第二章-伪码调相脉冲多普勒复合引信原理

第二章伪码调相脉冲多普勒复合引信原理伪码调相脉冲多普勒复合引信系统式伪码调相引信和脉冲多普勒引信的复合体制引信，所以在介绍伪码调相脉冲多普勒复合引信之前，有必要对伪码调相引信和脉冲多普勒引信的原理做简单介绍。2.1伪码调相引信原理及其特征信号分析2.1.1伪码调相引信工作原理伪码调相引信具有检测灵敏度高、距离截止特性好、抗干扰能力和测距能力强灯特点，成为引信体制中重要的发展方向之一。伪码调相引信是一种发射信号相位按调制信号作规律变化的引信，伪码调相系统采用二相相移键控调制方式，又称为BPSK调制，其原理框图如图2.1所示，主要由射频振荡器、伪码产生器、0/π调相器、混频器、收发天线、恒虚警接收机、相关器、检波以及信号处理器、执行级组成。0/π调相器混频器恒虚警接收机相关器信号处理高频振荡器执行级伪码产生器延迟器发射天线接收天线图2.1伪码调相引信原理框图参照图2.1，整个伪码调相引信的工作原理如下：首先伪码产生器产生的伪随机码对射频振荡器产生的高频载波进行0/π调相，由发射天线向外辐射。当发射信号遇到目标发射回来后，进入接收天线，与本振信号进行混频，滤波后输出中频信号。随后进入恒虚警接收机进行归一化处理，再进入相关器与固定延迟的本地伪码信号作相关处理，输出含伪码自相关函数的相关信号，该信号经过检波和信号处理后，输出启动引爆信号。2.1.2伪码调相引信信号分析整个系统的工作流程如图2.1所示，首先，由伪码产生器产生m序列信号m(t)，10/2()()NcccjictTiTjNTmtrectT（2.1.1）式中11(/)20cctTrecttT其他，ip为双极性m序列，取1或者-1。m序列对本地高频载波进行0/π调相，载波信号为：00()cos()xtAt（2.1.2）式中，A为载波幅度，0载波角频率，0为载波初始相位。这里，可将初始相位0认为0，不会对研究结果产生实质性的影响，这样，载波信号可以写为：0()cosxtAt（2.1.3）经伪码调相的发射信号可表示为：0()()cosxtAmtt（2.1.4）发射信号与目标相遇后，反射回来的信号进入天线接收段，回波信号可表示为：0()()cos()rrutAmtt（2.1.5）式中，rA为回波信号幅度，为信号从引信到目标往返的时间。混频器中的本振信号与载波信号有相同的角频率，可表示为：0()cosLLutAt（2.1.6）混频器输出信号：()()()dLutrtut00()cos()cos1()cos(2)cos2rLLrddAmttAtAAmttt（2.1.7）式中，d为多普勒角频率，并且多普勒频率02/dfvfc，v为弹目相对速度，0f为载波频率，c为光速。混频器的信号经过低通滤波，滤除高次谐波分量，输出的信号可以表示为：()()cosdddutAmtt（2.1.8）可以从上式中看出，低通滤波器的输出信号为延迟的伪码信号和多普勒信号的乘积，波形图如图2.1.2所示：(a)m序列信号(b)多普勒信号(c)低通滤波器输出信号图2.1.2伪随机序列，多普勒信号以及低通滤波器输出信号低通滤波后的信号与本地固定延迟的伪码信号进行相关，本地固定延迟的伪码为：0()()dtmt（2.1.9）式中，0为预订炸高所对应的固定延迟，002/Rc，积分时间取一个伪码周期cNT，相关器输出信号的达式为：01()()cNTRcuutdtdtNT001()cos()()cNTddcAttmtdtNT（2.1.10）上式中，cosd会影响积分值，如果在一个伪码周期cNT内，dT就会改变某些伪码的极性，使()mt由“+1”变为“-1”，而“-1”变为“+1”。因此在伪码的参数选择中，一般选择周期T使得dT，即伪码的码字频率比多普勒频率高的多，在一个伪码周期内，多普勒信号的幅度保持基本不变，可将多普勒信号移到积分符号外，相关器输出信号为：001cos()()cNTRddcuAtmtmtdtNT0()cosddRA（2.1.11）式中，0()R为伪码的自相关函数，由式（2.1.11）可以看出，相关器的输出信号为伪码自相关函数与多普勒信号的乘积，信号的大小由0()R和dA决定，当0时，Ru有最大输出dA。相关器的输出送到信号处理部分，经过峰值检测、比较器最后进入执行级，当相关器的输出大于或等于比较器中的比较电平时，比较器输出启动信号，触发执行级产生引爆信号。2.2脉冲多普勒引信原理及其特征信号分析2.2.1脉冲多普勒引信工作原理脉冲多普勒引信是利用距离波门定距，综合了脉冲体制和多普勒体制引信的特点，可以测速同时也能定距。并且由于是脉冲体制，只在脉冲期间发射信号，功率较小，具有较强的抗干扰能力。脉冲多普勒引信一般用于导弹上，一般而言，外差式的脉冲多普勒引信性能比自差式的好，所以，一般都采用外差式引信。其原理框图如图2.2.1所示：高频脉冲信号是由脉冲发生器产生，脉冲信号可表示如下：00/2()()()NStAPttNT（2.1.1）式中，A为脉冲宽度；0/2P为幅值为1，宽度为0的脉冲；T为脉冲周期；()t为狄拉克函数。发射天线接收天线调制器混频器恒虚警接收机距离波门选通信号处理高频振荡器执行级脉冲发生器延迟器图2.2.1脉冲多普勒引信功能原理框图式（2.2.1）可以改写为：00/2()()()NStPttNT（2.2.2）高频脉冲对振荡器产生的本地载波进行调制，此处，将本地的载波信号初始相位取为0，并不会影响本质结果。调制信号可以写成：0000/2()cos()()NStAtPttNT（2.2.3）式中，0A为射频脉冲幅度，0为载波角频率。高频脉冲由天线发射到空间，发射信号与目标相遇后反射回来并被接收天线接收，得到的回波信号如式（2.2.4）所示：00/2()cos()()()rrNStAtPttNT（2.2.4）式中，rA为回波信号幅度，为信号往返于弹目之间的时间延迟。考虑到式（2.2.4）中的是由于弹目的相对运动所导致的，所以可以将式（2.2.4）改为：00/2()cos()()()rrdNStAtPttNT（2.2.5）式中，d为多普勒频率。接收到的回波信号先与本振高频信号进行混频，然后通过低通滤波器，滤出高次谐波，输出信号可写为：0/2()cos()()dddNStAtPttNT（2.2.6）式中，dA为低通滤波器输出的信号幅度。最后的信号处理电路是对本地基准脉冲进行固定延迟，产生距离波门，对低通滤波器输出的信号进行距离波门选通。这样，在到达预定炸高时会产生一个相关峰，输出给执行级。其实脉冲多普勒体制与伪随机码调相体制引信的信号处理电路极其相似，脉冲体制是利用脉冲产生器经过固定延迟后的距离波门与中频回波信号做相关运算，伪码体制则是利用伪随机码产生器经过固定延迟后的伪随机码与中频回波信号做相关运算。2.3伪码调相脉冲多普勒复合体制引信原理及其特征信号分析2.3.1伪码调相脉冲多普勒复合体制引信工作原理以上分别介绍了伪随机码调相引信与脉冲多普勒引信，采用伪码调相测距系统具有抗干扰能力强的特点，但是距离副瓣减小了其抗分布式杂波的干扰能力。脉冲多普勒引信具有良好的距离截止特性，同时具有距离分辨和速度分辨的特点，使之具有对抗地、海杂波干扰的能力。但是，一般的接收机对发射信号的检测灵敏度低，并且容易造成距离模糊等问题。所以，采用了伪码调相与脉冲复合体制引信，具有尖锐的距离截止特性，并使距离模糊特性得到很大的改善，抗干扰能力也同时提高，兼具了两种体制的优点。这里的伪码调相与脉冲多普勒复合调制根据脉冲的不同有两种不同的类型，如果是周期性的脉冲，相当于对伪码调相后的信号进行脉冲幅度调制，称该体制为伪码调相脉冲多普勒复合体制；如果脉冲具有脉位随机性，称为伪码调相与伪随机脉位复合体制。本论文主要研究的是第一种，伪码调相脉冲多普勒复合体制，首先介绍其基本工作原理。BPFLPF选通门混频器多普勒滤波、检波积分相关器Ur(t)Us(t)m(t-to)PAM接收发射高频振荡器伪码产生器调相器延迟器高频脉冲伪码调制器信号处理图2.3.1伪随机码调相脉冲多普勒复合体制引信基本原理伪随机码调相脉冲多普勒复合体制引信基本原理如图2.3.1所示。它主要由时序产生模块、发射模块、接收模块、信号处理电路、引信执行电路、电源电路等组成。时序产生模块主要负责产生发射的伪码与脉冲信号，并且包括产生距离波门和固定延迟的伪码脉冲信号。发射模块由高频振荡器、调相器、脉冲调制器以及发射天线组成。其功能在于向空间发射一定功率的经过伪随机码调相、高频脉冲调幅的射频脉冲信号。接收模块由接收天线、带通滤波器、混频器、低通滤波器、距离波门选通电路组成。经过混频器滤出射频载波信号，再经过距离波门选通输出被多普勒频率调制的伪随机码双极性视频脉冲序列。信号处理电路由相关器、多普勒滤波、检波信号处理电路组成。主要完成相关解调，获取目标的特征信息，在预定炸高处输出引信启动执行信号。引信执行电路收到信号处理电路给出的启动指令后，产生一个点火脉冲引爆战斗部。参照图2.3.2所示的复合调制引信工作波形，以七位m序列为例，复合引信工作过程如下：调相器在伪随机码“C”的作用下，对高频振荡器产生的射频信号的相位进行0/π调制，然后通过脉冲“A”进行脉冲幅度调制，由发射天线向预定空间辐射。图2.3.2复合调制引信工作波形图信号在遇到目标后反射回来被天线接收，经过混频器，再经过距离波门“B”对其进行距离波门选通，抑制了距离波门外的信号。混频器中的本振信号是由高频振荡器产生的少量连续信号。距离波门输出的信号幅度被多普勒频率调制，进入相关器，与本地固定延迟的伪码脉冲信号进行相关处理。当探测到的目标达到预定炸距时，目标回波信号经过混频器、距离波门选通，与本地固定延迟的相关码“D”脉冲完全一致，相关器此时输出的多普勒信号幅度最大。也就是说，随着弹目距离的接近，多普勒信号的幅度会逐渐增大，直到达到预定炸距，多普勒幅度达到最大值。相关器输出的多普勒信号，经过多普勒滤波、检波处理得到了目标的特征信息，从而完成目标的检测，并根据起爆条件，产生引信启动信号。复合调制引信的具有两次相关处理：第一次是距离波门选通；第二次是回波信号在相关器中与本地固定延迟的伪码脉冲信号做相关处理。因此可以大大抑制引信作用距离之外的干扰信号，有效地增强了其抗干扰性能。2.3.2伪码调相脉冲多普勒复合体制引信各节点信号分析复合调制引信各个节点信号波形表达式如下（忽略信号初始相位）：高频振荡器输出信号为0()cos()ttUtAt调相器输出信号为0()()cosUtAmtt脉冲调制器（PAM）输出信号为0()[]()cosAPectPAtStRmtAt其中10,1,2...[]0ARRAectAnTtnTntR其他发射信号为0S()[]()cosAsectsAttRmtAt以上各式中A——对应节点的信号幅值；0——载波角频率；()mt——取值为+1和-1的伪随机序列；RT——调制脉冲周期；A——调制脉冲宽度。接收机接收到的目标回波信号为0S()[]()cos[()]ARrectRrRAttRmtAt0[]()cos()ARectRrdAtRmtAtt式中：2()RRtc，为无线电往返于弹目之间的时延；()Rt——弹目距离；d——多普勒角频率。回波信号经过滤波器后，得到的信号如下：[]()cosARcectRHdAtSRmtAt距离波门主要是用来滤除脉冲以外的噪声。当系统检测到PAM伪随机码脉冲到来的时候，