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毫米波FMCW雷达近炸引信信号处理设计与实现

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  • 发布日期:2011-04-17 19:17
  • 有效期至:长期有效
  • 技巧区域:广东湛江市
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详细阐明


  摘  要: 引信是通过测量弹头距地面的相对高度来把持战斗部在最佳高度起爆,以进步战斗部的杀伤威力。而近炸引信的目标则是在未达到预定引爆区域而又无法避免对方拦阻的情况下,引爆战斗部,以避免战斗部被对方完整损坏后的失效。针对该利用,本文在毫米波波段设计并实现了一种基于调频持续波体制的近炸引信信号处理器。
  随着现代拦阻技巧的发展,对导弹自我掩护能力的请求越来越高。为了避免敌方拦阻导弹对我方导弹战斗部造成致命损坏,导致我方兵器完整失效,在被对方拦阻导弹击中损坏前,需要提前引爆战斗部,以期能尽量对敌方造成损坏。针对这一需求,本文以比较成熟的调频持续波(FMCW)体制为基础,开展了毫米波雷达近炸引信技巧的信号处理技巧研究和设计工作。
  1 FMCW测高与测速原理
  1.1 测距原理
  FMCW[1]雷达系统通过天线向外发射一列持续调频毫米波,并吸收目标的反射信号。发射信号的频率在时域中按调制电压的规律线性变更。如果采用三角波调制信号,当雷达和目标无相对运动时,发射信号和回波信号形状雷同,但有时间延迟Δt,如图1所示。

  Δt与目标距离R关系为:

  其中c为光速。发射信号与回波信号频率之差为混频器输出的差拍信号频率即拍频fb。因此:

  从上述公式得出,目标距离R与fb成正比,可以通过测量拍频fb来测量雷达与目标的距离R。
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  1.2 测速原理
  当目标和引信有相对运动时,回波信号包含一个多普勒频移fd,如图2所示。

  由图2可以看出,与静止目标不同,运动目标在三角波的上升沿和降落沿对应的拍频不同,具有对称的特点。在三角波上升沿和降落沿输出的拍频分辨为:

  2 系统方案与算法设计
  2.1 系统方案
  毫米波雷达引信[2]一般采用脉冲和持续波两种工作体制。脉冲体制在近距离需求下需要采用窄脉冲方法,当距离很近时,发射脉冲和吸收脉冲间距很小,对信号处理速度请求很高,系统设计复杂。相比较而言,采用调频持续波体制(FMCW)更能满足近距离、较小测距盲区的请求,这也是本文中采用调频持续波的重要原因。
  该毫米波FMCW引信属于三角波线性调频、调制周期恒定的定距测量引信,其硬件平台原理框图如图3所示。其基础流程为:采用三角波线性调频毫米波振荡源,经天线辐射等幅调频波,经过与目标距离成正比例的时间延迟Δt,由目标反射并被引信吸收天线吸收,经混频后输出差拍信号。该差拍信号的频率即拍频fb与时间延迟Δt成正比,也与目标距离成正比。该信号经过滤波、放大、AD变换后送入FPGA进行数字信号处理。通过诸如FFT、求模、求极值、判决等一系列处理,最后得到引信相对目标的速度、距离信息。

  该引信采用了收发天线离开的方案,隔离度好,动态领域大,敏锐度高,短距离情况下工作性能佳。天线吸收到的回波信号,经放大、混频后直接输出差拍信号,结构较为简略,体积小,成本低,对振荡源的频率稳固度请求也较低。AGC增益受回波信号的强度把持,目标越远增益越大,反之亦然。混频器后的带通滤波器中心频率应等于标定距离处的差拍信号fb0,带宽等于多普勒频率的2倍,为防止发射信号泄漏和其他干扰信号对整机敏锐度的影响,该带通滤波器的带外克制性能较优。
  信号处理组件拟采用全数字化处理方法,通过可编程器件FPGA实现信号处理和逻辑把持的功效。高速D/A用于产生VCO所需的三角调制信号,对其线性度请求较高,D/A的采样率越高,分辨率越高,输出的信号线性度越好,但采样率和分辨率的进步会带来技巧难度和成本的进步。实际利用中,高速D/A的输出还需接平滑滤波器,进步调制信号的线性度,降低D/A时间离散和幅度离散对测高性能的影响。
  三角波调制信号的的幅度和周期都是常数,当目标达到规定的距离领域之内时,混频器输出的差拍信号进入带通滤波器通带,经放大、整形后,通过FFT进行频率辨别。在三角波调制信号的上升沿,由于多普勒效应的影响,差拍信号的频率将会升高,而在三角波调制信号的降落沿,由于多普勒效应的影响,差拍信号的频率将会降低,对调制信号上升沿和降落沿的差拍频率进行和差运算,可以盘算出平均差拍频率和多普勒频率大小,平均差拍频率反响出距离信息,多普勒频率反响出速度信息。

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 2.2 算法设计
  设计中采用FPGA实现对差拍信号的全数字化处理,应用成熟的IP核技巧通过基于FFT的测频技巧测量雷达引信相对目标的距离和速度。重要算法包含测距、测速和产生调制所用的对称三角波。
  2.2.1 测距
  测距是雷达引信应首先完成的功效,为了使战斗部损坏目标的效果达到最佳,战斗部需在特定最佳引爆距离启爆。因此,作为引信并不需要持续测距,只需当引信相距目标达到特定距离时给出动作信号即可。
  降低雷达引信的误爆率是雷达引信设计中一项重要的工作。在设计中采用了多距离门次序动作的方法来进步引信的可靠性。分辨在R1、R2和R3处设计了3个距离门,每个距离门以其对应距离为中心,领域为正负1 m,当信号处理部分通过FFT、求模、求极值、求平均等一系列手段求得距离后,与上述3个距离门进行比较,当持续涌现N(该数字由系统的误爆概率断定)帧的信号都满足该距离门时,给出动作信号,只有在引信按次序给出三个动作信号的情况下才认为确实达到引爆条件,给出最后的引爆信号。其流程图如图4所示。

  2.2.2 测速
  在测得相对距离的基础上,还需要通过速度辨认来断定接近目标是否为预设目标(如拦阻导弹)。在速度选通的过程中同测距一样也需要在每帧FFT后都验证其测得的速度是否匹配设定的速度门,如果持续涌现额定次数N帧满足该速度门的信号,引信便给出速度动作信号。其流程图如图5。

  3 仿真与实现
  3.1 系统仿真
  在Matlab[3]环境下,模仿对称三角波线性调频信号经延时后,通过混频、滤波、FFT等步骤,观测其频谱,验证应用对称三角波线性调频信号测量拍频的可行性。其中最大频偏Fm为150 MHz。图6为仿真系统框图。

  图7分辨为混频信号通过低通滤波器前后的信号频谱。从图中可以看出通过一个低通滤波器可以很容易得到需要的差拍频率。

  在方案验证的基础上,通过ModelSim对全部程序进行仿真。仿真中,一个包含两个频率分辨为f1和f2的正弦波模仿含有多普勒频移的回波信号,通过双波峰检测算法得到回波中的两个频率后,对其求和以及求差得到回波的拍频和多普勒频移,进而将它们与距离门、速度门进行比较(频率都由FFT的索引index表现)。当持续满足距离门或是速度门N次后,对应的动作信号被置为高。从图8中可以看到拍频在10 m对应的速度门领域内持续满足了5帧后10 m对应的动作信号被置为高(从上往下第二个信号为速度门动作信号,第七个信号为距离动作信号),同样的,用于速度辨认的速度动作信号也在多普勒频移持续满足速度门请求N帧后被置为高。

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  3.2 上板调试
  ChipScope具有类似传统逻辑分析仪的功效,能起到和传统逻辑分析仪一样的作用,而且还具有其突出优点:可以方便地观测FPGA内部任何信号,这种壮大的可观测性为调试带来了宏慷慨便,也节俭了大批时间。
  本设计在调试过程中利用ChipScope调试。图9为应用ChipScope上板调试FPGA程序的测频成果和波形图。
  根据公式(8)可以推出,成果完整正确。

  式中:index为FFT索引;fb0为额定差拍信号频率;NFFT为FFT盘算点数;fs为采样频率。
  本文设计并实现了一种毫米波FMCW雷达近炸自救引信的信号处理模块。该信号处理方法与传统算法相比,可以有效降低虚警概率,进步雷达引信的可靠性,同时,该处理算法可兼顾测距和测速,其测得的速度信息可作为断定来袭目标的重要判决根据,从而进一步进步可靠性。研究中对算法进行了大批的仿真和实验,成果表明,该信号处理方法能可靠有效地进行速度和距离测量。
  参考文献
  [1] 朱启明.雷达高度表设计理论基础[M].北京:国防工业出版社,1992:133-135.
  [2] 杨毅,韩宇,刘建新.基于FFT的恒差拍FMCW雷达高度表数字信号处理器设计[J].信息与电子工程,2009,7(1):48-51.
  [3] 杨毅.FMCW雷达高度表数字信号处理技巧研究[D].中国工程物理研究院,硕士学位论文,2009.

 

 
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