取样脉冲宽度对冲激引信回波信噪比的影响

宋宝军，付红卫，王 欣

（空军工程大学导弹学院，陕西 三原 713800）

0 引言

近些年，超宽带技术被广泛应用于医疗、通信、军事等各个领域［1－3］。冲激超宽带技术与引信相结合的论证及设计工作逐步展开，并取得了一定的成果［4］。冲激引信与传统近炸引信相比，功耗低，盲区小，距离截止特性好且系统结构简单［5－6］。由于超宽带冲激信号为纳秒级或更窄的脉冲，引信接收的信号为多散射点信号的叠加，进而使接收波形发生较大变化。此时，如使用直接采样、前沿检测等接收体制进行回波信号处理，必然会带来实现难度增大、检测能力受限等问题。另外，对冲激引信已有的研究多从电路参数角度出发，难以体现取样脉冲宽度对信号检测的影响。

针对上述问题，本文研究了不需要回波先验信息的取样积分接收体制，重点分析其取样脉冲宽度对冲激引信回波信噪比的影响。

1 基于取样积分器的冲激引信工作原理

基于取样积分器的冲激引信，即将取样积分电路作为引信信号处理设备的一部分，工作原理如图1所示。发射信号在时钟控制下一路经由超宽带发射天线辐射；另一路由延迟电路形成一定宽度的取样脉冲，取样脉冲完成对目标反射信号取样后，将信号送至积分器处理以恢复波形，然后经过恒虚警电路，与预定门限进行比较，当输出信号大于设定的门限时产生点火信号。

图1 冲激引信工作原理Fig.1 The operational principle of impulse radar fuze

设冲激引信输入信号为x（t）＝s（t）＋n（t），s（t）为信号，n（t）为噪声，经过n次积分平均后输出为：

式中，T为信号的脉冲重复间隔。

对于白噪声来言，由于不同时刻噪声值不相关，其幅度随机，则有：

输出为：

显然，通过积分平均，噪声得到抑制，被淹没在噪声中的信号得到恢复。设噪声功率为，则有：

所以，经过取样积分，对t0时刻信噪比的提高（SNIR）为：

这说明通过增加积累次数n，可以更充分地抑制噪声，将输出信号信噪比提高至倍，增加引信检测微弱回波信号的能力，提高系统抗干扰性能。

2 取样脉冲宽度对回波信噪比的影响

伴随回波信号的可能是很强的干扰或背景噪声，这就需要冲激引信的动态范围满足一定要求，为防止信号幅度较大时电路进入非线性区导致测量误差，必须要求引信的取样积分器由合适的门积分电路构成。门积分电路通常分为线性门、指数门2种［7］：线性门积分电路受到器件线性范围限制，比较适用于信号幅度较小的场合，而指数门积分电路具有动态范围大，积分时间常数较大等特点，比较适合用于冲激引信中。

指数门积分电路由RC电路和采样开关K串联而成，如图2所示。

图2 指数门积分电路示意图Fig.2 Schematic diagram of exponential integral circuit

设r（t）的周期为T，取样脉冲宽度为Tg，在取样门K的作用下，Tg时间内电压x（t）经电阻R对电容C积分，其余时间电压保持不变。当输入为一个阶跃电压Vi后，其阶跃响应为图3中的实折线。此时可将阶跃响应近似为：

式（6）表示的uo（t）与t之间的关系，可以用图3中虚线表示，该虚线可以看做图中折线的平均。这时，输出从0上升到0.632 Vi所需要的等效时间常数Te＝RCT／Tg。

如果开关K始终闭合的情况下，阶跃响应如图3中点划线所示，这时，输出从0上升到0.632 Vi所需要的等效时间常数Tc＝RC。通过两种情况对比，不难发现，在取样脉冲的控制下，开关的作用使积分时间常数增加了很多，进而增大了指数积分电路的动态范围，减少了引信测量误差。因此，取样脉冲的开关控制作用，对引信性能有较大影响。为研究该问题，下面阐述了取样脉冲宽度与积累次数的选取方法，研究不同宽度取样脉冲对回波信噪比的影响：

1）取样脉冲宽度Tg

在取样积分器工作过程中，取样脉冲宽度Tg不能太宽，否则会损失信号中的高频分量，如果要求对被恢复信号的最高频率分量fc的衰减不大于3dB，则要求Tg≤0.42／f。

信号的上升沿或下降沿时间越小，其最高频率分量就越高，对于冲激引信回波信号，其最高频分量达到8GHz左右。因此，为保证精度，必须选取合适的取样脉冲宽度。

2）积累次数n

当设定引信起爆距离后，取样脉冲与发射脉冲的时间关系固定。设引信的飞行速度为V，回波脉冲串在每一次经过采样脉冲时，会有Δt时间的位移，Δt＝2VT／c，其中T为信号周期，c为光速。那么，在这种情况下，回波信号中每一点可以看做被积累Tg／Δt次。

设弹目相对飞行速度V＝1 000m／s，冲激信号发射周期T＝500ns。当取样脉冲宽度Tg＝100ps时，积累次数n＝30，当取样脉冲宽度Tg＝165ps时，积累次数n＝50。

图3 指数门积分电路的阶跃响应Fig.3 The step response of exponential integral circuit

通过对取样脉冲宽度与信号积累次数的研究发现，较大的取样脉冲宽度能够保证回波信号有足够的积累次数，但会导致其高频分量被大量衰减；较小的取样脉冲宽度保留了回波的高频分量部分，但又会使其积累次数不足。因此，只有选取合适的脉冲宽度，才能较好地改善回波信噪比。

3 仿真验证

本文利用两种不同宽度的取样脉冲对回波信号进行处理，仿真和验证不同取样脉冲宽度对回波信噪比的影响。设冲激信号为发射重频2MHz的脉冲串，其单个脉冲为无直流分量易于天线辐射的高斯脉冲二阶导数，表达式为：

σ2为高斯脉冲的方差，上述高斯脉冲经发射、接收天线两次微分后所形成的回波脉冲串及其单个脉冲仿真结果如图4所示。

图4 回波信号脉冲串Fig.4 UWB echo signal

设噪声信号为服从（0，σ2）的高斯白噪声，噪声电压瞬时值为：

式中，σ2为高斯白噪声的方差，即噪声的有效功率，输入信噪比为：

E为单个脉冲能量。令信噪比SNRi＝1dB，淹没在噪声中的回波信号仿真结果如图5所示。此状态无法完成回波信号的门限检测。

根据上文所述参数设定，基于取样积分器工作原理，分别在取样脉冲宽度100ps，165ps即对应的积累次数n＝30，n＝50时，对该噪声背景下回波信号的处理进行仿真，得到结果如图6所示。

当n＝30时，目标回波信号明显高于噪声信号，其输出信噪比SNRo约为5.5B，引信的检测性能较图5已有明显改善。

当n＝50时，目标回波信号幅值仍然高于噪声信号且噪声被更好地平滑，其输出信噪比SNRo约为7.1dB。引信的检测性能有了进一步改善。

图5 淹没在噪声中的回波信号Fig.5 UWB echo signal with noise

图6 n＝30和n＝50时的处理结果对比Fig.6 The contrast of disposal result with different sampling times

由图6还可知，随着积累数n的增加，有用回波信号的峰值逐渐下降，所以并不能为了增加积累数而盲目加大取样脉冲宽度Tg，这样会造成信号的高频分量损失，进而抵消多次积累所带来的信噪比改善效果。n＝30和n＝50时取样积分器的最终输出信号如图7所示。

图7 n＝30和n＝50时的取样积分器输出信号Fig.7 The sampler and integrator output waveforms of different sampling times

通过大量仿真发现，当积累次数n＞150后，回波信号的峰值下降明显，严重影响信号的提取。所以，在本文引信参数前提下，积累次数n处于［30，100］区间内，所对应的取样脉冲宽度为100～330ps之间时，基于取样积分器的冲激引信可较好地将淹没在噪声中的回波信号恢复出来，有效改善回波信噪比，使输出信号满足引信后续处理电路的需求，提高抗干扰能力。

4 结论

本文分析了取样脉冲宽度对基于指数门取样积分器的冲激引信回波信噪比的影响。分析表明：只有取样脉宽在一定范围内时，才能保证回波有足够的积累，并充分保留信号的高频分量，提高信噪比。仿真表明：只有在考虑引信实际情况的前提下，选取适当的取样脉宽，才能有效改善回波信噪比，增强引信把信号从噪声干扰中提取出来的能力。另外，深入探索制约冲激引信回波信噪比改善的其他因素，也是笔者进一步努力的方向。

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