双波段复合毫米波引信探测器的设计与验证

侯武斌

双波段复合毫米波引信探测器的设计与验证

侯武斌

（中国西南电子技术研究所，成都 610036）

面对战场日益复杂的电磁环境，远程制导火箭弹迫切急需新一代的高抗干扰毫米波近炸引信，以突破3毫米波/8毫米波一体化集成射频前端、双通道多模式信息融合处理等关键技术。采用线性调频连续波和脉冲多普勒体制可动态配置的方法，完成了新型双波段复合测距毫米波引信探测器原型样机的研制，为未来复杂电磁环境下作战应用的高精度、高抗干扰、高可靠性近炸引信型号装备研制提供坚实的技术支撑。

毫米波；探测器；近炸引信

0 引言

现代战争武器的主要特征之一是精确打击，实现“智能毁伤”，其中智能毁伤主要由引信探测器来完成，引信探测器根据战斗部种类、目标特征、弹目交会参数，自适应选择起爆方式或炸点，实现精确起爆，发挥战斗部的最大毁伤效果。智能弹药普遍采用无线电近炸引信实现目标探测，并精确测定目标距离和速度等参数，在此基础上精确控制弹药炸点，实现近炸和智能毁伤[1]。近炸引信作为智能弹药的关键部件，是电子对抗的主要干扰目标。特别是无线电近炸引信，其发射信号易被截获，并引导干扰机产生干扰信号，对近炸引信实施欺骗、压制、阻塞等电磁干扰，导致引信产生早炸或近炸失效等，降低弹药作战效能[2]。

针对以上威胁，迫切需要研制新一代高抗干扰无线电近炸引信探测器，确保无线电近炸引信在复杂电磁环境下可靠工作，并满足高精度、低成本和大批量装备应用需求。其中，采用毫米波频段的近炸引信探测器，结合多频段、多通道、多体制信息融合策略和跳频等抗干技术增强其抗干扰能力，是实现对抗国外第四代干扰机的有效手段。本文针对以上需求，开展双频段、双通道和双体制可配置的毫米波复合测距近炸引信探测器关键技术研究和样机研制[3]。

1 总体设计方案

1.1 系统组成

探测器由双波段一体化射频前端、两个中频处理通道和数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）单元构成。具体包括3毫米波和8毫米波的收发通道，其中在发射通道内，由DSP产生调制信号对压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）进行频率调制，经过倍频后产生相应频段的毫米波发射信号，并经发射天线向外辐射。在接收通道中，回波信号经接收天线转换为导行波并经低噪声放大，通过平衡混频器与耦合的发射信号进行自差式混频得到中频信号。其中8毫米波发射通道和本振信号带有脉冲调制功能，可以实现脉冲 工作[4]。系统组成框图如图1所示。

图1 复合引信系统功能组成框图

两个中频通道分别完成线性调频连续波（Linear Frequency Modulated Continuous Wave，LFMCW）[5]和脉冲多普勒（Pulse Doppler，PD）两种探测模式的中频信号处理，LFMCW模式中频通道进行中频信号带通滤波、放大，经带通采样和模拟数字转换（Analog to Digital Converter，ADC）变换为数字信号[6]；PD模式中频通道对中频信号进行低通滤波、放大，经过采样和ADC变换为数字信号。中频信号数字化后进入DSP单元处理。LFMCW中频通道输入设置双刀双掷（Double Pole Double Throw，DPDT）开关，可根据需要选择3毫米波或8毫米波前端的中频信号进行定距处理，实现工作模式的动态配置。

DSP单元完成以下功能：

1）产生LFMCW模式和PD模式的调制基带信号，对VCO进行频率调制，控制射频信号工作频率、带宽、调制周期等调制参数；

2）产生PD模式的脉冲调制信号，包括发射信号和接收本振脉冲调制信号；

3）进行中频数字信号处理，进行目标检测并获取中频载频、多普勒频率等参数；

4）加载双通道、双模式信息融合处理算法，产生最终引炸指令。

1.2 系统工作原理

系统有LFMCW和PD两种工作模式，均可实现目标探测，其中LFMCW模式主要完成目标定距，PD模式主要完成目标相对速度测定。

1.2.1 LFMCW工作原理

如图2所示，静目标是与探测器没有相对运动目标。由于探测器在工作中随弹体高速运动，因此所有地面目标均为动目标。

图2 LFMCW模式发射信号频率与中频信号频率示意图

中频信号频谱示意图如图3所示，其中f为调制信号频率。其工作原理如下：发射对称三角波线性调频信号，由于目标回波信号在空间传播产生的时间延迟，其到达接收机时瞬时频率与发射信号频率具有频差，且频差正比于空间传输距离。将回波信号与发射信号混频，取出差频信号，根据其幅频分布，可得到目标距离信息。在目标进入设定的距离范围时，其中频信号进入接收中频滤波器通带，当其幅度超过门限电平，探测器将检测到目标。

图3 LFMCW探测器典型中频频谱

根据三角波调制，从时域分析近似可以得出[3]：

1.2.2 PD工作原理

图4 PD模式信号时域调制波形及载频示意图

PD模式的发射信号在时域上周期为ns左右的窄脉冲形式，这将迫使敌方侦察接收机采用时域慢搜索方式才能实现可靠的信号截获，会增加侦察接收机响应时间而出现较大时延，从而可以通过接收距离门技术较好的抑制转发式干扰；对于采用数字射频存储器（Digital Radio Frequency Memory，DRFM）干扰方式的干扰机，除了增加干扰机信号截获时间外，还迫使干扰机增加存储时间，减小有效干扰功率密度和干扰频度，从而大大降低干扰效能。

此外，PD模式可以采用与LFMCW模式为非整数倍关系的脉冲重复频率，从而增大双通道联合探测器时的模糊距离，增强系统对模糊距离强反射假目标的抗干扰能力。

1.2.3 系统工作流程

系统工作流程如图5所示。

图5 系统工作流程图

系统上电后，首先进行通道自检。通道自检通过DSP获取接收通道噪声电平，当噪声电平处于要求范围内时，判断通道工作正常，否则判断为通道异常。当双通道均正常，则执行双通道联合探测流程，如图6所示，此时8毫米波通道工作于PD模式，3毫米波通道工作于LFMCW模式；当只有一个通道正常时，则执行单通道探测流程，如图7所示，此时该通道工作于LFMCW模式；当两个通道均不正常，则闭锁近炸输出，转为触发等备用工作模式。

图6 双通道联合探测工作流程

图7 单通道处理工作流程

在双通道联合探测时，8毫米波通道采用PD模式工作，当检测到目标，且目标处于要求的距离范围内时，提取回波多普勒频率，得到目标速度；同时3毫米波通道采用LFMCW模式，在多个距离窗口内进行检测，当先后几次检测到目标，且目标距离和时间间隔与PD模式检测到目标速匹配，则认为检测到真实目标；之后，利用目标速度信息进行目标的距离—速度解耦合，获得目标的准确高度，当在此高度上检测到目标，给出近炸指令[7]。

2 主要技术指标

2.1 探测距离

2.1.1 LFMCW体制作用距离

根据LFMCW雷达方程如式（3）所示：

依据式（3），经过计算3毫米波长的系统信噪比为21.9 dB，8毫米波长的系统信噪比为43.6 dB。

2.1.2 PD体制探测距离

根据PD雷达方程如式（4）所示：

依据式（4），经过计算8毫米波长的系统信噪比为36.2 dB。

以上计算的系统信噪比均大于15.06 dB的要求，且留有余量，满足系统设计要求。

2.2 定高精度

探测器距离分辨率如式（6）所示：

光速C=3×108m/s，发射波形的调制周期为2 μs，调制带宽为250 MHz，计算得到的分辨率为0.6 m，满足±5 m的距离分辨率的要求。

探测器总的定高误差如式（7）所示：

3 关键技术

3.1 多通道可配置多体制融合提高定高精度、抗干扰能力和作用可靠性

采用了两个通道分别工作于PD和LFMCW两种体制，充分利用了PD体制测速精度高和LFMCW体制测距精度高的优点，利用PD体制测得的速度信息，实现LFMCW距离—速度解耦合，实现更高的定高精度[8]。

通过目标速度和距离信息融合[9]，实现干扰和虚假目标识别，显著增强了探测器抗干扰能力；通过8毫米波段采用窄脉冲调制，迫使干扰机采用时域搜索方式进行信号捕获，降低了其干扰效能。

通过8毫米波探测通道工作体制的动态可配置设计，可以确保在任意一个通道失效情况下，单通道可采用调频连续波模式工作，仍能达到较高的定高精度，提高了探测器工作可靠性[10]。

3.2 3毫米/8毫米双波段一体化集成收发前端

将3毫米波/8毫米波进行一体化集成实现双通道可动态配置多体制复合毫米波近炸引信探测器在国内尚属首次研制，通过一体化集成实现产品小型化设计，进一步降低产品加工成本。

4 实验结果及其分析

双波段复合毫米波引信探测器3D模型如图8所示，上半部分为3毫米波段的射频收发前端，下半部分为8毫米波段的射频收发前端，背面为中频信号处理电路。

图8 双波段复合毫米波引信探测器3D模型

经实物测试验证，该探测器采用LFMCW定距和PD双波段毫米波探测、双模式动态配置和信息融合处理，可适用耕地、草地、灌木、沙漠、水泥地等典型特征地面，炸高可在5～30 m范围装定，实际测试定高精度在3.5 m左右，满足5 m的定高精度，外形尺寸小于直径Φ70×50 mm2，可满足远程制导火箭弹尺寸要求。

5 结语

本文研究的定高探测器炸高可在5～30 m范围装定，可应用于在复杂电磁环境下作战的远程制导火箭弹近炸引信、地—地导弹、反舰导弹近炸引信，具有高定高精度、高抗干扰能力和高可靠性，为我军新一代抗干扰毫米波引信发展提供了思路。

[1] 岛新煜，高敏. 毫米波近炸引信发展现状及关键技术[J]. 飞航导弹，2018（05）.

[2] Harald Wich Diehl．Future electronic fuzing for enhanced effects[C]//57th Annual Fuze Conference，USA，2014.

[3] 徐记伟. 毫米波导引头抗干扰技术研究[J]. 飞航导弹，2016（06）.

[4] 廖胜宝. 8mm波段调频连续波测距引信关键技术研究[D]. 南京：东南大学，2017.

[5] Qi Yanbin，Tan Wen，Ma Ruofei，et al. The analysis and implementation of millimeter-wave LFMCW fuse[C]//2016 IEEE International Conference on Ubiquitous Wireless Broadband (ICUWB)，2016：1-3.

[6] LEE MS，KIM YH. Design and Performance of a 24 GHz Switch-Antenna Array FMCW Radar System for Automotive Applications[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology，2010，59（05）：2290-2297.

[7] 邱菁，黄继伟，陈阿辉. 高精度调频连续波雷达测距算法的研究[J]. 微型机与应用，2017，36（09）.

[8] 张树云，秦栋泽，焦国太. 多模式复合引信安全系统技术路线研究[J]. 弹箭与制导学报，2016，36（01）.

[9] 程呈，高敏，周晓东，等. 基于毫米波探测器的炸高可选择近炸引信的炸高解算方法[J]. 北京理工大学学报，2018，38（08）.

[10] 陶利波，付红卫，周国安，等. 超宽带引信抗干扰性能分析与仿真[J]. 弹箭与制导学报，2011，31（04）.

Design and Verification of Dual-Band Compound Millimeter Wave Fuze Detector

HOU Wubin

In the face of the increasingly complex electromagnetic environment of the battle field. A new generation of high anti-interference millimeter wave proximity fuze is urgently needed for long-range guided rocket. In order to break through 3 millimeter wave/8 millimeter wave integration rf front-end, dual channel multi-mode information fusion processing and other key technologies. The prototype of a novel dual-band complex ranging millimeter-wave fuze detector is developed by using the method of linear frequency modulated continuous wave and pulse doppler system which can be dynamically configured. It provides a solid technical support for the development of high-precision, high-interference and high-reliability close-in fuze model equipment for future combat applications in complex electromagnetic environment.

Millimeter Wave; Detector; Proximity Fuze；

TN958.2

A

1674-7976-(2022)-06-447-06

2022-09-06。

侯武斌（1980.05—），陕西宝鸡人，工程师，主要研究方向为微波射频组件及射频系统集成。