低空无线电扩频引信的测距算法研究

低空无线电扩频引信的测距算法研究 第27卷第1期弹箭与制导?115? 低空无线电扩频引信的测距算法研究 陈晓露,杨建伟,杨俊,王跃科 (国防科技大学机电工程与自动化学院,长沙410073) [摘要]研究分析了扩频技术在低空无线电引信应用中的相关问题,给出了引信回 波模型?提出了基于软件无 线电扩频引信的接收机结构和相应的测距算法,并对其性能进行了软件仿真. 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 了在引信中应用的可行性. [关键词]无线电引信;扩频;测距;回波模型 [中图分类号]TJ434.1[文献标识码]A ResearchontheRangingAlgorithmforLow..altitudeRadio SpreadSpectrumFuze CHENXiao—lu.YANGJian-wei,YANGJun,WANGYue-ke (CollegeofMechatronicsEngineeringandAutomation,NationalUniv.of DeferenceTechnology,Changsha410073,China) Abstract:Thecorrelativeproblemsofspreadspectrumtechnologyappliedinlow— altituderadiofuzewereresearchedand analyzed.Theechomodelwassetup.Thereceiverstructureandthecorrespondingrangingalg orithmofspreadspec— trumfuzebasedonsoftwareradiowereproposed.Theperformancewassimulatedandtheres ultsproveitsisfeasible. Keywords:radiofuze~spreadspectrum;ranging;echomodel l引言 引信是指能够接收和利用目标信息,环境信 息和人工指令,并能对各种信息和指令进行辨 别,筛选和分析等综合处理,按照规定条件引爆 战斗部装药的控制装置[1].无线电引信利用无 线电波来探测目标,并在目标信息的控制下适时 起爆战斗部.一般无线电引信的炸高范围在几 米到几十米之间,随着科学技术的飞速发展以及 现代战争的需求,出现了大量新技术武器,其炸 高范围从几十米延伸到了几百米[2].目前的无 线电引信炸高无法满足这些新需求,因此研究大 作用距离的低空无线电引信具有非常重要的军 事意义.一. 扩频技术由于采用了伪随机编码调制和信 号相关两项关键技术,使其具有抗干扰能力强, 低截获,保密性能好等优点.直接序列扩频测距 就是在发射端发射高速伪随机编码序列,在接收 端用相关匹配来检测回波中伪随机码的时延,实 现测距的目的.文中研究了低空无线电扩频引 信的具体问题,建立了引信回波模型,针对引信 回波的特点,提出了扩频引信接收机的结构和相 应的测距算法,并对其性能进行了仿真分析. 2软件无线电引信回波模型 软件无线电引信涉及到的关键技术主要有 宽带天线技术,数字化技术和高速数字信号处理 技术等[5],文中研究 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 侧重于数字化技术和信 号处理技术.考虑到目前在射频直接进行数字 化的技术并不成熟,因此文中研究的低空扩频引 信采用中频数字化的结构,系统结构框图如图1 所示. 火线广—上变频,放大H频输}f{ 双I:H射频振荡 — -_11塑:垫H尘塑垫! 图1软件无线电引信结构图 *收稿日期:2006—05—23;修回日期:2006—07—05 基金项目:国防科技大学创新项目(CX0303004) 作者简介:陈晓露(i976一),女,江苏扬州人,博士研究生,研究方向:智能仪器与信息 处理,现代通信. 信 号 处 ? 116?弹箭与制导 设发射的直序扩频测距信号为: (nT)一厂(nT)cos(27rT+)(1) L一1 其中:f(nT)一?Ac^P(nT一点丁);A为载波=0 幅度;C为取值?1的扩频码;(,)为码片成形函 数;T为码元宽度;丁为采样频率;为中频数 字化频率;为载波随机相位,在Eo,2不]之间均 匀分布;L为扩频码的周期. 由于引信与目标之间的相对速度和距离均 未知,所以回波信号为L6]: N r(丁)一?J占Jf(nT一)cosL27r(f~+i=0 . )(nT一r)+]+n(7~T)(2) 式中:占为信道对发射信号包络的调制加权,为 复高斯随机过程;(nT)为复高斯白噪声;.为 回波信号的多普勒频率偏差. 由式(2)可知,引信的回波信号为体目标扩 展信号,是多个散射单元回波信号之和,假定接 收机最先接收到的回波散射单元在时延一多普 勒平面的位置为(r.,),则回波信号为: r(nT)一l0l厂(T一r0)cos[-2~r(+)(T N —r.)+.]+?l占lf(nT一)cos[2不(+f=I . )(nT一)+]+(T)(3) 3点目标无线电引信接收机 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 从回波模型可知,引信回波由多个散射单元 的回波组成,先研究位于(r.,)单一散射单元 的回波信号检测问题,即点目标回波信号的检 测,然后再扩展到整个体目标回波信号的检测问 题.单一散射单元的回波信号可以表示为: r(nT)一lb0l厂(丁一r0)cos[-27r(+)? (nT一r0)+0]+n(nT)(4) 对每个单一散射单元,在引信工作条件下可 以认为是慢起伏点目标,即占.的幅度在观测时 间内基本保持不变,因此可以将b.的幅度对信号 检测的影响归结到回波信号的信噪比问题中,以 下令f6.f一1.根据假设检验理论建立如下的信 号检测模型L7j: Ho:r(,汀)一,?(nT)0?"?N一1(5) H1:r(nT)一厂(nT一r0)cos[-27r(+)(nT 一r0)+0]+,?(nT)0?"?N一1(6) 根据式(6),在假设条件H下回波信号含有 未知随机参数r.,和随机相位.,.由发射信 号初始相位以及目标散射特性决定,(nT)为 高斯白噪声,这是典型的复合假设检验问题j. 另一方面由于高斯白噪声情况下确定性信号的 最优检测器是匹配滤波器,因此可得点目标扩频 引信接收机的结构设计如图2所示. sin(2,. n,,) 图2点目标扩频引信接收机结构图 考虑多普勒频偏的影响,回波信号频率 的可能变化范围为[…,…],在这个范围内以 扩频信号的多普勒分辨率A,的1/N(N决定了 频率搜索的步长)为单位将ELm.,…]分为M 个区间,第i个区间的频率为f.一,十 二,i一1,M,并在每个区间内构造正交 』 匹配滤波器h(nT)一厂(nT)exp{2不. T). 扩频信号的多普勒分辨率为A,一1/Ly. 下面对接收机结构设计的正确性进行仿真 验证,仿真条件:31位序列扩频码,中频载波 一 10MHz,码元宽度一0.1s,采样频率 一 40MHz,多普勒频差厂一100KHz,载波相位 E0,2不]之间均匀分布,回波信噪比SNR一0dB. 因此频率分辨率A,一80.65KHz,取频率搜索步 长A,/4?20KHz,并考虑多普勒频率变化范围 40KHz,100KHz,则可知搜索支路数M一4. ; 咖 痼 篱 歪 面 肇 迎三 观测时问(单崮采样点数) ; 血 1 媛 蝼 图3回波信号图4接收机输出 (点目标)(点目标) 从图3和图4的仿真结果可以看出,测距信 号延时200个采样点回到接收机,而接收机的输 出也在延时200个采样点数的时刻取得了最大 第27卷第1期低空无线电扩频引信的测距算法研究陈晓露等'117? 值,实现了回波信号时延的检测,验证了结构设 计的正确性. 4体目标无线电引信接收机设计 已知体目标扩展的引信回波信号为式(2), 由于大炸高引信的天线波束角比较小,这种情况 下可以认为回波信号的多普勒频偏基本相同,则 回波模型可以简化为: N r(nT)一?lf(nT一ri)cos[2n(f~+f一0 )(nT一r)+]+n(nT)(7) L—l 式中:厂(72T)一?p(nT一忌T)(8)0 由式(7)和(8)可得: NL一1 r()一??lckp(nT~--kT-r,)cos[2n(f,=0=0 +)(nT一)+]+n(nT)(9) 不妨设ro<rl…<"<rN,并令时刻 本地匹配滤波器与时延为的散射单元的回波 信号完全匹配,即RP()一RP(0),其中 RP~(0)表示匹配滤波器输出的最大值.下面分 析其它散射单元对匹配滤波器输出的影响.在r0 时刻接收机结构如图2所示的任意多普勒区间 的J支路的输出为: L一1 , (ro)一RP(0)cosgo+?ARP(r)cos9+=0 R,()(10) 式中:r一r一,尺()为高斯白噪声()经过 匹配滤波器在时刻的输出.同理Q路输出: L一1 Q()一RtpN(0)singo+?ARP~(r)sin9+=O R(ro)(11) 则: 5()一(』())+(.())一(RPN(0))+ NNN ?A2.R2.w(rti)+2??AA,R(r)R(r;)?i—li=0,=0 cos(9;一仍)+V(ro)(12) 令z.:一一0,A.一1,以及: NN V(r)一2??AA,R(r:)R(r:)cos(一i0,0 N 仍)+?A2^2PN(r:)(13)i一1 (r)是由于体目标扩展引起的干扰项,下面讨 论其对匹配滤波输出的影响. (1)对于所有的时延差r(一1,2,…,N), 有Tc?r:?(L一1)T,则: N^,NN1 (r)一?十2??AA,cos(一仍)i一1bt=1T一1 (14) 其中:和,是不同散射单元路径延迟不同造成 的相差,在[一不,]之间均匀分布.由式(14)可 知多径分量(r)衰减了1/L,因此接收机对 体目标引起的距离扩展干扰具有很强的抑制作 用,其抑制作用的大小由扩频测距码的码长决 定. (2)对于所有的时延差r:(一1,2,…,N), 有0?r:?Tc,在这种情况下: r ,)一A;[卜(H)]+ 2,'1一(H)]=lJ=l一,一, 卜(H)]COSc仍 此时做如下假设:在引信天线波束角范围内的地 面均匀分布着大量独立散射单元,由回波信号的 相位均匀分布可得: A[卜(H)]?0(16 2 11舭一(H)]'=J—L',一,J 卜(H亡)]COS(0(17) 因此在这种情况下距离扩展分量对匹配滤波的 输出起增强的作用. 从上面的分析可知,扩频引信接收机对距离 展宽信号的检测具有较强的适应能力,延时小于 码片宽度的散射单元的回波信号,对引信接 收机的输出起增强作用.接收机处理的是最先到 达接收机的散射单元的回波,获得的是该散射单 元回波的时延信息,由于引信信道距离扩展的客 观存在,为了提高引信的检测性能,最大限度地 利用距离展宽信道中其余散射单元的回波能量, 对点目标情况下的直序扩频引信接收机的结构 进行改进,得到了引信回波体目标扩展情况下的 接收机结构设计. 图5是体目标扩展引信接收机的结构框图. 接收机的设计思路:体目标扩展引信接收机具有 N个支路,根据上面的分析结论可知,点目标情 ? 118?弹箭与制导 岖芏'+叵 I51l51II—l51I信接收单f信接收单I弓信接收单l信接收单 二 图5体目标扩频引信接收机结构图 况下的直序扩频引信接收机对延时宽度大于码 片宽度的回波信号具有较强的抑制作用,而 延时宽度小于码片宽度的散射单元的回波信 号对接收机的输出起增强作用,因此可以采用相 互之间延时宽度为的N个支路来收集散射单 元的回波,通过对各个支路输出的叠加来提高接 收机的检测性能;对于体目标扩展接收机的每一 个支路检测单元,采用如图2点目标情况下的扩 频引信接收机结构. 下面对体目标扩展引信接收机的支路数目 进行讨论,假定引信的开始探测高度为H,引信 天线的波束角为,则在这种情况下引信回波的 最大距离扩展: 1一COSf1 H.d—H————(18) COSf\ 如果直序扩频测距信号的码片宽度Tc一0.1tLs, 则在这种情况下体目标扩展接收机的支路数目: N一『](19)L c'』cJ 式中:[?]为向上取整运算符. ? ; 瑚 邋 霞 王一 一 馨一 小一 一 观测u}问/s ; 掘 _ 丁 - 2--_- 簿 一 图6回波信号(体目标)图7接收机输出(体目标) 对如图5所示的体目标扩展扩频引信接收 机性能进行仿真,仿真条件同上.对每个输入信 噪比做10000次蒙特卡罗仿真,并假设在引信天 线波束角范围内引信回波信号的扩展为3个码 片间隔. 5接收机性能仿真对比 图8为接收机性能 对比仿真曲线,仿真条 件同上.从接收机工作霎 特性的仿真结果可以看宣 出,体目标扩展引信接一 收机相比点目标情况下 的直序扩频引信接收机 来说,检测性能有了较 图8接收机性能 对比曲线 大地提高,从另一个角度也说明体目标扩展引信 接收机的抗干扰能力有了较大的提高. 6结论 文中研究了直序扩频技术在大炸高引信条 件下应用的具体实现问题,提出了一种基于软件 无线电的低空无线电扩频引信的接收机结构设 计.由于采用了软件无线电技术和直序扩频测 距技术,使引信具有较高的测距精度以及抗干扰 能力,提高了对现代战场形势变化的适应能力, 符合现代引信模块化的发展趋势. 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