脈間隨機捷變頻脈沖多普勒引信技術

于海波，李 曉，李 倩，馬 珩，亓 東

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 引 言

空空導彈面臨著嚴重的電磁干擾威脅[1]，尤其是目前基于數字儲頻的能夠實現快速跟蹤功能的大功率有源干擾，對無線電引信的工作帶來很大威脅[2-4]。干擾設備上采用的數字儲頻技術，可提高干擾設備的快速響應能力和相參復制能力，改善了測頻時間長、瞄頻不準等因素，實現脈內復雜信號的高保真存儲復制，存儲時間長，能夠調制復雜的欺騙干擾，使欺騙效果大幅度增強。美國正在研發下一代電子干擾系統(NGJ)，計劃在2020年開始實施。NGJ采用了基于氮化鎵的AESA技術，在體積較小情況下可產生實現原干擾系統近3倍的功率。

作為空空導彈重要組成部分之一的引信普遍面臨著抗有源干擾需求。未來引信還要面臨更加復雜多樣的干擾環境，能夠適應大功率基于數字儲頻的干擾環境是無線電引信亟待解決的問題。

目前國內外引信主要采取的對抗方式包括復雜調制波形抗干擾技術、跳頻等頻率抗干擾技術、窄波束天線等方向選擇抗干擾技術、距離門[5]等距離選擇抗干擾技術以及信號處理抗干擾技術等。

復雜調制包括隨機碼調相、隨機脈位等調制方法，復雜調制采用相關接收技術，對欺騙式干擾具有較強的對抗能力。復雜調制的不足在于，其距離截止特性基底較大，因此,位于非相關區的強欺騙式干擾或強背景干擾仍能對引信探測帶來較大影響。

現有跳頻技術一般采取毫秒量級的有限幾個頻率間跳變，容易被干擾設備捕獲和跟蹤，起不到避開干擾的目的，不能完全滿足對抗新型大功率有源干擾的需要。

脈間隨機捷變頻引信技術采取了快速頻率跳變，使得干擾機難以瞬時追蹤和復制引信信號，解決無線電引信在基于數字儲頻的欺騙式干擾環境下的目標探測問題，同時寬頻帶的頻率跳變能夠跳出干擾機的干擾帶寬或迫使干擾機采用大帶寬干擾模式，減小壓制式干擾對引信的影響。

1 脈間隨機捷變頻引信工作原理和組成

脈間隨機捷變頻引信采用脈沖多普勒工作體制，主要利用目標回波的多普勒特性對信號進行判別。使用脈間隨機捷變頻射頻發射和接收技術和脈間隨機捷變頻目標檢測技術實現脈間隨機捷變頻。其工作原理描述如下：

引信加電后，微波振蕩源開始工作，輸出脈間隨機捷變頻信號，經脈沖調制后形成射頻脈沖信號，射頻脈沖信號經功率放大器放大后，由功分器平均分配到兩根發射天線發射出去。

目標回波信號由兩根接收天線接收，經功合器合成為一路信號，由接收開關進行微波距離選通后，經低噪聲放大器進入中頻混頻器，輸出含多普勒信息的中頻脈沖信號，經中頻放大后，送入信號處理機；信號處理機的高速ADC將中頻信號采樣后送入FPGA，經預處理、目標檢測等算法處理，形成目標存在信號。按照不同目標類型、交會狀態延時一定時間后，輸出近炸信號給執行級形成炸點。

脈沖多普勒引信系統組成和功能如圖1所示。

脈間隨機捷變頻射頻收發技術是脈間隨機捷變頻引信的核心技術，需滿足引信大范圍快速頻率捷變的要求。

脈間捷變頻信號源的實現方法一般有3種：直接頻率合成、間接式頻率合成、直接數字頻率合成(DDS)[6]。3種頻綜技術的性能比較如表1所示。

表1 不同頻綜技術主要性能比較Table 1 Comparison of the performance of different frequency synthesis

由于DDS方法的變頻速度快，可以達到800 ns以內的變頻速度，同時頻點靈活多變，頻點間頻率可以做到較寬的頻率差，但雜散較大。其雜散和諧波頻率可以進行相關仿真和試驗，通過多路濾波等方法使雜散不進入接收機帶寬內，降低其對引信的影響，所以采用DDS的方法是較好的實現途徑之一。

發射信號為[7-8]

uT(t)=ATuPAM(t)cos(2π(f0+Δfai)t+φ0)

(1)

式中：uPAM(t)為PAM波形；f0為發射的毫米波；Δf為跳頻間隔；ai為第i個編碼值。

回波信號為

uR(t)=ARuPAM(t-τ)cos[2π(f0+Δfai)(t-τ)+φ0]

(2)

回波信號的相位為

φR=2π(f0+Δfai)(t-τ)+φ0

(3)

回波信號的頻率為

(4)

uR(t)=ARuPAM(t-τ)cos[2π((f0+Δfai)+fd)t+φ0]

(5)

經過混頻濾波后，輸出信號為去跳頻化的中頻信號，再將中頻信號進行變頻處理，得到多普勒信號，其表達式為

uI(t)=uPAM(t-τ)cos[ωdt+φI]

(6)

2 抗干擾性能分析

脈間隨機捷變頻引信通過大范圍快速跳頻提升引信的抗干擾性能，以下對脈間隨機捷變頻引信抗干擾性能進行分析仿真。

2.1 壓制式干擾

當壓制式干擾進入引信接收機時，其信號呈現類似于噪聲分布的特點，利用信號頻譜特征可以識別，不會引起引信虛警。但由于引信接收機內的噪底抬高，可能會造成引信靈敏度下降，在噪聲特別嚴重時，甚至會引起引信拒炸。

引信在壓制式干擾中探測目標的能力可以用燒穿距離來表征。引信在作用距離內受到有源干擾時，接收機將同時收到目標回波和有源干擾信號。當有源干擾信號強于目標回波時，干擾機能夠掩護目標，起到干擾效果；當干擾信號弱于目標回波時，目標暴露，干擾失效。目標回波和干擾信號功率相等時的彈目距離即為燒穿距離。

燒穿距離越小，干擾機掩護目標的區域越大，暴露區域的半徑越小，雷達受干擾的程度越嚴重，干擾效果越好。

進入引信的干擾信號功率為

(7)

式中：PF為干擾機發射功率；GF，GJ分別為干擾機發射天線增益和干擾方向上引信接收天線增益；Δf為引信接收機帶寬；ΔF為干擾機干擾帶寬；R1為干擾距離。

進入引信的目標回波信號功率為

(8)

式中：Pt為引信發射功率；Gt，Gr分別為目標方向上引信發射天線增益和接收天線增益；σ為目標后向散射截面積；τ為引信發射脈寬；T為引信重復周期；R2為引信探測距離。

對自衛干擾而言，干擾機配置在目標上，有R1=R2=R，令Pnr=Psr，則有

(9)

由于引信天線為窄波束天線，主瓣波束寬度較窄，則考慮干擾信號從引信副瓣方向進入引信。

針對典型參數的壓制式干擾進行了分析，取引信發射功率Pt=1 W；目標方向上引信發射天線增益和接收天線增益Gt=Gr=10 dB，干擾方向上引信天線增益-15 dB，引信接收機帶寬Δf=100 kHz，干擾機有效輻射功率300 W，干擾噪聲帶外抑制度為20 dB時，分析干擾帶寬為10 MHz,300 MHz和2 GHz的干擾情況下脈間隨機捷變頻引信的抗壓制式干擾性能。

對于帶寬10 MHz和300 MHz的壓制式干擾，引信接收到足夠大的干擾信號后，引信采用頻率捷變技術，可以跳出干擾帶寬，壓制式干擾信號對引信影響主要體現在干擾信號的帶外噪聲對引信的影響上。假設干擾噪聲帶外抑制度為20 dB，通過仿真計算，相對于不使用跳頻技術的引信來說，此時使用脈間隨機捷變頻技術，可以使引信的燒穿距離提高至原來的17倍。

對于帶寬2 GHz的壓制式干擾，由于其干擾帶寬較大，脈間隨機捷變頻引信躲不開干擾信號。此時捷變頻失效，但在同樣干擾功率下，干擾信號的功率譜密度降低。例如，對比帶寬300 MHz的壓制式干擾，帶寬2 GHz壓制式干擾的功率譜密度降低了8.2 dB，可以起到降低壓制式干擾效果的作用。

2.2 欺騙式干擾

欺騙式干擾可以分為距離拖引干擾、速度拖引干擾、復合干擾、轉發式干擾等，其中轉發式干擾具有距離和速度二維欺騙條件，可以作為典型干擾條件。

轉發式干擾與目標回波信號類似，其特點是干擾機偵收引信的射頻信號，將引信信號復制放大，經適當調制(如多普勒速度欺騙)后再轉發給引信，使之產生虛假的目標信號。其表達式為

sj(t)=Aj·u(t-trj-tj)cos[(ω0+ωd)(t-trj-tj)+ψrj+ψj]

(10)

式中：ω0為引信射頻角頻率；ωd為干擾機施加的多普勒欺騙調制；trj為引信與干擾機之間距離造成的時間延遲；tj為干擾機時延；Aj為干擾機回波信號幅度；ψrj為干擾機的初相；ψj為干擾機的相移。這里的tj，Aj，ψj可人為調整。

當引信工作在脈間隨機捷變頻狀態時，由于隨機信號的不確定性及其良好的自相關特性，轉發式干擾信號只有進入偽隨機碼的下一周期，才能與隨機碼重合，達到干擾效果。

由于引信是近距離加電，引信在接收到干擾信號時，其干擾時間已經非常短。對于采用長周期的偽隨機信號或隨機信號來說，干擾機很難進入隨機碼的下一周期，所以轉發式干擾不會使引信早炸。

根據轉發式干擾特點，對不使用脈間隨機捷變頻技術以及使用8階的Costas[9]序列脈間隨機捷變頻技術時，干擾信號與本地信號的相關特性的仿真結果如圖2所示。

圖2 干擾信號與本地信號相關特性對比Fig.2 Comparision of correlation characteristics of active jamming signal and pseudorandom code signal

從圖中可以看出，如果不使用脈間隨機捷變頻技術，轉發式干擾的干擾信號與本地信號具有重復周期的相關性，其具有周期性的干擾效果；而對于使用脈間隨機捷變頻技術后，其干擾信號與本地信號的自相關特性呈尖峰狀，歸一化后其最高旁瓣僅為主瓣的1/6，表明脈間隨機捷變頻技術具有良好的抗干擾特性。

對于進入引信接收機的欺騙式干擾信號，當欺騙式干擾功率較大時，干擾信號可以看成一種有色噪聲，對引信檢測目標能力有一定的影響。欺騙式干擾信號對引信的影響程度與相同功率、相同干擾帶寬下的壓制式干擾信號的影響程度相似。

3 脈間隨機捷變頻體制下的目標檢測

對于脈間捷變頻引信，其跳變頻率較快，在一個頻域信號處理周期內，引信會發射不同頻率的脈沖信號，對于不同頻率信號的多普勒回波，其幅度有一定差異，需要考慮補償的問題[10-11]。

根據式(8)，不同頻率下的發射功率、天線增益變化、系統損耗是系統固有的，不同頻率之間的差異可以通過仿真和測試獲得。

另外，由于系統帶寬的限制，最低頻點與最高頻點的發射功率以及增益也會受到影響，最終表現在信號的幅度上，可以通過最終系統的測試結果對其不一致性進行補償。

捷變頻對幅度的影響可以通過計算以及測試的方式得到每個頻點需要補償的具體值，并將這些值存儲于ROM中。由于某一時刻發射的頻點是已知的，可以給每個頻點一個標記，從而在接收到這個頻點信號時，將對應的補償值加權到信號幅度上。具體實施過程如下：當發射某一頻點信號時，在接收到的帶有多普勒信息的中頻信號上加權相應的幅度補償數值，再進行后端的信號預處理以及目標檢測。

由于在捷變頻過程中，天線波束傾角會變化，根據仿真結果，天線波束傾角變化如表2所示。

表2 天線波束傾角變化Table 2 Change of antenna beam inclination angle

由于天線波束傾角變化，引信在探測目標過程中，其探測的目標部位也在變化，這將引起回波信號的閃爍。

經過分析，可以采用寬波束天線的方式減少目標回波閃爍帶來的影響。在某次相對速度為1 000 m/s、正迎頭交會過程中，針對典型目標交會狀態，對不同波束傾角的多普勒回波信號進行了數字仿真，結果如圖3所示。

圖3 不同波束寬度回波信噪比仿真結果比較Fig.3 Comparison of echo SNR on different beamwidth

由圖可以看出，采用寬波束天線后，回波功率下降不明顯，而回波信噪比有了大約6 dB的提升。

綜上所述，由于頻率捷變帶來的目標回波幅度閃爍導致目標的信噪比降低，并且將回波的頻譜展寬，會影響到頻域的目標檢測。通過使用寬波束天線后，脈間隨機捷變頻回波信號信噪比下降情況不明顯。

4 結 論

為了對抗空中日益嚴重的干擾威脅，脈間隨機捷變頻引信采用DDS方法實現大范圍快速頻率捷變。經過仿真分析，脈間隨機捷變頻技術能夠有效提高引信的抗干擾性能。通過幅度補償和采用寬波束天線，可以減少脈間隨機捷變帶來的目標檢測問題。