调频无线电引信课程设计讲解

1、沈阳理工大学课程设计摘要本次课程设计的题目是调频无线电引信系统设计与仿真，是在近感引信原理 和目标探测与识别等专业课基础上进行的一次综合课程设计。调频无线电引信是一种发射信号频率按调制信号规律变化的等幅连续波无线电引 信。从引信发射到遇目标后返回这段传播时间内，发射信号发生了变化，于是导致回波 信号频率与发射信号频率不同，两者之间差值的大小包含了引信与目标之间的距离关 系。根据对弹目地空交会状态的分析，通过 MATLAB建立仿真模型，获得弹目距离及 多普勒频率，模拟引信系统的回波信号。根据调频无线电引信的工作原理，设计引信系 统结构，通过Simulink建立仿真模型，以弹目交会仿真模型模拟的引

2、信回波信号作为引 信系统仿真模型的输入信号，对弹目交会过程中引信系统的工作过程进行仿真实验，观 察引信系统的信号工作特性，分析引信系统的特性。关键词：调频；无线电；引信；MATLAB ； Simulink2目录1调频无线电引信原理 1.1.1 调频无线电引信概述 1.1.2调频系统信号的分析2.1.2.1 差频信号的频谱分析2.1.2.2调频无线电引信作用原理 6.1.2.3 调频无线电引信参数的选择 6.2 调频无线电引信的 MATLAB仿真8.2.1 引信与目标地空交会分析 8.2.2 地空交会MATLAB仿真模型92.3调频无线电引信系统的SIMULINK仿真模型 132.4仿真结果分析

3、183 结论1.9.沈阳理工大学课程设计1调频无线电引信原理1.1调频无线电引信概述调频无线电引信是一种发射信号频率按调制信号规律变化的等幅连续波无线电引 信。调频无线电引信原理方框图如图1.1所示：图1.1调频无线电引信原理方框图该调频系统发射信号的频率是时间的函数， 在无线电信号从引信发射到遇目标后返 回这段传播时间内，发射信号已经发生了变化，于是导致回波信号频率与接收到回波信 号时的发射信号频率不同。两者之间差值的大小与引信到目标间的距离有关，测定其频 率差，便可得到引信到目标的距离。它在连续波雷达和无线电调频高度表等领域内得到 广泛的应用。但对无线电引信来说，应用这种原理时，还要考虑到

4、引信本身的特点，这 些特点是：（1）弹目之间存在着高速的相对运动，由于多普勒效应使目标的回波信号产生多普 勒频移，这将严重影响引信的测距精度。因此，在选择引信参数时，必须尽可 能降低多普勒频率的影响。（2）目标的轮廓尺寸可以与引信作用距离相比拟时，目标上不同的部位到引信的距 离相对的说相差很大，从而使引信接收机混频器输出的差频有一个散布。在设 计接收机的放大器通带时，必须考虑差频的这种散布。调频无线电引信是在差频信号频谱分析基础上进行设计的一种引信。根据对差频信号的频谱分析可知，在弹目之间存在相对运动时，差频信号的频谱发生了变化。调频无 线电引信与前述调频测距引信根本不同之处就是要设法取出差频

5、信号中的多普勒信号， 利用多普勒信号中所含有的距离信息或速度信息使引信作用。1.2调频系统信号的分析1.2.1差频信号的频谱分析引信系统发生的信号不包括任何有关目标的信息，目标的信息是在发射信号被目标反射的过程中获得的。因而它只包含在反射信号内，通常称为回波信号。调频引信一般 是从回波信号与发射信号混频后得到的差频信号中提取目标信息的。调频无线电引信系统发射信号在正弦调制下，图1.1中振荡器产生正弦电压，此电压的频率按以下规律变化-0 ?匸.COSit（ 1.1）式中0未调制时的角频率;Ao调频波的角频偏；调制信号角频率振荡器电压的相位是= d t =（：匸-cost） d t = otsin

6、 t0o11而引信的发射信号为ut =Utm s in（ot ,-ysi n，7）一 （1.2）由于信号在引信与目标之间往返传播而产生的时间延迟2RT =C式中R 引信与目标间的距离；c电波传播速度（光速）。从而使引信接受的回波信号相位对应的时间间隔不是像发射电压的（o-t）,而是0-（t- T,即回波信号相位是- d t - 0（t -） 一sin（t 一）0 回波信号为ur 二Urmsin 0（t -） si）一（1.3）将上述发射信号与回波信号同时加入混频器，并以幕级数形式表示混频器中非线性器件的特性曲线，则混频器输出的差额信号只与两个输入的信号一次乘积项有关，可表示为Ui =2KUJJ

7、rmsin说ioQcoQsin .1 (t- )25空 sin=(-1)nQ 2式中Jn第一类n阶贝塞尔函数;式中 K 与混频器非线性器件特性及具体电路有关的系数。令U m二 K UtmU r经三角函数变换，并只取差额项，可以得到q =Uimcos 0 cos-sincos1 (t )sin 0 _sin-sin cos1 (t )J 22_ 122(1.4)应用已知关系式oCcos(ZcosX) = J0(Z)2、J2n(Z)(-1)ncos2 nXoOsin(ZcosX) - -2、J2nJl(Z)(-1)ncos(2n-1)XnT将式（1.4）展开可得22nUi 二UimJ(sin )o

8、se 2cos s J?,sin)(-1)1-2n *l2T cos2n(t) 2sin 0 J2n j(2n 二cos(2 n-1)(t-2)二Uim J0(Z)cos 0 -2JdZ)sin 0 cosit -罗-2J2(Z)cos 0 cos2门(t -/ 2J3(Z)sin 0 cos3门(t -？)(1.5)2J4(Z)cos 0 cos4(t)贝塞尔函数的自变量2 AoOrZsin Q 2当不考虑引信与目标之间的相对运动时，在上式中各项最后一个括号内的T2只确定各次谐波分量的初始相位，可不考虑。于是混频器输出端的差额信号具有离散的频谱， 各次谐波的频率是调制频率的整数倍。其n次谐波

9、的振幅为Un =2UmJn(Z)SOs( 1.6)由(1.6)可见，延迟时间T通过贝塞尔函数的自变数三角函数因子SOs-0.同时影响Un的影响不同，因尽管贝塞尔函数和三角函数的自变数对所有谐波来说都一样，但贝 塞尔函数本身对不同的谐波来说具有不同的阶，正弦和余弦三角函数也随谐波次数的增大而交替的变化。如果用引信与目标之间的距离 R来表示.，则式(1.6)变为U2UmJn(-sin)S0；：二旦(1.7)Q c局在一般情况下，Un与R的这种关系相当复杂。但为消除非单值性，实际上在大多 数情况下选择门值时，应满足条件Q -1c或者：: T式中T = 为调制周期。于是si门空、空，将此关系代入(1.

10、7)得c c5 三 2UimJn(2R)：Os ：二(1.8)c o式中0对应于中心频率的波长。引信工作时与目标之间总是存在着相对运动，必然产生多普勒效应。此效应使混频器输出差频信号的频谱发生变化。如果引信与目标之间距离R以弹目接近速度Vr变化时，即卩R = Ro - VRt式中Ro为开始观察目标是的距离。将上式代入下式2RT =c则得2Ro=c2VRtc将此式代入(1.5)中2Vr.2VrtUi 二UmJo(Z) cos，o i o t) - 2Ji(Z )si n o i o t) cos(t 一)-cc22J2(Z)cos 0-VRt)cos21(t)2J3(Z)sin，0-VRt)co

11、s31(t )c2c22Vrt2J4(Z)cos 00-t)cos4(t)c2利用三角函数和差与积关系可将上式变为2Vr2VrtUi =UimJ(Z)cos( 0 0 0-t)J!(Z)sin( 0 0-1) (t )-cc22Vre2Vrtsin (ip -tH- (t ) - J2(Z)cos 0 0t) 2(t)c2c2cos( 0 0 -经。-2(t)c2如果考虑到0 ，忽略各项，则2Ui =UimJ0(Z)cos(门dt - 0 0)- Ji(Z)sin(门-讥”乜。)-sin( d)t -J - J2(Z)cos( (2i -Md)t)cos(2J)t - 0 0)由此式可知，在考

12、虑多普勒效应的情况下，在混频器输出的差频信号中，每个频谱分量 可“分解”为两部分，这两部分成对的具有相等振幅而频率与相应频率差一个多普勒频 率J =20Vr/c，也就是说，在调制频率或其谐波频率上没有能量分布，而是在调制频 率每个谐波的周围都出现一对频率为n门二I的边频。由于具有多普勒频移的频率分量的出现，使我们能测量或确定接近目标的速度。这样，在差频信号中既包含距离的信息,又包含目标速度的信息。由以上分析可得出以下几点结论：(1) 周期调频系统的差频信号频谱是离散的，在不考虑多普勒效应时，各次谐波分量的频率为n，|，两谱线的间隔是门。如考虑多普勒效应时，在各次谐波频率周围出 现一对频率为n的

13、边带。(2) 各次谐波及其边带的幅度均随距离按相应阶贝塞尔函数变化。各次谐波幅度 最大值对应于不同的距离，而高次谐波幅度最大值对应的距离较大，低次谐波幅度最大 值所对应距离较小。(3) 差频信号的频谱是随引信与目标之间的距离而变化的，当距离较大时，差频信号频谱主要频率分量的频率较高。当距离较小时，差频信号频谱主要频率分量的频率 较低。1.2.2调频无线电引信作用原理调频无线电引信是在差频信号频谱分析基础上进行设计的一种引信。根据对差频信号的频谱分析可知，在弹目之间存在相对运动时，差频信号的频谱发生了变化。在正弦 波的调制的情况下，差频为n门_“d的边带。调频无线电引信的基本方法是提取差频信 号

14、中的多普勒信号，利用多普勒信号中所包含有的距离信息或速度信息使引信作用。该引信一般原理方框图如图1.1所示。在此系统中，混频器输出端接有边带放大器， 它可以选择出某一边带信号，输给二次混频器，与来自调制信号发生器并经过n倍倍频的相应次谐波信号进行二次混频，便可得到多普勒信号，再经过放大与信号处理，便可 推动执行级作用。若输入信号幅度恒定，输出边带信号幅度为Uin2 朋=Jn LG式中.=2R/c，可见，多普勒信号振幅具有距离信息。只要适当的选择调制参数和 边带谐波次数就可以利用上述关系来控制引信的作用距离。但通常还是利用多普勒信号所具有的速度信息来控制引信的作用。这种引信取其n次边带信号，其频

15、率为nJ -Jd，进行中频放大，这样就避开了大 量的低频振动噪声的影响，因而它具有低噪声的特点。此外，这种体制还可以减小泄漏 的影响。但这种引信也存在问题，就是引信所利用的只是某次边带频率，因此造成较大 的功率损失。1.2.3调频无线电引信参数的选择以正弦波调频为例来分析其选择原则。1、谐波次数的选择调频多普勒体制的引信经常只取其差频频谱中某次谐波的一个边带来工作，那么选 几次为好呢？可从以下几方面来考虑。(1) 功率损失较小由于各次谐波功率将随谐波次数的增高而降低。从减小功率损失的角度来考虑，应 选择较低次数的谐波分量为好。(2) 取得一个合适的边带频率一般来说，边带频率取得较高一些对避开大

16、量的低频振动噪声更有利。而通常调制 频率f不能取很高，但又要使边带频率n门一门d不很低，所以应选择较高次的谐波分量。(3) 减小噪声的影响通过对考虑噪声时发射信号与回拨信号混频后的差频信号进行的分析，发现噪声的影响将随谐波次数的增高而减小。因此，从减小噪声的角度出发应选择次数较高的谐波。根据以上所述，选取的谐波次数通常在 3次(n=3)以上。2、调制频率的选择在选择调制频率时，应考虑两个方面。一方面，为了消除非单值性，调制频率应满 足Rov 二 R=cT即fv -R另一方面，为了能滤除相邻谐波，调制频率还应满足ffd2调频无线电引信的Matlab仿真2.1引信与目标地空交会分析引信与目标满足地

17、空条件，已知弹速vM =300m/s,目标速度Vt =240m/s，弹目水平距离l = 5020m，弹目相对高度h = 1500m，弹目交会角一：=150 。引信发射信号的幅值Ut =10v，初图2.1目标与引信地空交会状态图引信与目标地空交会状态如图2.1所示，其中Vr为引信与目标水平方向的相对速度，Vr =VM _VT( 2.1)Vr为目标与引信的接近速度，(2.2)Vr 二 VrLcos其中二为弹目连线与水平方向的夹角。cos)- cos(arctan)R为t时刻弹目距离,L -VrLtR(L -VrLt)2h2引信发射信号是以f。为载波频率的正弦信号:Ut 二 utmsin2 二 f0

18、t -f sin(2 二 ft)发射信号经过目标发射后的回波信号：U r 2sin2 二 f0(t - .) 一f sin2 二 f (t 一 .)延迟时间2R 2,(VH)2 h2T =cc2.2地空交会Matlab仿真模型根据对弹目地空交会状态的分析，建立Matlab仿真程序：t=0.0001:0.0001:10;%引信工作时间vm=300;% 弹速vt=240;%目标速度10=5020;%初始水平距离h0=1500;%初始高度f0=10A8;%发射信号中心频率c=3*10A8;% 光速f=10A6;%调制频率utm=10;%载波幅值af=10A7;%最大频偏vr=(vmA2+vtA2+2

19、*vm*vt*cos(pi/6)A(1/2);% 弹目相对速度b=acos(vmA2+vA2-vtA2)./(2*vm*vr);d=ata n(h0-vm*si n(pi/6).*t)./(l0-(vm*cos(pi/6)+vt).*t);a=pi/6-b-d;lambda=3;fd=2.*vr.*cos(a)./lambda;% 多普勒频率h=h0-(vm*sin(pi/6).*t;% 变化的高度l=IO-(vm*cos(pi/6)+vt).*t;% 变化的水平距离r=(h.A2+l.A2).A(1/2);% 弹目距离p=si n( a).*r;T=2.*r./c;%延迟时间210八-9:1

20、0八-9:10八-4;%调制时间ut=utm*si n(2*pi*f0.*t r+(af/f).*(si n(2*pi*f.*tr);%发射信号urm=utm.*r.A(-2);ur=urm.*si n( 2*pi*f0.*(tr-T)+(af/f).*(si n(2*pi*f.*(tr-T);%回波信号plot(tr,ur)%输出图形运行弹目交会仿真模型，获得弹目距离及多普勒频率，模拟引信系统回波信号。弹目地空交会过程中弹目距离如图2.2所示：图2.2弹目地空交会过程中弹目距离在弹目交会过程中，弹目距离不断减小，当到达 10s的时候，弹目距离在弹药战斗 部杀伤范围之内，以便最大程度地杀伤目标

21、。弹目交会过程中的多普勒频率如图 2.3所示。图2.3弹目交会过程中的多普勒频率在弹目交会过程中,变的。当在10s附近时,10S之前基本是不当下降到一定值时，弹目距离不断减小，所产生的多普勒频率在弹目距离非常近，多普勒频率急剧下降为,2000.51.522.533.544.55Frequencyx 102040608020Jump)CDpnEEE乏 EnlQo)dg图2.5引信发射信号频偏图引信回波信号波形图如图2.6所示:-D.D15.020.DI0.030.020.01S929 599G9 9B!-54.03图2.6引信回波信号波形图引信回波信号频谱图如图2.7所示:图2.7引信回波信号频

22、谱图2.3调频无线电引信系统的Simulink仿真模型根据调频无线电引信工作原理，设计引信系统结构，引信系统主要由振荡器、功率分配器、混频器、滤波器、倍频器、调制器、放大器、执行级等组成。在Matlab仿真环境下应用Simulink功能模块作为引信系统组成部分的仿真模型，建立调频无线电引信系统的整体Simulink仿真模型，如图2.8所示。弹目交会仿真模型模拟的引信回波信号 作为引信系统仿真模型的输入信号， 对弹目交会过程中引信系统的工作过程进行仿真试 验，观察引信系统的工作特性。图2.8调频无线电引信系统仿真模型图在引信系统仿真试验中观察引信工作信号的特性，得到引信工作信号的波形图及频谱图。

23、引信系统第一次混频后信号的波形图如图2.9所示：图2.9第一次混频后信号的波形图第一次混频后信号的频谱图如图2.10所示：4LI一一00-18%0.51.522 533.5Frequency44.5560-82014601图2.10第一次混频后信号的频谱图回波信号与延迟信号混频后，经放大通过带通滤波器，除去多余的频率成分，以便 二次混频提取多普勒频率。经过带通滤波器后的信号波形图如图2.11所示：QCW0103&0101011.3141.51.170.031图2.11经过带通滤波器后的信号波形图经过带通滤波器后的信号频谱图如图 2.12所示:图2.12经过带通滤波器后的信号频谱图(HP) Bprq-匚 B 馆壬En经过带通滤波器后的信号与倍频后的调制波进行二次混频，二次混频后信号的波形图如图2.13所示：图2.13二次混频后信号的波形图(HP) 匚 besEnQEdB图2.14二次混频后信号的频谱图经二次混频后的信号再通过低通滤波器后，除去其他的频率成分，最终