对空冲激引信技术

刘跃龙

(上海无线电设备研究所,上海200090)

0 概述

现代和未来战争对近炸引信的要求越来越高,尤其是对其抗干扰能力、精确定距和抗隐身能力以及经济性等诸方面要求更为严格[1]。在这种环境下,新型引信也必将会应运而生,其中,冲激引信就是很有潜力的一种,冲激引信技术基于脉冲雷达测距原理,但它与传统的脉冲雷达之间有着本质区别。它所发射脉冲宽度极窄,通常在ns级且不借助任何载波就能辐射。时域里的极窄脉冲对应频域里的极宽频谱,所以冲激引信技术亦属于超宽带技术,而超宽带技术在国际上被认为是下一世纪电子与雷达系统的一个主要发展趋势。冲激引信发射信号的超宽带特性及在系统中采取的相应技术措施使其具有一系列重要技术特点:良好的抗有源干扰性能、潜在的抗隐身功能、高精度定距功能、体积小、重量轻、功耗低、性价比高[2]。

美国在超宽带通讯和雷达方面开展了大量研究并取得了很大进展。美国国防部把冲激雷达引信技术作为优先发展的项目之一,目前已经成功研制出火箭弹、航弹、导弹子弹、40mm榴弹等武器系统的冲激引信。从事冲激雷达引信研究的单位有劳伦斯.利弗莫尔实验室等。

国内有多家单位进行了对地、对空冲激引信研究,并取得了较大的进展。

以红外制导为主的精确制导导弹,对引信的需求是有优良的抗干扰能力、全天候作战能力、较好的抗隐身功能、距离锐截止功能,以及体积小、重量轻、功耗低、性价比高。激光引信具有优良的抗有源干扰能力、较好的抗隐身功能、体积较小及重量较轻等功能,受到军方的重视,但激光引信容易受云、雾、雨、雪、光等自然干扰,存在全天候作战能力不强以及成本偏高(尤其是对于便携式导弹)等缺点,而前述冲激引信的特点正好满足精确制导导弹需求,因此适用于精确制导导弹引信。

1 工作原理

冲激引信要求发射的极窄脉冲脉宽通常小于1 ns,因此发射部分的关键在于如何产生脉宽极窄的脉冲。针对接收信号是时域的窄脉冲,接收电路则采用超宽带接收机[3],确认目标的存在后,产生启动信号。冲激引信系统的工作原理框图如图1所示。

引信系统由发射单元和接收单元组成,具体由收发分开天线、功分器、超窄脉冲产生器、脉冲整形电路、时序电路、接收开关、低噪声放大器、超宽带接收机及信号处理电路等组成。

采用天线收发分开有利于收发隔离,有利于达到较大的作用距离。天线尺寸与频率密切相关,天线尺寸不能太大,因此频率不能太低。

发射单元产生脉冲宽度小于1 ns的超窄脉冲串,并通过共形天线发射出去。回波信号经收发分开的共形接收天线接收,接收信号经接收开关和低噪声放大器放大后进入超宽带接收机,超宽带接收机对回波信号进行相关处理,具体为经脉冲整形的前后沿极陡的脉冲与回波脉冲进行相关,对运动目标可产生低频交流信号,从而可通过低通、放大、带通滤波(滤掉杂波分量),以及信号处理电路和启动电路产生引信启动信号。

2 关键技术

对空冲激引信关键技术主要有与防空导弹弹体共形的超宽带天线技术、超窄脉冲产生器技术和基于超宽带雷达动目标检测原理的匹配接收机技术。

2.1 与防空导弹弹体共形的超宽带天线技术

与防空导弹弹体共形的超宽带天线,可采用微带馈线缝隙天线[4]。一般的缝隙天线带宽为10%左右,为了展宽带宽可以将缝隙宽度变大,然而随着缝隙宽度的逐渐增大,缝隙的辐射阻抗也就相应增加,这将直接导致缝隙与微带馈源的阻抗失配。因此,可设计十字形馈元结构,这将有利于天线方向图的稳定性,有利于展宽天线的带宽。宽带缝隙微带天线的基片为高介电常数的介质,正面为在金属镀层上开了一个介质窗口,用于发射脉冲信号,整个反面为介质面但有一个十字馈线,具有方向性较好、增益较高等优点,且能与导弹共型,如图2所示。

图2 平面天线示意图

由于天线工作频率低,波长长,而天线尺寸又小,必须采用高介电常数的基片,而高介电常数的基片非常硬,难以弯曲,为了达到与圆柱形弹体共形的目的,必须采用特殊的加工工艺,难度大,成本高,在弯曲面上进行微带电路加工难度也很大,可采用最新软性材料研制的平面高介电常数的基片,电路作好后可以弯曲,从而与弹体共形。由于软性材料还是有相当硬度的,用手工弯曲易使天线产生裂纹,影响天线性能,可改进装配工艺以解决天线弯曲易产生裂纹的问题,从而解决天线共形问题。

2.2 基于阶跃恢复二极管的超窄脉冲产生器技术

冲激引信为达到精确定距、抗干扰和抗隐身技术等要求,其窄脉冲宽度应选在不大于1 ns。要产生这样的窄脉冲,且要求波形好、振铃小,拟采用阶跃二极管产生脉冲的技术。这样可直接利用弹上电源,在较低电源电压下工作,不必采用高压变换,以减小引信体积。

阶跃恢复二极管利用大的存储时间获得大的输出幅度,利用小的暂态时间获得快速变化的波形,产生的超窄脉冲幅度大、边沿陡。

一种基于CPLD和阶跃恢复二极管的超窄脉冲产生器原理框图如图3所示,基准脉冲产生器可由基于CPLD的时序电路产生[5],时序电路除产生基准脉冲外还为整个系统提供接收时序脉冲。基准脉冲通过脉冲放大电路进行放大,再通过驱动电路产生有较大电流驱动能力的较大幅度脉冲,作用于阶跃恢复二极管,产生边沿陡峭的脉冲,再将该边沿陡峭的脉冲经延时并反向后与未延时的脉冲合成,就能产生超窄脉冲。冲激脉冲可以是单极性脉冲,也可以是双极性脉冲。

图3 超窄脉冲产生器原理框图

根据原理框图3设计出一种电路,产生出超窄单极性脉冲,测试脉宽为0.6 ns幅度约为12.6 V。

2.3 基于超宽带雷达动目标检测原理的匹配接

收机技术

冲激引信超宽带接收机原理框图,如图4所示。

目标回波信号经收发分开的共形接收天线接收,接收回波信号经低噪声放大器放大后进入超宽带接收机,超宽带接收机对回波信号进行相关处理,具体为经脉冲整形的前后沿极陡的脉冲与回波脉冲进行相关处理,根据超宽带雷达动目标检测原理,对运动目标可产生低频交流信号,从而可通过低通、放大、带通滤波(滤掉杂波分量),以及信号处理电路和启动电路产生引信启动信号。

图4 超宽带匹配接收机原理框图

该项技术的关键在于宽带相关器设计、脉冲整形、以及超宽带接收电路印制板设计。

3 原理样机与试验验证

根据原理框图1可研制出一种小型化原理样机,经1∶1低速模拟试验场1∶1试验证明,引信可在一定距离范围内全方位探测目标,对于长空1号靶机,引信作用距离可达到7m以上,且无盲区。试验图片如图5和图6所示。

图5 长空靶机1∶1试验1

图6 长空靶机1∶1试验2

冲激引信原理样机还在某重点试验室进行了室内(电波暗室)抗干扰试验,目的是检验引信的抗有源干扰的能力。

(1)测试引信灵敏度

引信加电,在引信天线前方6m挥动小铝板模拟目标回波,经试验证实小铝板的反射与实际目标反射相仿,此时引信能够正常启动。

(2)测试引信发射频谱

引信置于暗室中的桌上,引信天线正前方5 m为干扰天线,可接收引信发射信号,引信加电,干扰机柜的测试仪器可测出引信频谱。由引信发射脉冲频谱可知,发射信号具有典型的超宽带特征。

(3)抗干扰性能测试

干扰机以发射频谱的最大谱值对应频率为中心频率分别对引信施加噪声调幅、噪声调频、锯齿波调幅、正弦调频和扫频干扰,试验证明,在已知引信的工作频率范围并实施针对性的干扰时,冲激引信的抗干扰性能与目前抗干扰性能比较先进的其它类型引信(如0/π调相PD引信)相当,特别是冲激引信发射脉冲窄,频谱宽,抗侦察能力强,一般的干扰机均无法侦察到超窄脉冲信号,很难实施有针对性的干扰。

4 结论

冲激引信的研制主要需攻克超窄脉冲产生器技术、引信超宽带接收及信号处理技术和与导弹弹体共形的超宽带天线技术;通过原理样机的研制和试验,证明引信可在一定距离范围内全方位探测目标,对于长空1号靶机,引信作用距离可达7 m以上,且无盲区,并具有优良的抗干扰性能。冲激引信将为新一代防空导弹引信提供技术储备,适用于精确制导导弹引信。

[1] 施荣.国外导弹引信技术的最新发展[J].国防科技期刊,2007.

[2] 程受浩,等.高精度冲激引信技术[J].制导与引信,1999.

[3] 刘跃龙.冲激引信研究[C].青岛引信年会论文集,2005.

[4] YW Jang.Broadband Cross-shaped M icrostrip-fed Antenna[J].Electronics Letters,2000,7(12):2057-2058.

[5] 徐志军,等.CPLD和FPGA的开发与应用[J].电子工业出版社,2002.