幅值達到起爆門限，引信被干擾。

圖2 掃頻式干擾效果示意圖Fig.2 Schematic of sweep jamm ing effectiveness

2 基于諧波系數幅值平均的抗干擾方法

基于諧波系數幅值平均的抗干擾方法原理如圖3所示。與ICHD定距算法相比，該方法在瞬時相關后，利用FFT算法提取諧波包絡，每次FFT時長為PTc，然后將G次FFT所得諧波系數幅值平均，利用混沌碼的統計特性實現抑制干擾。

2.1 基于FFT的諧波提取方法

由于彈目相對運動速度遠遠小于電磁波傳播速度，一個調頻周期時長彈目距離可以認為不變，目標回波信號時延可以建立如下離散模型：

圖3 基于諧波系數幅值平均的抗干擾方法原理Fig.3 Schematic diagram of anti jammingmethod based on harmonic coefficient amplitude averaging

2.2 諧波系數幅值平均算法的定距原理

2.3 掃頻式干擾抑制原理

干擾作用下，復合調制引信輸出為零，干擾完全被抑制。

諧波系數幅值平均算法在犧牲引信部分實時性的前提下，能夠有效抑制復合調制引信相關旁瓣及掃頻干擾，其實時性和旁瓣及干擾抑制性能與所取G值有關，通過合理選擇G值，能夠使引信在滿足實時性的條件下有效抑制相關旁瓣和掃頻式干擾。

3 仿真與分析

本節通過MATLAB仿真驗證了基于諧波系數幅值平均算法的定距性能和抗干擾性能，仿真參數設置如表1所示。

3.1 距離分辨力

諧波系數幅值平均算法是在ICHD定距算法基礎上，對不同調頻周期諧波系數幅值平均實現抗掃頻式干擾目的，定距原理上并沒有本質區別。算法定距性能仿真結果如圖4所示，仿真縱軸為引信輸出電壓U，圖中藍線表示ICHD定距算法輸出包絡，綠線為G＝10時諧波系數幅值平均算法輸出，紅線表示G＝50時諧波系數幅值平均算法輸出，黃線表示G＝100時諧波系數幅值平均算法輸出。在G分別取值10、50和100時，引信在R＝6m時輸出主瓣，主瓣寬度為（6±3）m，距離分辨力同ICHD保持一致。諧波系數幅值平均算法輸出主瓣隨著G取值增大略有下降，這是因為隨著G值的增大，累加的各個周期差頻信號頻譜逐漸不再可以近似認為穩定不變。

表1 仿真參數Table 1 Sim ulation param eters

圖4 定距算法仿真結果Fig.4 Simulation results of ranging algorithms

3.2 距離旁瓣抑制

為便于分析諧波系數幅值平均算法對距離旁瓣的抑制效果，將圖4縱坐標轉化為dB形式，其結果如圖5所示。可以看出，ICHD定距算法輸出旁瓣約為-12 dBm，G＝10時諧波系數幅值平均算法輸出旁瓣約為-18 dBm，G＝50時輸出旁瓣約 為 -22 dBm，G ＝100 時 輸 出 旁 瓣 約 為-23 dBm，即諧波系數幅值平均算法的距離旁瓣抑制效果同G值選擇有關，通過選擇合適的G值能夠將距離旁瓣抑制10 dB以上。

3.3 掃頻式干擾抑制性能

在輸入信干比SJR＝-10 dB下，掃頻式干擾作用下引信響應結果如圖6所示。可知，在干擾作用下，ICHD輸出約為-4 dBm，而G＝10時諧波系數幅值平均算法輸出約為-10 dBm，G＝50時輸出約為 -14 dBm，G ＝100時輸出約為-16 dBm。諧波系數幅值平均算法干擾抑制效果同G值選擇同樣有關，通過選擇合適的G值能夠將干擾抑制10 dB以上。

為了進一步分析諧波系數幅值平均算法抗干擾性能，仿真了不同G值，引信能夠正常工作的最大SJR，其結果如圖7所示。可以看出，ICHD定距算法（對應G＝1）的最大SJR＝-14 dB；G＝10時諧波系數幅值平均算法的最大 SJR ＝-20 dB；G＝50時諧波系數幅值平均算法的最大SJR＝-23.5 dB；G＝100時諧波系數幅值平均算法的最大SJR＝-24.6 dB。

圖5 距離旁瓣抑制Fig.5 Ranging sidelobe suppression

圖6 掃頻式干擾抑制Fig.6 Sweep jamming suppression

3.4 G值對算法性能的影響

選取距離旁瓣最大值和干擾作用下引信輸出最大值為指標，不同G值下諧波系數幅值平均算法對距離旁瓣和干擾的抑制結果如圖8所示。可以看出，隨著G值的增大，距離旁瓣和干擾輸出抑制效果逐漸提高，但抑制效果提升取數逐漸趨于平坦，當G＞100后提升效果低于1 dB。且根據3.1節分析，G值會使相關主瓣降低，G的取值是算法的一個重要影響因素，比較理想的G的取值為G＝50。

圖7 不同G值引信能夠正常工作的最大SJR Fig.7 Maximum SJR of fuse in normal work situation with different values of G

圖8 G值對算法性能的影響Fig.8 Effect of values of G on algorithm performance

4 結 論

本文分析了掃頻式干擾作用下復合調制引信的響應，并在ICHD定距算法基礎上，設計了基于諧波系數幅值平均的抗干擾方法，結果表明：

1）復合調制引信在掃頻干擾作用下輸出結果服從隨機分布。

2）通過采用諧波系數幅值平均算法能夠有效提高引信的抗干擾性能，干擾抑制效果提高20 dB。

3）諧波系數幅值平均算法對引信相關旁瓣同樣有較好的抑制效果，抑制效果提高20 dB。

4）諧波系數幅值平均算法并不會影響引信的定距效果。

本文方法利用混沌碼的隨機性和統計特性，采用FFT提取諧波系數幅值信息，并將諧波系數幅值平均處理來抑制干擾和距離旁瓣，通過理論和仿真結果驗證了方法的定距性能和干擾抑制性能。理論和仿真結果表明，基于諧波系數幅值平均的抗干擾方法在滿足引信定距要求的前提下，能夠將距離旁瓣和掃頻式干擾抑制10 dB以上。