第二章-伪码调相脉冲多普勒复合引信原理

1、精选优质文档-倾情为你奉上第二章 伪码调相脉冲多普勒复合引信原理伪码调相脉冲多普勒复合引信系统式伪码调相引信和脉冲多普勒引信的复合体制引信，所以在介绍伪码调相脉冲多普勒复合引信之前，有必要对伪码调相引信和脉冲多普勒引信的原理做简单介绍。2.1 伪码调相引信原理及其特征信号分析2.1.1伪码调相引信工作原理伪码调相引信具有检测灵敏度高、距离截止特性好、抗干扰能力和测距能力强灯特点，成为引信体制中重要的发展方向之一。伪码调相引信是一种发射信号相位按调制信号作规律变化的引信，伪码调相系统采用二相相移键控调制方式，又称为BPSK调制，其原理框图如图2.1所示，主要由射频振荡器、伪码产生器、0/调相器、

2、混频器、收发天线、恒虚警接收机、相关器、检波以及信号处理器、执行级组成。图 2. 1 伪码调相引信原理框图参照图2.1，整个伪码调相引信的工作原理如下：首先伪码产生器产生的伪随机码对射频振荡器产生的高频载波进行0/调相，由发射天线向外辐射。当发射信号遇到目标发射回来后，进入接收天线，与本振信号进行混频，滤波后输出中频信号。随后进入恒虚警接收机进行归一化处理，再进入相关器与固定延迟的本地伪码信号作相关处理，输出含伪码自相关函数的相关信号，该信号经过检波和信号处理后，输出启动引爆信号。2.1.2伪码调相引信信号分析整个系统的工作流程如图2.1所示，首先，由伪码产生器产生m序列信号m(t)， （2.

3、1.1）式中，为双极性m序列，取1或者-1。m序列对本地高频载波进行0/调相，载波信号为： （2.1.2）式中，A为载波幅度，载波角频率，为载波初始相位。这里，可将初始相位认为0，不会对研究结果产生实质性的影响，这样，载波信号可以写为： （2.1.3）经伪码调相的发射信号可表示为： （2.1.4）发射信号与目标相遇后，反射回来的信号进入天线接收段，回波信号可表示为： （2.1.5）式中，为回波信号幅度，为信号从引信到目标往返的时间。混频器中的本振信号与载波信号有相同的角频率，可表示为： （2.1.6）混频器输出信号： （2.1.7）式中，为多普勒角频率，并且多普勒频率，为弹目相对速度，为载波频

4、率， 为光速。混频器的信号经过低通滤波，滤除高次谐波分量，输出的信号可以表示为： （2.1.8）可以从上式中看出，低通滤波器的输出信号为延迟的伪码信号和多普勒信号的乘积，波形图如图2.1.2所示： (a) m序列信号(b) 多普勒信号(c) 低通滤波器输出信号图2.1.2 伪随机序列，多普勒信号以及低通滤波器输出信号低通滤波后的信号与本地固定延迟的伪码信号进行相关，本地固定延迟的伪码为： （2.1.9）式中，为预订炸高所对应的固定延迟， ，积分时间取一个伪码周期，相关器输出信号的达式为： （2.1.10）上式中，会影响积分值，如果在一个伪码周期内，就会改变某些伪码的极性，使由“+1”变为“-1

5、”，而“-1”变为“+1”。因此在伪码的参数选择中，一般选择周期使得，即伪码的码字频率比多普勒频率高的多，在一个伪码周期内，多普勒信号的幅度保持基本不变，可将多普勒信号移到积分符号外，相关器输出信号为： （2.1.11）式中，为伪码的自相关函数，由式（2.1.11）可以看出，相关器的输出信号为伪码自相关函数与多普勒信号的乘积，信号的大小由和决定，当时，有最大输出。相关器的输出送到信号处理部分，经过峰值检测、比较器最后进入执行级，当相关器的输出大于或等于比较器中的比较电平时，比较器输出启动信号，触发执行级产生引爆信号。2.2脉冲多普勒引信原理及其特征信号分析2.2.1脉冲多普勒引信工作原理脉冲多

6、普勒引信是利用距离波门定距，综合了脉冲体制和多普勒体制引信的特点，可以测速同时也能定距。并且由于是脉冲体制，只在脉冲期间发射信号，功率较小，具有较强的抗干扰能力。脉冲多普勒引信一般用于导弹上，一般而言，外差式的脉冲多普勒引信性能比自差式的好，所以，一般都采用外差式引信。其原理框图如图2.2.1所示：高频脉冲信号是由脉冲发生器产生，脉冲信号可表示如下：（2.1.1）式中，A为脉冲宽度；为幅值为1，宽度为的脉冲；T为脉冲周期；为狄拉克函数。图2.2.1 脉冲多普勒引信功能原理框图式（2.2.1）可以改写为： （2.2.2）高频脉冲对振荡器产生的本地载波进行调制，此处，将本地的载波信号初始相位取为0

7、，并不会影响本质结果。调制信号可以写成： （2.2.3）式中，为射频脉冲幅度，为载波角频率。高频脉冲由天线发射到空间，发射信号与目标相遇后反射回来并被接收天线接收，得到的回波信号如式（2.2.4）所示： （2.2.4）式中，为回波信号幅度，为信号往返于弹目之间的时间延迟。考虑到式（2.2.4）中的是由于弹目的相对运动所导致的，所以可以将式（2.2.4）改为： （2.2.5）式中，为多普勒频率。接收到的回波信号先与本振高频信号进行混频，然后通过低通滤波器，滤出高次谐波，输出信号可写为： （2.2.6）式中，为低通滤波器输出的信号幅度。最后的信号处理电路是对本地基准脉冲进行固定延迟，产生距离波门，

8、对低通滤波器输出的信号进行距离波门选通。这样，在到达预定炸高时会产生一个相关峰，输出给执行级。其实脉冲多普勒体制与伪随机码调相体制引信的信号处理电路极其相似，脉冲体制是利用脉冲产生器经过固定延迟后的距离波门与中频回波信号做相关运算，伪码体制则是利用伪随机码产生器经过固定延迟后的伪随机码与中频回波信号做相关运算。2.3伪码调相脉冲多普勒复合体制引信原理及其特征信号分析2.3.1 伪码调相脉冲多普勒复合体制引信工作原理以上分别介绍了伪随机码调相引信与脉冲多普勒引信，采用伪码调相测距系统具有抗干扰能力强的特点，但是距离副瓣减小了其抗分布式杂波的干扰能力。脉冲多普勒引信具有良好的距离截止特性，同时具有

9、距离分辨和速度分辨的特点，使之具有对抗地、海杂波干扰的能力。但是，一般的接收机对发射信号的检测灵敏度低，并且容易造成距离模糊等问题。所以，采用了伪码调相与脉冲复合体制引信，具有尖锐的距离截止特性，并使距离模糊特性得到很大的改善，抗干扰能力也同时提高，兼具了两种体制的优点。这里的伪码调相与脉冲多普勒复合调制根据脉冲的不同有两种不同的类型，如果是周期性的脉冲，相当于对伪码调相后的信号进行脉冲幅度调制，称该体制为伪码调相脉冲多普勒复合体制；如果脉冲具有脉位随机性，称为伪码调相与伪随机脉位复合体制。本论文主要研究的是第一种，伪码调相脉冲多普勒复合体制，首先介绍其基本工作原理。图2.3.1 伪随机码调相

10、脉冲多普勒复合体制引信基本原理伪随机码调相脉冲多普勒复合体制引信基本原理如图2.3.1所示。它主要由时序产生模块、发射模块、接收模块、信号处理电路、引信执行电路、电源电路等组成。时序产生模块主要负责产生发射的伪码与脉冲信号，并且包括产生距离波门和固定延迟的伪码脉冲信号。发射模块由高频振荡器、调相器、脉冲调制器以及发射天线组成。其功能在于向空间发射一定功率的经过伪随机码调相、高频脉冲调幅的射频脉冲信号。接收模块由接收天线、带通滤波器、混频器、低通滤波器、距离波门选通电路组成。经过混频器滤出射频载波信号，再经过距离波门选通输出被多普勒频率调制的伪随机码双极性视频脉冲序列。信号处理电路由相关器、多普

11、勒滤波、检波信号处理电路组成。主要完成相关解调，获取目标的特征信息，在预定炸高处输出引信启动执行信号。引信执行电路收到信号处理电路给出的启动指令后，产生一个点火脉冲引爆战斗部。参照图2.3.2所示的复合调制引信工作波形，以七位m序列为例，复合引信工作过程如下：调相器在伪随机码“C”的作用下，对高频振荡器产生的射频信号的相位进行0/调制，然后通过脉冲“A”进行脉冲幅度调制，由发射天线向预定空间辐射。图2.3.2 复合调制引信工作波形图信号在遇到目标后反射回来被天线接收，经过混频器，再经过距离波门“B”对其进行距离波门选通，抑制了距离波门外的信号。混频器中的本振信号是由高频振荡器产生的少量连续信号

12、。距离波门输出的信号幅度被多普勒频率调制，进入相关器，与本地固定延迟的伪码脉冲信号进行相关处理。当探测到的目标达到预定炸距时，目标回波信号经过混频器、距离波门选通，与本地固定延迟的相关码“D”脉冲完全一致，相关器此时输出的多普勒信号幅度最大。也就是说，随着弹目距离的接近，多普勒信号的幅度会逐渐增大，直到达到预定炸距，多普勒幅度达到最大值。相关器输出的多普勒信号，经过多普勒滤波、检波处理得到了目标的特征信息，从而完成目标的检测，并根据起爆条件，产生引信启动信号。复合调制引信的具有两次相关处理：第一次是距离波门选通；第二次是回波信号在相关器中与本地固定延迟的伪码脉冲信号做相关处理。因此可以大大抑制

13、引信作用距离之外的干扰信号，有效地增强了其抗干扰性能。2.3.2 伪码调相脉冲多普勒复合体制引信各节点信号分析复合调制引信各个节点信号波形表达式如下（忽略信号初始相位）：高频振荡器输出信号为调相器输出信号为脉冲调制器（PAM）输出信号为其中发射信号为以上各式中A对应节点的信号幅值；载波角频率；取值为+1和-1的伪随机序列；调制脉冲周期；调制脉冲宽度。接收机接收到的目标回波信号为 式中：，为无线电往返于弹目之间的时延；弹目距离；多普勒角频率。回波信号经过滤波器后，得到的信号如下：距离波门主要是用来滤除脉冲以外的噪声。当系统检测到PAM伪随机码脉冲到来的时候，距离波门打开让PAM伪随机码通过，在没

14、有PAM伪随机码到来的时候，噪声信号无法通过距离波门，从而提高了抗干扰能力。距离波门选通的输出信号为：式中，距离波门的固定延迟（预定炸距决定）；距离波门的脉冲宽度。延时器输出的延时为的伪码脉冲信号为相关器的输出信号为 式中，T为伪码周期，如果，均为1时，即距离波门完全选通时，上式变为前面介绍伪码调相引信的时候曾经介绍过，此时积分中 会影响积分值，如果在一个伪码周期内，就会改变某些伪码的极性，使由“+1”变为“-1”，而“-1”变为“+1”。因此在伪码的参数选择中，一般选择伪码周期使得，这样可以不考虑多普勒频率对积分值的影响，并设，可得：上式即为伪随机码的自相关函数，可写为：式中P伪随机码码长；

15、码元宽度。的波形如图2.3.3所示。图2.3.3 伪随机码自相关函数由于脉冲“A”的取样，相关器的输出为图2.3.4所示。图2.3.4 复合调制引信相关函数式2.23的积分结果为：从图2.3.4可以看出，在预定炸高处时相关器有最大输出；当弹目延时不在时，因为不相关，所以幅值很小，为-1/P，幅度降低了P倍，另外由于脉冲的取样作用，在截止区相关器输出为0，有很好的距离截止特性，能够抑制地海杂波干扰。2.4 复合引信性能分析及参数选择2.4.1 复合引信性能分析2.4.1.1 距离分辨力和距离截止特性距离分辨力是指引信区分目标的最小距离能力，记为。在伪码调相引信中，距离分辨力为一个码元宽度对应的最

16、小距离，如码元宽度为100ns时，距离分辨力。同样的，在脉冲多普勒引信中，距离分辨力相应地为一个脉冲宽度对应的最小距离。在本系统的复合引信中，由于采用的是高频脉冲，脉冲宽度比码元宽度窄，所以距离分辨力为=，距离截止特性可用主峰斜率来表示。可以看出，距离分辨力和距离截止特性主要由高频脉冲决定，因此复合体制引信具有高距离分辨力和很好的距离截止特性，并且在复合引信中，测距的工作主要是由高频脉冲来完成的，而伪码更多的则是负责抗干扰的工作。2.4.1.2 最大无模糊距离最大无模糊距离就是引信的最大测距长度。这是由于相关函数的周期性造成的，每一个炸距都会对应多个距离，所以要想实现准确的测距，就必须重视最大

17、物模糊距离。复合引信的最大无模糊距离为，所以，可以通过增大码元宽度或者码元周期来改善最大无模糊距离。在实际工程中，一般会使得大于引信的实际工作距离，来保证引信可靠工作，避免距离模糊问题的产生。2.4.2 参数选择从如上复合引信的工作原理中可以看出，相关器中处理的信号为具有多普勒包络的伪码脉冲复合信号，对该信号进行信号处理，可以得到包含距离信息的延时量，就可以完成目标的探测任务。该系统所设定的炸距为12m，弹目相对速度为600m/s。2.4.2.1 脉冲宽度的选择复合体制引信中，脉冲宽度决定了距离分辨力和距离截止特性。脉冲宽度越窄，距离分辨能力越好，定距精度就越高。同时，距离截止特性越陡，引信性

18、能也就越好。但是，考虑到器件开关时间的限制，以及如果距离波门脉冲太小，选通进来回波信号也就太微弱，会造成识别的困难。所以，脉冲宽度不能一昧地追求过窄，而是要从引信的距离截止特性、距离分辨力、可实现性多个方面考虑进行选择。本系统要求的炸距为9m，所以选择的脉冲宽度为20ns，脉冲周期为100ns。2.4.2.2 码元宽度的选择在复合体制引信中，伪随机码是起到了抗干扰的作用，码元宽度越窄，抗干扰能力越强，在这里，为了后续的分析方便，将码元宽度设定为与脉冲周期相同，码元宽度为100ns。2.4.2.3 伪码周期的选择由上述分析中可知，伪码周期决定了相关器输出的主旁瓣比，以及最大无模糊距离。相关器的主旁瓣比越大，引信抑制干扰信号的能力也就越强。假定要求引信在距离截止区抑制干扰信号的能力为J（dB），则N为式中为门限电平，也称作比较电平。另外，考虑到多普勒频率对相关函数的影响， 当伪码的码字频率（1/伪码周期）大于多普勒频率的4倍时，多普勒频率对相关函数影响小。即伪码周期的选择必须从以上两方面进行考虑。在该系统中，选择的m序列长