毫米波fmcw雷达近炸引信信号处理设计与实现

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1、毫米波FMCW雷达近炸引信信号处理设计与实现发布:2012-11-15

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5、用户关注：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   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

6、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（F

7、MCW）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。1FMCW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

8、测量拍频fb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）

9、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

10、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FP

11、GA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

12、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