侯武斌

雙波段復(fù)合毫米波引信探測器的設(shè)計與驗證

侯武斌

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

面對戰(zhàn)場日益復(fù)雜的電磁環(huán)境，遠(yuǎn)程制導(dǎo)火箭彈迫切急需新一代的高抗干擾毫米波近炸引信，以突破3毫米波/8毫米波一體化集成射頻前端、雙通道多模式信息融合處理等關(guān)鍵技術(shù)。采用線性調(diào)頻連續(xù)波和脈沖多普勒體制可動態(tài)配置的方法，完成了新型雙波段復(fù)合測距毫米波引信探測器原型樣機的研制，為未來復(fù)雜電磁環(huán)境下作戰(zhàn)應(yīng)用的高精度、高抗干擾、高可靠性近炸引信型號裝備研制提供堅實的技術(shù)支撐。

毫米波；探測器；近炸引信

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭武器的主要特征之一是精確打擊，實現(xiàn)“智能毀傷”，其中智能毀傷主要由引信探測器來完成，引信探測器根據(jù)戰(zhàn)斗部種類、目標(biāo)特征、彈目交會參數(shù)，自適應(yīng)選擇起爆方式或炸點，實現(xiàn)精確起爆，發(fā)揮戰(zhàn)斗部的最大毀傷效果。智能彈藥普遍采用無線電近炸引信實現(xiàn)目標(biāo)探測，并精確測定目標(biāo)距離和速度等參數(shù)，在此基礎(chǔ)上精確控制彈藥炸點，實現(xiàn)近炸和智能毀傷[1]。近炸引信作為智能彈藥的關(guān)鍵部件，是電子對抗的主要干擾目標(biāo)。特別是無線電近炸引信，其發(fā)射信號易被截獲，并引導(dǎo)干擾機產(chǎn)生干擾信號，對近炸引信實施欺騙、壓制、阻塞等電磁干擾，導(dǎo)致引信產(chǎn)生早炸或近炸失效等，降低彈藥作戰(zhàn)效能[2]。

針對以上威脅，迫切需要研制新一代高抗干擾無線電近炸引信探測器，確保無線電近炸引信在復(fù)雜電磁環(huán)境下可靠工作，并滿足高精度、低成本和大批量裝備應(yīng)用需求。其中，采用毫米波頻段的近炸引信探測器，結(jié)合多頻段、多通道、多體制信息融合策略和跳頻等抗干技術(shù)增強其抗干擾能力，是實現(xiàn)對抗國外第四代干擾機的有效手段。本文針對以上需求，開展雙頻段、雙通道和雙體制可配置的毫米波復(fù)合測距近炸引信探測器關(guān)鍵技術(shù)研究和樣機研制[3]。

1 總體設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)組成

探測器由雙波段一體化射頻前端、兩個中頻處理通道和數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）單元構(gòu)成。具體包括3毫米波和8毫米波的收發(fā)通道，其中在發(fā)射通道內(nèi)，由DSP產(chǎn)生調(diào)制信號對壓控振蕩器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）進(jìn)行頻率調(diào)制，經(jīng)過倍頻后產(chǎn)生相應(yīng)頻段的毫米波發(fā)射信號，并經(jīng)發(fā)射天線向外輻射。在接收通道中，回波信號經(jīng)接收天線轉(zhuǎn)換為導(dǎo)行波并經(jīng)低噪聲放大，通過平衡混頻器與耦合的發(fā)射信號進(jìn)行自差式混頻得到中頻信號。其中8毫米波發(fā)射通道和本振信號帶有脈沖調(diào)制功能，可以實現(xiàn)脈沖 工作[4]。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 復(fù)合引信系統(tǒng)功能組成框圖

兩個中頻通道分別完成線性調(diào)頻連續(xù)波（Linear Frequency Modulated Continuous Wave，LFMCW）[5]和脈沖多普勒（Pulse Doppler，PD）兩種探測模式的中頻信號處理，LFMCW模式中頻通道進(jìn)行中頻信號帶通濾波、放大，經(jīng)帶通采樣和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（Analog to Digital Converter，ADC）變換為數(shù)字信號[6]；PD模式中頻通道對中頻信號進(jìn)行低通濾波、放大，經(jīng)過采樣和ADC變換為數(shù)字信號。中頻信號數(shù)字化后進(jìn)入DSP單元處理。LFMCW中頻通道輸入設(shè)置雙刀雙擲（Double Pole Double Throw，DPDT）開關(guān)，可根據(jù)需要選擇3毫米波或8毫米波前端的中頻信號進(jìn)行定距處理，實現(xiàn)工作模式的動態(tài)配置。

DSP單元完成以下功能：

1）產(chǎn)生LFMCW模式和PD模式的調(diào)制基帶信號，對VCO進(jìn)行頻率調(diào)制，控制射頻信號工作頻率、帶寬、調(diào)制周期等調(diào)制參數(shù)；

2）產(chǎn)生PD模式的脈沖調(diào)制信號，包括發(fā)射信號和接收本振脈沖調(diào)制信號；

3）進(jìn)行中頻數(shù)字信號處理，進(jìn)行目標(biāo)檢測并獲取中頻載頻、多普勒頻率等參數(shù)；

4）加載雙通道、雙模式信息融合處理算法，產(chǎn)生最終引炸指令。

1.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)有LFMCW和PD兩種工作模式，均可實現(xiàn)目標(biāo)探測，其中LFMCW模式主要完成目標(biāo)定距，PD模式主要完成目標(biāo)相對速度測定。

1.2.1 LFMCW工作原理

如圖2所示，靜目標(biāo)是與探測器沒有相對運動目標(biāo)。由于探測器在工作中隨彈體高速運動，因此所有地面目標(biāo)均為動目標(biāo)。

圖2 LFMCW模式發(fā)射信號頻率與中頻信號頻率示意圖

中頻信號頻譜示意圖如圖3所示，其中f為調(diào)制信號頻率。其工作原理如下：發(fā)射對稱三角波線性調(diào)頻信號，由于目標(biāo)回波信號在空間傳播產(chǎn)生的時間延遲，其到達(dá)接收機時瞬時頻率與發(fā)射信號頻率具有頻差，且頻差正比于空間傳輸距離。將回波信號與發(fā)射信號混頻，取出差頻信號，根據(jù)其幅頻分布，可得到目標(biāo)距離信息。在目標(biāo)進(jìn)入設(shè)定的距離范圍時，其中頻信號進(jìn)入接收中頻濾波器通帶，當(dāng)其幅度超過門限電平，探測器將檢測到目標(biāo)。

圖3 LFMCW探測器典型中頻頻譜

根據(jù)三角波調(diào)制，從時域分析近似可以得出[3]：

1.2.2 PD工作原理

圖4 PD模式信號時域調(diào)制波形及載頻示意圖

PD模式的發(fā)射信號在時域上周期為ns左右的窄脈沖形式，這將迫使敵方偵察接收機采用時域慢搜索方式才能實現(xiàn)可靠的信號截獲，會增加偵察接收機響應(yīng)時間而出現(xiàn)較大時延，從而可以通過接收距離門技術(shù)較好的抑制轉(zhuǎn)發(fā)式干擾；對于采用數(shù)字射頻存儲器（Digital Radio Frequency Memory，DRFM）干擾方式的干擾機，除了增加干擾機信號截獲時間外，還迫使干擾機增加存儲時間，減小有效干擾功率密度和干擾頻度，從而大大降低干擾效能。

此外，PD模式可以采用與LFMCW模式為非整數(shù)倍關(guān)系的脈沖重復(fù)頻率，從而增大雙通道聯(lián)合探測器時的模糊距離，增強系統(tǒng)對模糊距離強反射假目標(biāo)的抗干擾能力。

1.2.3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作流程圖

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行通道自檢。通道自檢通過DSP獲取接收通道噪聲電平，當(dāng)噪聲電平處于要求范圍內(nèi)時，判斷通道工作正常，否則判斷為通道異常。當(dāng)雙通道均正常，則執(zhí)行雙通道聯(lián)合探測流程，如圖6所示，此時8毫米波通道工作于PD模式，3毫米波通道工作于LFMCW模式；當(dāng)只有一個通道正常時，則執(zhí)行單通道探測流程，如圖7所示，此時該通道工作于LFMCW模式；當(dāng)兩個通道均不正常，則閉鎖近炸輸出，轉(zhuǎn)為觸發(fā)等備用工作模式。

圖6 雙通道聯(lián)合探測工作流程

圖7 單通道處理工作流程

在雙通道聯(lián)合探測時，8毫米波通道采用PD模式工作，當(dāng)檢測到目標(biāo)，且目標(biāo)處于要求的距離范圍內(nèi)時，提取回波多普勒頻率，得到目標(biāo)速度；同時3毫米波通道采用LFMCW模式，在多個距離窗口內(nèi)進(jìn)行檢測，當(dāng)先后幾次檢測到目標(biāo)，且目標(biāo)距離和時間間隔與PD模式檢測到目標(biāo)速匹配，則認(rèn)為檢測到真實目標(biāo)；之后，利用目標(biāo)速度信息進(jìn)行目標(biāo)的距離—速度解耦合，獲得目標(biāo)的準(zhǔn)確高度，當(dāng)在此高度上檢測到目標(biāo)，給出近炸指令[7]。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

2.1 探測距離

2.1.1 LFMCW體制作用距離

根據(jù)LFMCW雷達(dá)方程如式（3）所示：

依據(jù)式（3），經(jīng)過計算3毫米波長的系統(tǒng)信噪比為21.9 dB，8毫米波長的系統(tǒng)信噪比為43.6 dB。

2.1.2 PD體制探測距離

根據(jù)PD雷達(dá)方程如式（4）所示：

依據(jù)式（4），經(jīng)過計算8毫米波長的系統(tǒng)信噪比為36.2 dB。

以上計算的系統(tǒng)信噪比均大于15.06 dB的要求，且留有余量，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

2.2 定高精度

探測器距離分辨率如式（6）所示：

光速C=3×108m/s，發(fā)射波形的調(diào)制周期為2 μs，調(diào)制帶寬為250 MHz，計算得到的分辨率為0.6 m，滿足±5 m的距離分辨率的要求。

探測器總的定高誤差如式（7）所示：

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多通道可配置多體制融合提高定高精度、抗干擾能力和作用可靠性

采用了兩個通道分別工作于PD和LFMCW兩種體制，充分利用了PD體制測速精度高和LFMCW體制測距精度高的優(yōu)點，利用PD體制測得的速度信息，實現(xiàn)LFMCW距離—速度解耦合，實現(xiàn)更高的定高精度[8]。

通過目標(biāo)速度和距離信息融合[9]，實現(xiàn)干擾和虛假目標(biāo)識別，顯著增強了探測器抗干擾能力；通過8毫米波段采用窄脈沖調(diào)制，迫使干擾機采用時域搜索方式進(jìn)行信號捕獲，降低了其干擾效能。

通過8毫米波探測通道工作體制的動態(tài)可配置設(shè)計，可以確保在任意一個通道失效情況下，單通道可采用調(diào)頻連續(xù)波模式工作，仍能達(dá)到較高的定高精度，提高了探測器工作可靠性[10]。

3.2 3毫米/8毫米雙波段一體化集成收發(fā)前端

將3毫米波/8毫米波進(jìn)行一體化集成實現(xiàn)雙通道可動態(tài)配置多體制復(fù)合毫米波近炸引信探測器在國內(nèi)尚屬首次研制，通過一體化集成實現(xiàn)產(chǎn)品小型化設(shè)計，進(jìn)一步降低產(chǎn)品加工成本。

4 實驗結(jié)果及其分析

雙波段復(fù)合毫米波引信探測器3D模型如圖8所示，上半部分為3毫米波段的射頻收發(fā)前端，下半部分為8毫米波段的射頻收發(fā)前端，背面為中頻信號處理電路。

圖8 雙波段復(fù)合毫米波引信探測器3D模型

經(jīng)實物測試驗證，該探測器采用LFMCW定距和PD雙波段毫米波探測、雙模式動態(tài)配置和信息融合處理，可適用耕地、草地、灌木、沙漠、水泥地等典型特征地面，炸高可在5～30 m范圍裝定，實際測試定高精度在3.5 m左右，滿足5 m的定高精度，外形尺寸小于直徑Φ70×50 mm2，可滿足遠(yuǎn)程制導(dǎo)火箭彈尺寸要求。

5 結(jié)語

本文研究的定高探測器炸高可在5～30 m范圍裝定，可應(yīng)用于在復(fù)雜電磁環(huán)境下作戰(zhàn)的遠(yuǎn)程制導(dǎo)火箭彈近炸引信、地—地導(dǎo)彈、反艦導(dǎo)彈近炸引信，具有高定高精度、高抗干擾能力和高可靠性，為我軍新一代抗干擾毫米波引信發(fā)展提供了思路。

[1] 島新煜，高敏. 毫米波近炸引信發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 飛航導(dǎo)彈，2018（05）.

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

[3] 徐記偉. 毫米波導(dǎo)引頭抗干擾技術(shù)研究[J]. 飛航導(dǎo)彈，2016（06）.

[4] 廖勝寶. 8mm波段調(diào)頻連續(xù)波測距引信關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 南京：東南大學(xué)，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，黃繼偉，陳阿輝. 高精度調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)測距算法的研究[J]. 微型機與應(yīng)用，2017，36（09）.

[8] 張樹云，秦棟澤，焦國太. 多模式復(fù)合引信安全系統(tǒng)技術(shù)路線研究[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2016，36（01）.

[9] 程呈，高敏，周曉東，等. 基于毫米波探測器的炸高可選擇近炸引信的炸高解算方法[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報，2018，38（08）.

[10] 陶利波，付紅衛(wèi)，周國安，等. 超寬帶引信抗干擾性能分析與仿真[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，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—），陜西寶雞人，工程師，主要研究方向為微波射頻組件及射頻系統(tǒng)集成。