一种相位编码脉冲压缩V波段脉冲多普勒引信设计

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　　摘 要：为提高无线电引信的抗干扰能力，本文提出一种V波段的相位编码脉冲压缩多普勒引信，综合采用非大气窗口波段、脉内脉间相位编码、中频数字化、脉冲压缩及频域处理等多项技术，并详细介绍了各关键部分的实现方式，并进行了初步的抗干扰性能分析。
　　关键词：无线电引信;非大气窗口;V波段;脉冲压缩;相位编码;抗干扰
　　中图分类号：TJ43+1文献标识码：A文章编号：1673-5048（2020）01-0033-06
　　0 引言
　　无线电引信作为导弹武器系统中的重要组成部分，目前广泛应用于对空导弹系统中，如美国的AIM120导弹、“霍克”导弹、“不死鸟”导弹和PAC-1导弹，法国“海响尾蛇”导弹，意大利“阿斯派德”导弹，俄罗斯S-300PMU1系统和48N6E导弹、S-300V系统9M82导弹、道尔M1系统9M330导弹等[1]，并且在今后相当长的时间内，仍将是导弹引信的主要类型之一。
　　随着新电子对抗技术的发展，导弹面临的战场环境从简单环境到复杂环境发展[2]，灵巧性的有源干扰威胁日增[3]，无线电引信将面临日趋恶劣的战场环境。因此，必须采取更多手段和措施，从频段、体制、工作模式、信号处理等多个方面提高无线电引信的生存能力。
　　强烈的大气衰减使得V波段具有天生的抗有源干扰优势，特别适合引信等近程探测设备。随着5G通信技术的发展，60 GHz频率（V波段）得到了广泛的关注，有理由相信，器件、材料和相关技术的发展，必将极大促进V波段在无线电引信中的应用。目前国内V波段引信研究多采用FMCW体制，由于器件水平、大气衰减等因素限制，难以满足引信对巡航导弹、无人机等小目标的高灵敏度探测需求，为此，本文提出了一种相位编码脉冲压缩V波段脉冲多普勒引信，在提高引信抗干扰能力的同时确保高灵敏度探测。
　　1 引信方案选择
　　1.1 波段选择
　　当雷达工作频率和清洁大气中的水蒸气和氧气分子的共振频率相同或相近时，雷达能量会出现大幅衰减，图1所示为不同频率的无线电波在大气中的衰减特性[4]。
　　由图1可以看出，由于大气中的氧分子有磁偶极矩，在毫米波段有一组谐振线，衰减因子随之成倍增长，与其他窗口频段相比，要高一到两个数量级。两个O2强吸收峰，分别对应60 GHz（5 mm）和118.8 GHz（2.5 mm），相比而言，60 GHz（5 mm）的衰减更为强烈。
　　强烈的大气衰减使得60 GHz（V波段）在远程探测上不能应用，因此预警机、电子干扰机以及导引头、数据链等远距离工作的设备均不在V波段工作，而对于引信等近距离探测设备，该波段的大气吸收衰减对探测影响极小，可以忽略，因此选择电磁环境干净的V波段，具有天生的抗有源干扰优势[5]。
　　相比目前引信常用的Ka波段，V波段具有以下特点：
　　（1）V波段在空间远距传输时衰减更大，很难远距离截获和侦收引信的发射信号，且干扰引信需要的功率更大，而由于器件技術限制，目前尚无有效的有源干扰;
　　（2）V波段波长更短，天线及收发系统易实现小体积，有利于在导弹等空间受限的设备上使用，易于实现高增益的窄天线波束，角度分辨率高;
　　（3）V波段频率高，易于在较低的相对带宽条件下实现大的绝对信号带宽，有利于实现高距离分辨，以获取更丰富的目标信息;
　　（4）V波段频率更高，因此不同径向速度动目标之间的回波多普勒频率差别较大，有利于目标速度的分辨;
　　（5）目前多数隐身频段一般小于20 GHz，极少部分纳米吸波材料[6]可达到50 GHz，对于频率高达60 GHz的V波段探测难以实现有效的隐身。
　　随着V波段设计技术的发展[7-10]，其已经具备了在引信中应用的基础，本文在工程中突破了V波段高增益弹体共形天线、快速相位调制、低损耗同轴微带馈电转换、高隔离度收发集成等关键技术，并完成了样机研制工作。
　　1.2 工作体制选择
　　由于脉冲多普勒体制可同时获得目标的速度和距离信息，因此在无线电引信中得到了广泛的应用。但简单的等宽等周期调制脉冲多普勒引信存在易产生距离模糊、易受干扰等缺点，因此在此基础上发展出了随机脉位脉冲序列、随机二相码脉冲序列和随机脉位随机二相码脉冲序列调制的引信，其发射信号是被随机噪声调制的载波信号，具有低截获概率的特点，大大提高了脉冲多普勒引信在复杂干扰环境下的抗干扰能力[11]。
　　本文选择脉内和脉间伪随机码0 /π调相脉冲压缩多普勒体制，其主要特点是每个周期发射脉冲内部的编码具有良好的自相关特性，经脉冲压缩后可获得较高的脉压增益和距离分辨能力，同时不同周期间的编码不相关，有助于解决距离模糊和提高抗有源干扰能力。
　　2 系统组成
　　本文设计的V波段脉冲多普勒引信由天馈单元、收发组件、信号处理机、二次电源等组成，如图2所示。
　　图中，天馈单元包括间隔90°均匀分布排列的四根天线及射频电缆，采用双发双收方式工作，完成对射频脉冲信号定向的发射和接收;V波段收发组件的发射部分包括V波段振荡源、脉冲调制、相位调制、功放等，接收部分包括接收开关、LNA、混频、中放等;信号处理机由A/D转换器、FPGA及接口电路等组成，实现对中频信号数字化、脉冲压缩、旁瓣抑制、加权测距、CFAR目标检测，同时负责产生相位编码信号、收发时序控制（PA/A/B信号控制）等。二次电源对引信供电进行二次变换，输出引信所需的各路直流电压。
　　3 关键技术及实现
　　3.1 天线
　　引信天线通常采用窄波束、高增益、低旁瓣天线，要求发射天线、接收天线方向图为空心圆锥体，在导弹圆周截面内，辐射无方向性，即E面方向图近似圆形;在纵截面内，定向辐射，即H面天线主波束与弹轴方向成预定夹角、波束宽度窄、副瓣电平低等，以实现侧向环视探测。 　　为满足天线要求，采用了长槽漏波波导天线。该型天线辐射效率高、方向图优良，克服了半波长缝隙阵列天线频带窄的弱点，能够满足空空导弹对天线的指标要求[10]。仿真获得的天线方向图如图3所示，波束倾角为68°，波束宽度仿真为3°。
　　天线体采用波导馈电，利用非标波导同轴转换完成与射频电缆的连接，通过低损耗同轴电缆实现电磁波的馈送，使安装更适应工程化要求。
　　3.2 收发组件
　　V波段收发组件的功能框图见图4。
　　相参频率源以高稳晶振为基准，利用数字锁相技术等，产生两路频率相差fIF的V波段信号，分别作为发射信号和本振信号，并同时产生一路相参频率源，作为AD和信号处理的时钟。0/π调相器由两级高速单刀双掷开关通过开关线形式产生，载波抑制度可以达到30 dB以上。末级放大器采用GaN功放，有效输出功率可以达到1 W。
　　组件采用密封结构，通过同轴-波导-微带的转换结构进行馈电转换，见图5，优化后的插入损耗小于0.5 dB，避免了强不连续结构的出现，对装配的要求降低，适合工程装配的要求。
　　3.3 信号处理机
　　信号处理机的主要功能包括AD采样、数字下变频、脉冲压缩、旁瓣抑制、时频域转换、速度距离信息提取、目标识别等。
　　收发组件采用超外差式架构，因此信号处理机通过高速ADC在中频上进行带通采样[12]，并进行数字正交下变频，获得I、Q两路基带信号。
　　脉冲压缩处理一般包括时域卷积法和频域相乘法两种，其本质是相同的[13]。一般运算量大宜采用频域快速卷积法以减少运算量。引信0/π二相码调制序列较短，滤波器系数为1或-1，采用图6所示的横向FIR滤波器实现时域卷积更为简捷。
　　巴克码是一种理想的脉冲压缩信号，其自相关函数的主旁瓣比与其压缩比相等，即为码长N， 且具有均匀的旁瓣。本文选择13位巴克码进行脉内编码，其序列可表示为{+++++--++-+-+}，脉冲压缩后的信号波形见图7 。
　　可见13位巴克码经过脉冲压缩后的形状，与其自相关函数一致，峰值为13，即脉冲压缩比为13，峰值旁瓣比为22.3 dB。
　　选择经典的二阶RG滤波器进行旁瓣抑制，旁瓣抑制后信号见图8，峰值为11.9（损失0.77 dB），峰值旁瓣比为45.8 dB[14]，提高了20 dB以上。
　　两路基带信号进行脉冲压缩和旁瓣抑制后，数据进行重排，以二维矩阵的形式存入RAM内，每个周期存入不同的行，完成一帧信号的存储后，按列进行FFT，获得目标的距离-速度二维分布，其中距离分辨力取决于脉压后的脉冲宽度，速度分辨力取决于积累的脉冲数。
　　本文设计的V波段脉冲多普勒引信采用13位巴克码0/π相位调制、横向FIR滤波器时域脉压、二阶RG滤波器旁瓣抑制，对9 m处RCS为0.01 m2金属球目标的回波信号见图9，其在距离维和速度维的切片见图10，可见所测得的距离为8.75 m，多普勒頻率为54.69 kHz，并且可以根据距离和速度两个维度上的特征进行目标识别和抗干扰。
　　通过CFAR判据获得目标的速度、距离信息，结合多次检测的关联性，并与弹载计算机提供的制导信息综合决策，进行目标识别、引战配合等。
　　4 抗干扰性能分析
　　雷达设计中通常采用雷达模糊函数来确定特定波形的距离和多普勒分辨率。雷达模糊函数定义为[15]
　　式中：u（t）表示发射（和接收）波形的复包络;t′表示时延;fd表示多普勒频移。以脉内13位巴克码、脉间127位M序列0/π调相信号为例，在Matlab中进行仿真，得到此波形的模糊图见图11。
　　模糊图主峰尖锐，说明该体制具有良好的距离、速度分辨率，能够有效降低引信距离副瓣，避免了测距模糊和距离副瓣干扰，同时具有低截获特性，使敌方侦察、复制、转发困难。
　　同时，相对于目前常用的微波段引信，V波段引信具有抗有源干扰的波段选择优势。对于引信这种近距、瞬时探测系统，威胁较大的是转发式和阻塞式干扰，其中转发式干扰需要侦收到引信的发射信号。考虑衰减时干扰机侦收到的引信功率为
　　式中： Pt为引信发射功率，取1 W;Gt为引信发射天线增益，取14 dB;Gr为干扰机侦收天线增益，取5 dB;λ为工作波长;R为引信与干扰机间的距离;δ为无线电波单程传播衰减（dB/km），标准大气压下，V波段取为16 dB/km，X波段忽略不计。此时可以得到不同距离处干扰机侦收到引信功率见表1。
　　目前干扰机的侦收灵敏度一般为-80 dBm，则对于X波段引信，主瓣侦收距离为5 km。对于V波段的引信，和X波段相比功率衰减快，对应的侦收距离为500 m。由于引信的主瓣宽度很窄，在弹目高速运动的情况下，干扰机难以对准引信的主瓣，当主副瓣电平比为25 dB时，干扰机只有在50 m时才能侦收到引信信号。
　　可见，V 波段引信具有良好的射频隐身性能，干扰机难以在远距离侦收到引信信号，同理也难以远距离形成有效的阻塞干扰，再加上采用脉内脉间调相的脉压体制，直接干扰要求高、难度大。
　　5 结 束 语
　　本文将非大气窗口的V波段与先进的相位编码脉冲压缩体制相结合，提出了适合引信使用的实用化方案，综合采用频段、体制、工作模式、信号处理等手段，提高了无线电引信的抗干扰能力，并克服了V波段目前探测能力相对较低的缺点。经试验验证，对于解决探测能力、距离分辨力、抗干扰能力间的矛盾具有重要的意义，其总体及单项技术在新一代中距拦射型、近距格斗型和远程型空空导弹中，都具有很广阔的应用前景。
　　需要说明的是，由于巴克码码长限制，脉冲压缩增益较为有限，因此需要进一步优选适合引信使用的编码形式，在满足峰值旁瓣比前提下获得更高的脉冲压缩增益。 　　参考文献：
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