多普勒无线电引信

摘要

多普勒无线电引信是无线电引信的一种，它利用弹目接近过程中电磁波的多普勒效应工作的无线电引信。这种引信是最早使用的一种无线电引信，第二次世界大战期间就开始使用。由于这种音信结构简单、体积小、成本低，所以至今在各国仍广泛使用。

多普勒效应是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。主要内容为：物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高；当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据波移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。

无线电引信是通过无线电波形成的物理场，感受目标出现时物理场特性的变化，并在预定位置适时起爆的一种引信，其中多普勒无线电引信由于技术简单可靠，应用十分广泛．多普勒无线电引信是利用弹丸与目标接近过程中无线电波的多普勒效应获得目标信息，控制最佳炸点的连续波无线电引信。

弹丸对目标的射击过程中，引信在复杂电磁环境和恶劣气象条件下受到了各种干扰的影响．因此对引信的抗干扰性能进行试验，检验引信的作用可靠性，是实现引信战术技术要求的关键．而采用传统的实物射击试验，要受到环境、设备及经费等条件的影响，发射精度不易控制、试验可重复性差、成本太高且不一定达到理想的效果．本文中利用MATLAB 软件的强大仿真功能，实现对多普勒无线电引信的系统仿真，仿真过程完整灵活，仿真结果对于分析引信参考价值高．针对复杂作战环境对引信产生的干扰，分析了多普勒无线电引信的工作原理，采用MATLAB 仿真软件建立了引信的整体仿真模型．模拟弹目交会的过程，实现对引信系统的仿真，通过仿真结果分析了引信的工作特性、优化了引信的系统结构．

关键词：作战环境；无线电引信；仿真模型；弹目交会

目录

摘要 .................................................................... I 目录............................................................................................................................................................. II 1.多普勒无线电引信的工作原理. (1)

1.1多普勒效应 (1)

1.2多普勒无线电引信的组成 (3)

1.2.1发射机 (3)

1.2.2接收机 (3)

1.3多普勒无线电引信作用原理 (4)

1.4地对空中射击目标原理分析 (5)

2.多普勒无线电引信的Matlab仿真 (8)

2.1引信与目标地空交汇分析 (8)

2.2地空交汇Matlab仿真模型 (8)

2.3多普勒无线电引信的Simulink仿真模型 (9)

2.4仿真结果分析 (14)

参考文献 (15)

致谢 (16)

附录 (17)

1.多普勒无线电引信的工作原理

多普勒无线电引信是无线电引信的一种，它是弹目接近过程中电磁波的多普勒效应工作的无线电引信。这种引信是最早使用的一种无线电引信，第二次世界大战期间开始使用。由于这种引信结构简单、体积小、成本低、所以至今世界各国仍广泛使用。

1.1多普勒效应

多普勒效应的实质：在振荡源与接收机之间存在相对运动时，接收机接收到的振荡频率与振源的振荡频率不同。这一现象首先在光学上有奥地利物理学家多普勒与1842年发现。

假设声源S 以V S 的速度运动与接收机间R 的相对速度V R 接近（如图1-1（a)）所示，与接收机距离r 的波源在时间t 1发出的波到达接收机的时间为

R

W V V r

t ++

=11θ （1.1）

在时间t 2=t 1+τ，波源发出的波到达接收机的瞬时为

R

W R V V V t +++

=)(V -r S 22θ （1.2）

如果波源的振荡频率为f 0 ,则在τ时间内发射出的波数为

τ0f N = （1.3） 而接收机接收的频率是

τττ

R W R S V V V V f f ++-=

0 （1.4）

τ

R

W R

S R W V V V V V V f +--+=

（1.5）

f V V V V S

W R

W -+=

（1.6）

011f

V V V V W

S W

R -+

= （1.7）

同理我们也可得到声源远离目标时接收机接收到的频率

011f

V V V V f W S W

R

-

-

= （1.8）

从式（1.7）和式（1.8）可以看出，当波源和接收机存在相对运动时，接收机接收到的振荡频率与振源频率不同，这就是多普勒效应。

W

V

S

V

R V

r

图1.1(a) 声源相对接收机接近的多普勒效应

W

V

S

V

R V

r

图1.1(b) 声源相对接收机远离的多普勒效应

如果发射机与接收机间的相对速度远远小于光速，即c V R <<，则式（1.7）与式（1.8)可以完全的近似表示成下式（正号表示接收机接近发射源，负号表示接收机远离发射源) 00/λR V f f ±= （1.9）

在无线电系统中发射机与发射源处于同一弹体中，式 （1-9）表示与引信有相对运动的目标处振荡频率。那么接收机接收到的由目标反射信号之多普勒频率将增大一倍，有

00/2λR V f f ±= （1.10）

则

02λR

d V f =

（1.11）

1.2多普勒无线电引信的组成

多普勒无线电引信的组成可以用图1-2所示的方框图表示。从图可知，它具有两个通道。每个通道有一副发射天线和一副接收天线，一个高频振荡器，一个高频滤波器，一个平衡混频器和一个低频放大器。两个通道具有公共的检波负载、执行机构、保险机构和电源。发射天线是定向发射电磁波的装置。接收天线是定向接收由目标反射回来的电磁波的装置。高频振荡器是产生高频振荡信号的装置。功率分配器是将高频振荡器产生的高频功率分配给发射天线，并将一小部分功率作为本振信号耦合到混频器的装置。高频滤波器的保证目标反射信号通过的装置。平衡混频器是使反射信号和本振信号混频，输出多普勒信号的装置。低频放大器是用来放大多普勒信号，并对其进行振幅、频率和时间选择的装置。 1.2.1发射机 1.高频振荡器

简单地说就是一个频率源，一般用在锁相环中。详细说就是一个不需要外信号激励、自身就可以将直流电能转化为交流电能的装置。一般分为正反馈和负阻型两种。所谓“振荡”，其涵义就暗指交流，高频振荡器包含了一个从不振荡到振荡的过程和功能。能够完成从直流到交流电能的转化，产生高频振荡信号。 2.功率分配器

功率分配器就是一个同轴线式多路接头。当由一个超高频能源供给两个以上负载时，必须使用功率分配器。它是按给定的关系分配高频能量，通常具有固定的分配系数。该引信上采用的功率分配器实质上是发射系统中的一个高频分流器。他可以依靠结构的高度对称来保证将高频功率按照各自支路已有的固定分配系数加以分配。 1.2.2接收机 1.高频滤波器

高频滤波器的功用时去除通带以外的干扰信号而让接收到的目标反射信号通过。这样就可以保护无线电引信接收机不受导弹制导系统发射信号的影响，同时可以防止敌人用滤波器通带以外频率的信号进行干扰。 2.平衡混频器

平衡混频器时功用是从被目标反射回来并为天线所接收的高频信号中分离多普勒信号。它可以抑制由高频振荡器加到混频器的噪声。平衡混频器具有同轴线式结构，有两个输入端，一个是从接收天线引来的目标反射信号输入端，另一个是从功率分配器引来的本振信号输入端。在厘米波段混频时，为了减少损耗降低并降低噪声，必须采用专用微波混频晶体二极管。在平衡混频器中有另个二极管并联地接在主同轴线内、外导体上。从结构设计上保证本振信号反向的加到两个二极管上，而反射信号同相地加到两个二极管上。同时本振信号能量不能进入接收机反射信号的同轴线，反射能量信号能量也不能进入接收本振信号的同轴线。

图1.2 多普勒无线电引信的组成框图调制

1.3多普勒无线电引信作用原理

多普勒无线电引信利用差频信号频谱分析而进行设计的一种引信，从信号的频谱分

析可知，在弹目之间存在相对运动时，差频信号的频谱发生了变化，在调制频率为0w 调制的情况下，差频为d w ，多普勒无线电引信的基本方法就是利用从目标返回的多普勒差频信号d w 利用信号含有的距离信息，或速度信息引信起爆。 发射信号

)s i n (00φ+=t w

U u A t 发射天线

接收天线

功率分配器

高频振荡器

平衡混频器

高频滤波器

低频放大器

执行电路

本振信号

)s i n (00φ+=t w

U u L l 接受目标反射信号 ))s i n ((0r d R r t w w

U u φ++= 经混频器混频输出

)s i n (*))s i n ((000φφ+++=t w t w w U U k u r d L R c rl

))](s i n ()()2[s i n (20000φφφφ-+++++=

r d r d L

R t w t w w U U k 经低频放大器，得

))]([sin(200φφ-+=

r d L

R t w U U k

式中——k 0，k 1为放大系数

式中——d w w ,0分别为为载波角频率和多普勒角频率

式中——r φ，r φ为初始相位

式中——L R A U U U ,,分别为发射信号，回波信号，本振信号幅值 式中——rl r l t u u u u ,,,分别为发射信号，回波信号，本振信号和混频信号 经上面推倒，可得到只要通过测量多普勒角频率d w 可以控制引信起爆。

1.4地对空中射击目标原理分析

多普勒频率随引信与目标的接近速度V R 的变化而变化。而V R 取决于设计条件和弹目交会条件。因此多普勒频率的变化可以反映弹目接近速度信息。

设目标为点目标，弹道与目标飞行轨迹共面，交汇情况如下图1-1所示。 在图1-2中，V T 是弹目速度；V M 是弹速；V r 为弹对目标的相对速度；V R 为弹目接近速度（径向速度）；ρ为目标到相对弹道的距离（通常称为脱靶量）；θ为弹目连线与相对弹道之间的夹角；β为弹速矢量与目标速度矢量之间的夹角（称为但目交会角）；R 为弹目间距离。 由图1-2可以得到

V R =V r cos θ

V r =β

cos 222T M T M V V V V -+ （1.12）

cos θ=R

R 2

2ρ-=2)(1R ρ- （1.13）

得 222

01cos 22）

ρ（βλR

V V V V f T M T M d --+=

（1.14） 在一次具体射击中，（1.14）中的0、λ、T M V V 和β都是一定的，d f 仅取决于弹目距离R 和脱靶量ρ。当弹目距离很远时，即R ＞＞ρ时 max 22

cos 22d T M T M d f V V V V f =-+=

βλ

（1.15）

于是可以把 （1.14）写成

2

max )(1R f f d d ρ

-= （1.16）

从（1.16）可知，对空中目标射击时，多普勒频率d f 与引信工作频率0f 、弹及目标速度V M 和V T 、交会角β以及ρ/R 有关。

Vr

图 1.3 低空射击时VR 与交汇条件的关系

ρ

-V T

R

V T

θ V R

V M

β

从式（1.16)可知，对空中目标射击时，多普勒频率f d 与引信工作频率、弹及目标速度V M 和V T 、交汇角β以及ρ/R 有关。从∣f d ∣与ρ/R 的关系曲线可知R ＞2ρ时，f d 变化很小，并趋于f d max ；当R ＜2ρ时，f d 很快下降；当R=ρ时f d =0。当弹目之间距离由最近（R=ρ）继续增大时，f d 也由零开始增高。因此在R=ρ附近f d 有急剧变化，变化最大区间在R ＜2ρ范围内。

利用上述多普勒变化规律通过选择多普勒频率可以控制引信起爆时弹目距离。 应该指出，在引信工作条件下，目标不能视为点目标，因此得到的多普勒信号时具有一定宽度的频谱而不是单一频率信号。多普勒信号的频谱特性取决于天线参数、目标类型及交会条件等。

2.多普勒无线电引信的Matlab 仿真

2.1引信与目标地空交汇分析

引信与目标交会满足地空条件，已知弹速s m v M /160= ，目标速度s m v T /220= 弹

目水平距离m l 30000= ，弹目相对高度m h 14000=，弹目交会角 120=β。 引信发射信号的载波频率MHz f 200= ，幅值10t U v = ，初始相位 10=? 。

2.2地空交汇Matlab 仿真模型

运行弹目地空交汇仿真模型，获得弹目距离及多普勒频率，模拟系统回波信号弹目地空交汇过程中弹目距离如图2.1所示：

图2.1 弹目地空交汇过程中弹目距离

多普勒频率如图2.2所示：

图2.2 弹目地空交汇过程中的多普勒频率

2.3多普勒无线电引信的Simulink仿真模型

根据多普勒无线电引信工作原理，设计引信系统结构，引信系统主要由高频振荡器、功率分配器、混频器、低通滤波器、放大器、执行级等组成。在Matlab仿真环境下应用Simulink功能模块作为引信系统组成部分的仿真模型，建立多普勒无线电引信系统的整体Simulink仿真模型，如图2.8所示，弹目交汇仿真模型模拟的引信回波信号作为系统仿真模型的输入信号，对但目交汇过程进行仿真试验，观察引信系统的信号工作特性。

图2.3 弹目地空交汇过程中弹目距离

引信发射信号波形图如图2.4所示：

图2.4 引信发射信号波形图引信发射信号频谱图如图2.5所示：

图2.5 引信发射信号频谱

引信回波信号波形图如图2.6所示：

图2.6 引信回波信号波形图

引信回波信号频谱图如图2.7所示：

图2.7 引信回波信号频谱图

在引信系统仿真试验中观察引信工作信号的特性，得到引信工作信号的波形图，及频谱。

引信系统混频后信号波形图如图2.8所示：

图2.8混频后信号的波形图

引信系统混频后信号频谱图如图2.9所示：

图2.9 引信系统混频后信号频谱图引信系统经过滤波器的信号波形图如图2.10所示：

图2.10 经过滤波器的信号波形

引信系统经过滤波器的信号频谱图如图2.11所示

图2.11 引信系统经过滤波器的信号频谱图

2.4仿真结果分析

对多普勒无线电引信系统的发射信号与回波信号进行混频，经过混频后的信号频谱图2.9具有两个峰值，反映了混频器输出信号既有高频又有低频的正弦信号。混频器输出信号进入低通滤波器，高频信号被滤掉，低频信号就是多普勒信号。由于存在多普勒效应，存在多普勒频率。多普勒频率信号包含弹目距离信息，信号幅值与弹目之间的距离的平方成反比，当弹目之间的距离逐渐减小时，多普勒频率信号的幅值会逐渐增加，推动执行级工作，引爆战斗部。

通过无线电技术与计算机仿真技术的应用，根据多普勒无线电引信的工作原理，对引信系统工作过程进行模拟仿真，仿真结果分析反应引信系统仿真模型，满足多普勒无线电引信的工作原理，实现引信功能，达到了设计的要求。

参考文献

[1] 崔占忠，宋世和.近炸引信原理[M].北京：北京理工大学出版社.2009.08.01

[2] 陈桂明.应用MATLAB建模与仿真[M].北京：科学出版社.2001.07.03

[3] 邓华.MATLAB通信仿真及应用实例详解[M].北京：人民邮电出版社.2006.09.10

致谢

三周的时间过去了，我完成了本次课程设计，在课设的过程中，我感受到老师的细心指导和热心帮助给我完成这次设计起了至关重要的作用。使我深刻体会到科技工作之严谨，真可谓失之毫厘谬以千里。只要算错一个数据、一个模块就可能导致设计的失败，这使我知道了做事认真仔细的重要性。

通过本次课设，我对我们所学习的近感引信原理和计算机仿真等课程有了更深刻的体会，对现代设计理论和方法有了一定了解，更进一步巩固和加深了所学的MATLAB编程和Simulink建模知识，把所学到的专业课程理论知识充分和实践结合起来，增强实践的能力。此外，对于我们探测制导与控制技术专业来说，本次对引信进行的课程设计无疑是我们对本专业所研究产品进一步认识的机会。设计关键是它的过程，在过程中我学到了很多课本中所没有的东西，它为下学期的毕业设计奠定了坚实的基础。

在课程设计的过程中，我遇到了很多问题也犯了很多错误，可是蒋威老师能够耐心的对我的疑问进行了解答而且及时纠正错误，才使我能顺利完成本次课设。在此，我向我的课设老师蒋威老师及给我帮助的同学们表示我最衷心的感谢。

附录

此程序是根据前面地对空中射击目标原理分析部分列出的运算方程和课程设计任务书给出的设计指标建立Matlab仿真程序如下：

t=0:10^-4:10;%采样时间

l0=3000;%弹目水平初始距离

h0=1400;弹目垂直初始距离

c=3*10^8;%光速

vt=220;%弹速

vm=160;%目标速度

beta=120*pi/180;%弹目交汇角

f0=2*10^8;%引信发射无线电信号工作频率

vr=sqrt(vm^2+vt^2-2*vm*vt*cos(beta));%弹目相对速度

alf=acos((vm^2+vr^2-vt^2)/(2*vm*vr));

v1=vm*cos(pi-beta);%弹目水平速度

v2=vm*sin(pi-beta);%弹目垂直速度

l=l0-(vt+v1).*t;%弹目水平距离

h=h0-v2.*t;%弹目相对高度

R=sqrt(l.^2+h.^2);%弹目间距离

gama=atan(h./l);

sita=60*pi/180-alf-gama;%弹目连线与相对弹道之间的夹角

p=R.*sin(sita);%脱靶量

VR=vr*cos(sita);

fd=2.*VR.*f0/c;%多普勒频率

subplot(2,2,1);

plot(t,R,'r');

xlabel('t');

ylabel('R');

subplot(2,2,2);

plot(t,p,'g');

xlabel('t');

ylabel('p');

subplot(2,2,3);

plot(t,fd);

xlabel('t');

ylabel('fd');

ti=0:1e-9:1e-4;

ur=sin(2*pi*f0.*ti+2*pi.*fd.*ti+10*pi/180)./R.^2;%回波信号subplot(2,2,4);

plot(ti,ur)

ut=sin(2*pi*f0.*ti+10*pi/180);%发射波信号