脉间随机捷变频脉冲多普勒引信技术

于海波，李 晓，李 倩，马 珩，亓 东

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009)

0 引 言

空空导弹面临着严重的电磁干扰威胁[1]，尤其是目前基于数字储频的能够实现快速跟踪功能的大功率有源干扰，对无线电引信的工作带来很大威胁[2-4]。干扰设备上采用的数字储频技术，可提高干扰设备的快速响应能力和相参复制能力，改善了测频时间长、瞄频不准等因素，实现脉内复杂信号的高保真存储复制，存储时间长，能够调制复杂的欺骗干扰，使欺骗效果大幅度增强。美国正在研发下一代电子干扰系统(NGJ)，计划在2020年开始实施。NGJ采用了基于氮化镓的AESA技术，在体积较小情况下可产生实现原干扰系统近3倍的功率。

作为空空导弹重要组成部分之一的引信普遍面临着抗有源干扰需求。未来引信还要面临更加复杂多样的干扰环境，能够适应大功率基于数字储频的干扰环境是无线电引信亟待解决的问题。

目前国内外引信主要采取的对抗方式包括复杂调制波形抗干扰技术、跳频等频率抗干扰技术、窄波束天线等方向选择抗干扰技术、距离门[5]等距离选择抗干扰技术以及信号处理抗干扰技术等。

复杂调制包括随机码调相、随机脉位等调制方法，复杂调制采用相关接收技术，对欺骗式干扰具有较强的对抗能力。复杂调制的不足在于，其距离截止特性基底较大，因此,位于非相关区的强欺骗式干扰或强背景干扰仍能对引信探测带来较大影响。

现有跳频技术一般采取毫秒量级的有限几个频率间跳变，容易被干扰设备捕获和跟踪，起不到避开干扰的目的，不能完全满足对抗新型大功率有源干扰的需要。

脉间随机捷变频引信技术采取了快速频率跳变，使得干扰机难以瞬时追踪和复制引信信号，解决无线电引信在基于数字储频的欺骗式干扰环境下的目标探测问题，同时宽频带的频率跳变能够跳出干扰机的干扰带宽或迫使干扰机采用大带宽干扰模式，减小压制式干扰对引信的影响。

1 脉间随机捷变频引信工作原理和组成

脉间随机捷变频引信采用脉冲多普勒工作体制，主要利用目标回波的多普勒特性对信号进行判别。使用脉间随机捷变频射频发射和接收技术和脉间随机捷变频目标检测技术实现脉间随机捷变频。其工作原理描述如下：

引信加电后，微波振荡源开始工作，输出脉间随机捷变频信号，经脉冲调制后形成射频脉冲信号，射频脉冲信号经功率放大器放大后，由功分器平均分配到两根发射天线发射出去。

目标回波信号由两根接收天线接收，经功合器合成为一路信号，由接收开关进行微波距离选通后，经低噪声放大器进入中频混频器，输出含多普勒信息的中频脉冲信号，经中频放大后，送入信号处理机；信号处理机的高速ADC将中频信号采样后送入FPGA，经预处理、目标检测等算法处理，形成目标存在信号。按照不同目标类型、交会状态延时一定时间后，输出近炸信号给执行级形成炸点。

脉冲多普勒引信系统组成和功能如图1所示。

脉间随机捷变频射频收发技术是脉间随机捷变频引信的核心技术，需满足引信大范围快速频率捷变的要求。

脉间捷变频信号源的实现方法一般有3种：直接频率合成、间接式频率合成、直接数字频率合成(DDS)[6]。3种频综技术的性能比较如表1所示。

表1 不同频综技术主要性能比较Table 1 Comparison of the performance of different frequency synthesis

由于DDS方法的变频速度快，可以达到800 ns以内的变频速度，同时频点灵活多变，频点间频率可以做到较宽的频率差，但杂散较大。其杂散和谐波频率可以进行相关仿真和试验，通过多路滤波等方法使杂散不进入接收机带宽内，降低其对引信的影响，所以采用DDS的方法是较好的实现途径之一。

发射信号为[7-8]

uT(t)=ATuPAM(t)cos(2π(f0+Δfai)t+φ0)

(1)

式中：uPAM(t)为PAM波形；f0为发射的毫米波；Δf为跳频间隔；ai为第i个编码值。

回波信号为

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

(2)

回波信号的相位为

φR=2π(f0+Δfai)(t-τ)+φ0

(3)

回波信号的频率为

(4)

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

(5)

经过混频滤波后，输出信号为去跳频化的中频信号，再将中频信号进行变频处理，得到多普勒信号，其表达式为

uI(t)=uPAM(t-τ)cos[ωdt+φI]

(6)

2 抗干扰性能分析

脉间随机捷变频引信通过大范围快速跳频提升引信的抗干扰性能，以下对脉间随机捷变频引信抗干扰性能进行分析仿真。

2.1 压制式干扰

当压制式干扰进入引信接收机时，其信号呈现类似于噪声分布的特点，利用信号频谱特征可以识别，不会引起引信虚警。但由于引信接收机内的噪底抬高，可能会造成引信灵敏度下降，在噪声特别严重时，甚至会引起引信拒炸。

引信在压制式干扰中探测目标的能力可以用烧穿距离来表征。引信在作用距离内受到有源干扰时，接收机将同时收到目标回波和有源干扰信号。当有源干扰信号强于目标回波时，干扰机能够掩护目标，起到干扰效果；当干扰信号弱于目标回波时，目标暴露，干扰失效。目标回波和干扰信号功率相等时的弹目距离即为烧穿距离。

烧穿距离越小，干扰机掩护目标的区域越大，暴露区域的半径越小，雷达受干扰的程度越严重，干扰效果越好。

进入引信的干扰信号功率为

(7)

式中：PF为干扰机发射功率；GF，GJ分别为干扰机发射天线增益和干扰方向上引信接收天线增益；Δf为引信接收机带宽；ΔF为干扰机干扰带宽；R1为干扰距离。

进入引信的目标回波信号功率为

(8)

式中：Pt为引信发射功率；Gt，Gr分别为目标方向上引信发射天线增益和接收天线增益；σ为目标后向散射截面积；τ为引信发射脉宽；T为引信重复周期；R2为引信探测距离。

对自卫干扰而言，干扰机配置在目标上，有R1=R2=R，令Pnr=Psr，则有

(9)

由于引信天线为窄波束天线，主瓣波束宽度较窄，则考虑干扰信号从引信副瓣方向进入引信。

针对典型参数的压制式干扰进行了分析，取引信发射功率Pt=1 W；目标方向上引信发射天线增益和接收天线增益Gt=Gr=10 dB，干扰方向上引信天线增益-15 dB，引信接收机带宽Δf=100 kHz，干扰机有效辐射功率300 W，干扰噪声带外抑制度为20 dB时，分析干扰带宽为10 MHz,300 MHz和2 GHz的干扰情况下脉间随机捷变频引信的抗压制式干扰性能。

对于带宽10 MHz和300 MHz的压制式干扰，引信接收到足够大的干扰信号后，引信采用频率捷变技术，可以跳出干扰带宽，压制式干扰信号对引信影响主要体现在干扰信号的带外噪声对引信的影响上。假设干扰噪声带外抑制度为20 dB，通过仿真计算，相对于不使用跳频技术的引信来说，此时使用脉间随机捷变频技术，可以使引信的烧穿距离提高至原来的17倍。

对于带宽2 GHz的压制式干扰，由于其干扰带宽较大，脉间随机捷变频引信躲不开干扰信号。此时捷变频失效，但在同样干扰功率下，干扰信号的功率谱密度降低。例如，对比带宽300 MHz的压制式干扰，带宽2 GHz压制式干扰的功率谱密度降低了8.2 dB，可以起到降低压制式干扰效果的作用。

2.2 欺骗式干扰

欺骗式干扰可以分为距离拖引干扰、速度拖引干扰、复合干扰、转发式干扰等，其中转发式干扰具有距离和速度二维欺骗条件，可以作为典型干扰条件。

转发式干扰与目标回波信号类似，其特点是干扰机侦收引信的射频信号，将引信信号复制放大，经适当调制(如多普勒速度欺骗)后再转发给引信，使之产生虚假的目标信号。其表达式为

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

(10)

式中：ω0为引信射频角频率；ωd为干扰机施加的多普勒欺骗调制；trj为引信与干扰机之间距离造成的时间延迟；tj为干扰机时延；Aj为干扰机回波信号幅度；ψrj为干扰机的初相；ψj为干扰机的相移。这里的tj，Aj，ψj可人为调整。

当引信工作在脉间随机捷变频状态时，由于随机信号的不确定性及其良好的自相关特性，转发式干扰信号只有进入伪随机码的下一周期，才能与随机码重合，达到干扰效果。

由于引信是近距离加电，引信在接收到干扰信号时，其干扰时间已经非常短。对于采用长周期的伪随机信号或随机信号来说，干扰机很难进入随机码的下一周期，所以转发式干扰不会使引信早炸。

根据转发式干扰特点，对不使用脉间随机捷变频技术以及使用8阶的Costas[9]序列脉间随机捷变频技术时，干扰信号与本地信号的相关特性的仿真结果如图2所示。

图2 干扰信号与本地信号相关特性对比Fig.2 Comparision of correlation characteristics of active jamming signal and pseudorandom code signal

从图中可以看出，如果不使用脉间随机捷变频技术，转发式干扰的干扰信号与本地信号具有重复周期的相关性，其具有周期性的干扰效果；而对于使用脉间随机捷变频技术后，其干扰信号与本地信号的自相关特性呈尖峰状，归一化后其最高旁瓣仅为主瓣的1/6，表明脉间随机捷变频技术具有良好的抗干扰特性。

对于进入引信接收机的欺骗式干扰信号，当欺骗式干扰功率较大时，干扰信号可以看成一种有色噪声，对引信检测目标能力有一定的影响。欺骗式干扰信号对引信的影响程度与相同功率、相同干扰带宽下的压制式干扰信号的影响程度相似。

3 脉间随机捷变频体制下的目标检测

对于脉间捷变频引信，其跳变频率较快，在一个频域信号处理周期内，引信会发射不同频率的脉冲信号，对于不同频率信号的多普勒回波，其幅度有一定差异，需要考虑补偿的问题[10-11]。

根据式(8)，不同频率下的发射功率、天线增益变化、系统损耗是系统固有的，不同频率之间的差异可以通过仿真和测试获得。

另外，由于系统带宽的限制，最低频点与最高频点的发射功率以及增益也会受到影响，最终表现在信号的幅度上，可以通过最终系统的测试结果对其不一致性进行补偿。

捷变频对幅度的影响可以通过计算以及测试的方式得到每个频点需要补偿的具体值，并将这些值存储于ROM中。由于某一时刻发射的频点是已知的，可以给每个频点一个标记，从而在接收到这个频点信号时，将对应的补偿值加权到信号幅度上。具体实施过程如下：当发射某一频点信号时，在接收到的带有多普勒信息的中频信号上加权相应的幅度补偿数值，再进行后端的信号预处理以及目标检测。

由于在捷变频过程中，天线波束倾角会变化，根据仿真结果，天线波束倾角变化如表2所示。

表2 天线波束倾角变化Table 2 Change of antenna beam inclination angle

由于天线波束倾角变化，引信在探测目标过程中，其探测的目标部位也在变化，这将引起回波信号的闪烁。

经过分析，可以采用宽波束天线的方式减少目标回波闪烁带来的影响。在某次相对速度为1 000 m/s、正迎头交会过程中，针对典型目标交会状态，对不同波束倾角的多普勒回波信号进行了数字仿真，结果如图3所示。

图3 不同波束宽度回波信噪比仿真结果比较Fig.3 Comparison of echo SNR on different beamwidth

由图可以看出，采用宽波束天线后，回波功率下降不明显，而回波信噪比有了大约6 dB的提升。

综上所述，由于频率捷变带来的目标回波幅度闪烁导致目标的信噪比降低，并且将回波的频谱展宽，会影响到频域的目标检测。通过使用宽波束天线后，脉间随机捷变频回波信号信噪比下降情况不明显。

4 结 论

为了对抗空中日益严重的干扰威胁，脉间随机捷变频引信采用DDS方法实现大范围快速频率捷变。经过仿真分析，脉间随机捷变频技术能够有效提高引信的抗干扰性能。通过幅度补偿和采用宽波束天线，可以减少脉间随机捷变带来的目标检测问题。