摘 要： 引信是通過測量彈頭距地面的相對高度來控制戰(zhàn)斗部在最佳高度起爆,以提高戰(zhàn)斗部的殺傷威力。而近炸引信的目的則是在未到達(dá)預(yù)定引爆區(qū)域而又無法避免對方攔截的情況下，引爆戰(zhàn)斗部，以避免戰(zhàn)斗部被對方完全破壞后的失效。針對該應(yīng)用，本文在毫米波波段設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于調(diào)頻連續(xù)波體制的近炸引信信號處理器。
關(guān)鍵詞： 調(diào)頻連續(xù)波；毫米波；引信；信號處理

隨著現(xiàn)代攔截技術(shù)的發(fā)展，對導(dǎo)彈自我保護(hù)能力的要求越來越高。為了避免敵方攔截導(dǎo)彈對我方導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部造成致命破壞，導(dǎo)致我方武器完全失效，在被對方攔截導(dǎo)彈擊中破壞前，需要提前引爆戰(zhàn)斗部，以期能盡量對敵方造成破壞。針對這一需求，本文以比較成熟的調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）體制為基礎(chǔ)，開展了毫米波雷達(dá)近炸引信技術(shù)的信號處理技術(shù)研究和設(shè)計工作。
1 FMCW測高與測速原理
1.1 測距原理
FMCW[1]雷達(dá)系統(tǒng)通過天線向外發(fā)射一列連續(xù)調(diào)頻毫米波，并接收目標(biāo)的反射信號。發(fā)射信號的頻率在時域中按調(diào)制電壓的規(guī)律線性變化。如果采用三角波調(diào)制信號，當(dāng)雷達(dá)和目標(biāo)無相對運(yùn)動時，發(fā)射信號和回波信號形狀相同，但有時間延遲Δt，如圖1所示。

Δt與目標(biāo)距離R關(guān)系為：

其中c為光速。發(fā)射信號與回波信號頻率之差為混頻器輸出的差拍信號頻率即拍頻fb。因此：

從上述公式得出，目標(biāo)距離R與fb成正比，可以通過測量拍頻f_b來測量雷達(dá)與目標(biāo)的距離R。
1.2 測速原理
當(dāng)目標(biāo)和引信有相對運(yùn)動時，回波信號包含一個多普勒頻移f_d，如圖2所示。

由圖2可以看出，與靜止目標(biāo)不同，運(yùn)動目標(biāo)在三角波的上升沿和下降沿對應(yīng)的拍頻不同，具有對稱的特點。在三角波上升沿和下降沿輸出的拍頻分別為：

2 系統(tǒng)方案與算法設(shè)計
2.1 系統(tǒng)方案
毫米波雷達(dá)引信[2]一般采用脈沖和連續(xù)波兩種工作體制。脈沖體制在近距離需求下需要采取窄脈沖方式，當(dāng)距離很近時，發(fā)射脈沖和接收脈沖間距很小，對信號處理速度要求很高，系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜。相比較而言，采用調(diào)頻連續(xù)波體制（FMCW）更能滿足近距離、較小測距盲區(qū)的要求，這也是本文中采用調(diào)頻連續(xù)波的重要原因。
該毫米波FMCW引信屬于三角波線性調(diào)頻、調(diào)制周期恒定的定距測量引信，其硬件平臺原理框圖如圖3所示。其基本流程為：采用三角波線性調(diào)頻毫米波振蕩源，經(jīng)天線輻射等幅調(diào)頻波，經(jīng)過與目標(biāo)距離成正比例的時間延遲Δt，由目標(biāo)反射并被引信接收天線接收，經(jīng)混頻后輸出差拍信號。該差拍信號的頻率即拍頻fb與時間延遲Δt成正比，也與目標(biāo)距離成正比。該信號經(jīng)過濾波、放大、AD變換后送入FPGA進(jìn)行數(shù)字信號處理。通過諸如FFT、求模、求極值、判決等一系列處理，最后得到引信相對目標(biāo)的速度、距離信息。

該引信采用了收發(fā)天線分開的方案，隔離度好，動態(tài)范圍大，靈敏度高，短距離情況下工作性能佳。天線接收到的回波信號，經(jīng)放大、混頻后直接輸出差拍信號，結(jié)構(gòu)較為簡單，體積小，成本低，對振蕩源的頻率穩(wěn)定度要求也較低。AGC增益受回波信號的強(qiáng)度控制，目標(biāo)越遠(yuǎn)增益越大，反之亦然?；祛l器后的帶通濾波器中心頻率應(yīng)等于標(biāo)定距離處的差拍信號fb0，帶寬等于多普勒頻率的2倍，為防止發(fā)射信號泄漏和其他干擾信號對整機(jī)靈敏度的影響，該帶通濾波器的帶外抑制性能較優(yōu)。
信號處理組件擬采用全數(shù)字化處理方式，通過可編程器件FPGA實現(xiàn)信號處理和邏輯控制的功能。高速D/A用于產(chǎn)生VCO所需的三角調(diào)制信號，對其線性度要求較高，D/A的采樣率越高，分辨率越高，輸出的信號線性度越好，但采樣率和分辨率的提高會帶來技術(shù)難度和成本的提高。實際應(yīng)用中，高速D/A的輸出還需接平滑濾波器，提高調(diào)制信號的線性度，降低D/A時間離散和幅度離散對測高性能的影響。
三角波調(diào)制信號的的幅度和周期都是常數(shù)，當(dāng)目標(biāo)到達(dá)規(guī)定的距離范圍之內(nèi)時，混頻器輸出的差拍信號進(jìn)入帶通濾波器通帶，經(jīng)放大、整形后，通過FFT進(jìn)行頻率鑒別。在三角波調(diào)制信號的上升沿，由于多普勒效應(yīng)的影響，差拍信號的頻率將會升高，而在三角波調(diào)制信號的下降沿，由于多普勒效應(yīng)的影響，差拍信號的頻率將會降低，對調(diào)制信號上升沿和下降沿的差拍頻率進(jìn)行和差運(yùn)算，可以計算出平均差拍頻率和多普勒頻率大小，平均差拍頻率反映出距離信息，多普勒頻率反映出速度信息。
2.2 算法設(shè)計
設(shè)計中采用FPGA實現(xiàn)對差拍信號的全數(shù)字化處理，使用成熟的IP核技術(shù)通過基于FFT的測頻技術(shù)測量雷達(dá)引信相對目標(biāo)的距離和速度。主要算法包括測距、測速和產(chǎn)生調(diào)制所用的對稱三角波。
2.2.1 測距
測距是雷達(dá)引信應(yīng)首先完成的功能，為了使戰(zhàn)斗部破壞目標(biāo)的效果到達(dá)最佳，戰(zhàn)斗部需在特定最佳引爆距離啟爆。因此，作為引信并不需要連續(xù)測距，只需當(dāng)引信相距目標(biāo)到達(dá)特定距離時給出動作信號即可。
降低雷達(dá)引信的誤爆率是雷達(dá)引信設(shè)計中一項重要的工作。在設(shè)計中采用了多距離門順序動作的方式來提高引信的可靠性。分別在R1、R2和R3處設(shè)計了3個距離門，每個距離門以其對應(yīng)距離為中心，范圍為正負(fù)1 m，當(dāng)信號處理部分通過FFT、求模、求極值、求平均等一系列手段求得距離后，與上述3個距離門進(jìn)行比較，當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)N（該數(shù)字由系統(tǒng)的誤爆概率確定）幀的信號都滿足該距離門時，給出動作信號，只有在引信按順序給出三個動作信號的情況下才認(rèn)為確實達(dá)到引爆條件，給出最后的引爆信號。其流程圖如圖4所示。

2.2.2 測速
在測得相對距離的基礎(chǔ)上，還需要通過速度識別來判斷接近目標(biāo)是否為預(yù)設(shè)目標(biāo)（如攔截導(dǎo)彈）。在速度選通的過程中同測距一樣也需要在每幀F(xiàn)FT后都驗證其測得的速度是否匹配設(shè)定的速度門，如果連續(xù)出現(xiàn)額定次數(shù)N幀滿足該速度門的信號，引信便給出速度動作信號。其流程圖如圖5。

3 仿真與實現(xiàn)
3.1 系統(tǒng)仿真
在Matlab[3]環(huán)境下，模擬對稱三角波線性調(diào)頻信號經(jīng)延時后，通過混頻、濾波、FFT等步驟，觀測其頻譜，驗證使用對稱三角波線性調(diào)頻信號測量拍頻的可行性。其中最大頻偏Fm為150 MHz。圖6為仿真系統(tǒng)框圖。

圖7分別為混頻信號通過低通濾波器前后的信號頻譜。從圖中可以看出通過一個低通濾波器可以很容易得到需要的差拍頻率。

在方案驗證的基礎(chǔ)上，通過ModelSim對整個程序進(jìn)行仿真。仿真中，一個包含兩個頻率分別為f1和f2的正弦波模擬含有多普勒頻移的回波信號，通過雙波峰檢測算法得到回波中的兩個頻率后，對其求和以及求差得到回波的拍頻和多普勒頻移，進(jìn)而將它們與距離門、速度門進(jìn)行比較(頻率都由FFT的索引index表現(xiàn))。當(dāng)連續(xù)滿足距離門或是速度門N次后，對應(yīng)的動作信號被置為高。從圖8中可以看到拍頻在10 m對應(yīng)的速度門范圍內(nèi)連續(xù)滿足了5幀后10 m對應(yīng)的動作信號被置為高(從上往下第二個信號為速度門動作信號，第七個信號為距離動作信號)，同樣的，用于速度識別的速度動作信號也在多普勒頻移連續(xù)滿足速度門要求N幀后被置為高。

3.2 上板調(diào)試
ChipScope具有類似傳統(tǒng)邏輯分析儀的功能，能起到和傳統(tǒng)邏輯分析儀一樣的作用，而且還具有其突出優(yōu)點：可以方便地觀測FPGA內(nèi)部任何信號，這種強(qiáng)大的可觀測性為調(diào)試帶來了巨大便利，也節(jié)省了大量時間。
本設(shè)計在調(diào)試過程中應(yīng)用ChipScope調(diào)試。圖9為使用ChipScope上板調(diào)試FPGA程序的測頻結(jié)果和波形圖。
根據(jù)公式(8)可以推出，結(jié)果完全正確。

式中：index為FFT索引；f_b0為額定差拍信號頻率；NFFT為FFT計算點數(shù)；f_s為采樣頻率。
本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種毫米波FMCW雷達(dá)近炸自救引信的信號處理模塊。該信號處理方法與傳統(tǒng)算法相比，可以有效降低虛警概率，提高雷達(dá)引信的可靠性，同時，該處理算法可兼顧測距和測速，其測得的速度信息可作為判斷來襲目標(biāo)的重要判決依據(jù)，從而進(jìn)一步提高可靠性。研究中對算法進(jìn)行了大量的仿真和實驗，結(jié)果表明，該信號處理方法能可靠有效地進(jìn)行速度和距離測量。
參考文獻(xiàn)
[1] 朱啟明.雷達(dá)高度表設(shè)計理論基礎(chǔ)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1992：133-135.
[2] 楊毅，韓宇，劉建新.基于FFT的恒差拍FMCW雷達(dá)高度表數(shù)字信號處理器設(shè)計[J].信息與電子工程，2009，7(1)：48-51.
[3] 楊毅.FMCW雷達(dá)高度表數(shù)字信號處理技術(shù)研究[D].中國工程物理研究院，碩士學(xué)位論文，2009.