毫米波FMCW雷达近炸引信信号处理设计与实现

摘 要： 引信是通过测量弹头距地面的相对高度来控制战斗部在最佳高度起爆,以提高战斗部的杀伤威力。而近炸引信的目的则是在未到达预定引爆区域而又无法避免对方拦截的情况下，引爆战斗部，以避免战斗部被对方完全破坏后的失效。针对该应用，本文在毫米波波段设计并实现了一种基于调频连续波体制的近炸引信信号处理器。
关键词： 调频连续波；毫米波；引信；信号处理

随着现代拦截技术的发展，对导弹自我保护能力的要求越来越高。为了避免敌方拦截导弹对我方导弹战斗部造成致命破坏，导致我方武器完全失效，在被对方拦截导弹击中破坏前，需要提前引爆战斗部，以期能尽量对敌方造成破坏。针对这一需求，本文以比较成熟的调频连续波（FMCW）体制为基础，开展了毫米波雷达近炸引信技术的信号处理技术研究和设计工作。
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连续调频毫米波，并接收目标的反射信号。发射信号的频率在时域中按调制电压的规律线性变化。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相同，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f_b来测量雷达与目标的距离R。
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f_d，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下降沿对应的拍频不同，具有对称的特点。在三角波上升沿和下降沿输出的拍频分别为：

2 系统方案与算法设计
2.1 系统方案
毫米波雷达引信[2]一般采用脉冲和连续波两种工作体制。脉冲体制在近距离需求下需要采取窄脉冲方式，当距离很近时，发射脉冲和接收脉冲间距很小，对信号处理速度要求很高，系统设计复杂。相比较而言，采用调频连续波体制（FMCW）更能满足近距离、较小测距盲区的要求，这也是本文中采用调频连续波的重要原因。
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。其基本流程为：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接收天线接收，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分开的方案，隔离度好，动态范围大，灵敏度高，短距离情况下工作性能佳。天线接收到的回波信号，经放大、混频后直接输出差拍信号，结构较为简单，体积小，成本低，对振荡源的频率稳定度要求也较低。AGC增益受回波信号的强度控制，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灵敏度的影响，该带通滤波器的带外抑制性能较优。
信号处理组件拟采用全数字化处理方式，通过可编程器件FPGA实现信号处理和逻辑控制的功能。高速D/A用于产生VCO所需的三角调制信号，对其线性度要求较高，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提高会带来技术难度和成本的提高。实际应用中，高速D/A的输出还需接平滑滤波器，提高调制信号的线性度，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，当目标到达规定的距离范围之内时，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进行频率鉴别。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下降沿，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下降沿的差拍频率进行和差运算，可以计算出平均差拍频率和多普勒频率大小，平均差拍频率反映出距离信息，多普勒频率反映出速度信息。
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，使用成熟的IP核技术通过基于FFT的测频技术测量雷达引信相对目标的距离和速度。主要算法包括测距、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能，为了使战斗部破坏目标的效果到达最佳，战斗部需在特定最佳引爆距离启爆。因此，作为引信并不需要连续测距，只需当引信相距目标到达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顺序动作的方式来提高引信的可靠性。分别在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，范围为正负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，当连续出现N（该数字由系统的误爆概率确定）帧的信号都满足该距离门时，给出动作信号，只有在引信按顺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，还需要通过速度识别来判断接近目标是否为预设目标（如拦截导弹）。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，如果连续出现额定次数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，模拟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，验证使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分别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对整个程序进行仿真。仿真中，一个包含两个频率分别为f1和f2的正弦波模拟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)。当连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对应的速度门范围内连续满足了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，用于速度识别的速度动作信号也在多普勒频移连续满足速度门要求N帧后被置为高。

3.2 上板调试
ChipScope具有类似传统逻辑分析仪的功能，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，这种强大的可观测性为调试带来了巨大便利，也节省了大量时间。
本设计在调试过程中应用ChipScope调试。图9为使用ChipScope上板调试FPGA程序的测频结果和波形图。
根据公式(8)可以推出，结果完全正确。

式中：index为FFT索引；f_b0为额定差拍信号频率；NFFT为FFT计算点数；f_s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，提高雷达引信的可靠性，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判断来袭目标的重要判决依据，从而进一步提高可靠性。研究中对算法进行了大量的仿真和实验，结果表明，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术研究[D].中国工程物理研究院，硕士学位论文，2009.