脉冲无线电引信设计

引言无线电引信的出现是引信发展史上的一次重大技术革命,由于它不是利用触觉,而是利用目标回波所携带的位置、速度等信息确认目标,因此比触发引信和时间引信更能有效地发挥弹丸对目标的毁伤效能,被称为是现代武器系统终端效能的倍增器,已经成为引信发展的主要方向。

无线电引信按工作体制分为多普勒式、调频式、脉冲式、比相式和编码式等无线电引信，本文以地－空攻击目标时的弹目交会为背景，以脉冲无线电引信为对象，利用外差式多普勒引信原理。

探讨了弹目交会和脉冲无线电引信的工作过程．由多普勒频率原理可知，若发射信号频率一定，那么多普勒频率随引信与目标的接近速度的变化而变化。

而又取决于射击条件和弹目交会条件。

由此可知，多普勒频率的变化可以反映弹目接近速度信息。

因此，研究弹目接近过程中多普勒频率的变化规律具有重要的实际意义。

1 多普勒效应的原理1.1 多普勒效应的原理多普勒效应的实质：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由奥地利物理学家多普勒与1842年发现。

假设波源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见式1.1RW V V rt ++=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见式1.2（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见式1.3（1.3） 而接收机接收的频率是（1.4）（1.5）（1.6）（1.7） 同理我们也可得到波源远离目标时接收机接收到的频率见式1.8RW R V V V t +++=)(V -r S 22θτ0f N =τττR W R S V V V V f f ++-=0τRW RS R W V V V V V V f +--+=f V V V V SW RW -+=11f V V V V WSWR -+=（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。

r图1.1(a) 波源相对接收机接近的多普勒效应r图1.1(b) 波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，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)（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（1.10）则（1.11）如果弹目是接近运动，则fd 为正值，如果远离运动，则fd 为负值011fV V V V f WS WR --=WV S V R V WV S V R V c V R <<00/λR V f f ±=00/2λR V f f ±=02λRd V f =2 地空弹目交会的原理与仿真2.1弹目交会原理分析多普勒频率的变化可以反映弹目接近速度信息，下面以地对空射击为例观察多普勒频率变化规律。

图2.1 地空射击时R v 与交会条件的关系在图2.1中，T v 是目标速度；M v 是弹速；r v 为弹对目标的相对速度；R v 为弹与目标的接近速度（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（称为弹目交会角）；R 为弹目间得距离，设h 为弹目相对高度；l 为弹目水平距离。

由图2.1可以得到：cos R r v v θ=(2.1)r v =（2.2)cosθ==(2.3) 由（2.1）、（2.2）和（2.3）可得df= 2.4）在一次具体射击中，式（2.4）中的Mv、Tv、λ和β都是一定的，df仅取决与弹目距离R和脱靶量ρ。

当弹目距离很远时，即R>>ρ时，maxd df f==（2.5）于是可以把式（2.4）写成：d df f= 2.6）由上式可知，对空中目标射击时，多普勒频率df与引信工作频率f、弹及目标速度Mv和Tv、交会角β以及ρ/R有关。

图2.2df与R/ρ的关系曲线为了分析df随R变化的情况，把（2.6）以曲线的形式表示出来，如图2.2所示。

由曲线可知，当R>2ρ时，df变化很小，并趋近于maxdf，当R<2ρ时，df很快下降；当R=ρ时，df=0。

当弹目之间距离由最近继续增大时，df也由零开始增高。

因此，在R=ρ附近df有急剧地变化，变化最大的区间在R<2ρ范围内。

利用上述多普勒频率变化的规律，通过选择多普勒频率可以控制引信起爆时弹目间的距离。

2.2地空交会MATLAB 仿真模型引信与目标交会满足地空条件，已知弹速s m v M /270= ，目标速度s m v T /240= ，弹目水平距离6000l m = ，弹目相对高度1500h m =，弹目交会角 150=β。

载波频率200f MHz = ，脉冲宽度50m ns τ=，脉冲周期200m T ns =。

根据设计指标利用MATLAB 仿真软件，建立数学模型。

研究弹目接近过程中多普勒频率的变化规律，弹目距离的变化规律，回波信号，以及发射和回波信号的多普勒频率。

2．3仿真结果分析图2.3多普勒频率与时间关系MATLAB 仿真弹目交会过程多普勒频率 与时间的关系曲线结果如图2.3.1所示，起始时多普勒频率为347.86Hz 。

随着时间变化，频率在减小，在10秒时频率为333.21Hz 。

图2.4弹目距离与时间变化曲线如图2.3.2所示，起始时刻距离为6110，变化10秒后，距离为1000。

曲线成比例变化。

3 脉冲无线电引信的原理与仿真3.1脉冲无线电引信原理脉冲无线电引信是一种发射的高频脉冲信号具有一定重复周期的无线电引信。

一般的脉冲引信工作原理类似于脉冲测距雷达。

发射装置通过天线发射一定脉宽及重复周期的矩形脉冲串，其一部分能量反射，引信接受到的目标反射脉冲在时间上比发射脉冲滞后一个时间Δt，即Δt=2R／c，它正比于引信到目标的距离R。

利用从反射信号中提取距离等信息来控制引信作用。

脉冲无线电引信只在脉冲持续期间内发射高频能量，因而可在平均功率较小的条件下，具有较高的峰值功率，从而能达到较大的作用距离，同时也有利于抗干扰。

这种引信可采用“距离门”等措施进行测距选择，使其距离截止特性好。

此外，它还可以通过脉冲宽度选择以及编码等措施来提高抗干扰能力。

如果直接利用脉冲测距，则要求接受与发射系统之间隔离完善，又因引信作用距离小，则要求调制脉宽很窄等。

这些均会给系统的实施带来一定的困难。

当引信开机工作时，射频振荡器开始工作，产生频率为f0的连续波信号，经定向耦、重复频率为f R的射频合器耦合，被脉冲A控制的微波开关调制器调制产生宽度为τA脉冲信号，经功率放大器放大，馈给发射天线，由天线向预定的空间辐射出去。

同时，定向耦合器取出少量振荡器产生的连续波信号，作混频器的相参本振信号。

由目标反射回来的回波信号，被接收天线接收，进入混频器，与本振信号混频。

混频器输出的信号为幅度包络按多普勒频率变化的窄脉冲序列。

经视频放大器放大后，与脉冲产生器输出的B脉冲在相关器中作相关判断。

输出的信号经多普勒放大器放大、滤波，作为目标检测和启动判据去触发引信执行电路，输出起爆信号。

图3.1典型脉冲无线电引信原理框图3.2 脉冲无线电引信系统的仿真模型根据脉冲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，建立脉冲无线电引信系统的整体Simulink仿真模型，如图3.2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，对弹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3.2脉冲无线电引信系统的整体Simulink仿真模型原理图3.3仿真结果分析对脉冲无线电引信系统仿真模型设置初始条件后，运行仿真模型，可得到仿真结果。

引信系统的发射机产生重复周期的窄脉冲，经过高频振荡形成了向外发射的高频脉冲。

图3.3发射信号波形图图3.4 发射信号频谱图发射信号遇到目标后，由目标反射回来形成回波信号，回波信号波形图和频谱图如图3.5和图3.6所示。

图3.5 回波信号波形图图3.6 回波信号频谱图回波信号与脉冲信号混频后的混频波形和频谱如图3.7和图3.9图3.7混频后信号的波形图3.8混频后信号的频谱混频后和信号与脉冲波的延时信号调制进入低通滤波器。

经过滤波，得到信号的波形和频谱如图3.9和3.10所示。

图3.9经过滤波后的信号波形图3.10 滤波后的多普勒频谱根据脉冲无线电引信系统工作过程，由图3.5可知引信系统回波信号的幅值逐渐增大，反映当弹目之间的距离逐渐减小时，引信接受到的回波信号能量逐渐增大，并与弹目距离成反比。

对MATLAB初始参数的变化，由图2-2多普勒频率变化曲线规律，证明了多普勒频率与引信工作频率，弹目距离，交会角有关。

对脉冲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。

结论接到课程设计任务后，我们一起讨论了该如何完成课设任务，然后分组，我跟周嘉做地空弹目交会过程仿真。

由于要用MATLAB仿真交会过程，我俩去图书馆借阅了《应用MATLAB建模与仿真》，这期间我们遇到了缺少相关知识基础的问题，通过讨论和老师的指点，比较顺利的完成了第一部分的内容。

解决问题的过程本身就是最好的学习。

虽然上面提到的问题大概并不是什么真正的问题，但使是我获得了解决真正复杂问题的信心，我想这是非常重要的。

然后我俩和做空空弹目交会过程仿真的唐超一起讨论了应用脉冲无线电引信工作原理，采用simulink模块建立脉冲无线电引信系统结构的问题。

加上本学期近炸引信课程的学习，我们很快就商量好了方案。

但是由于我们对这个软件不是很熟悉，相关参数的设定出现了问题，不能仿真出理想的信号波形，经过老师的改正，得到引信系统工作过程信号的波形图与频谱图，经过我们对信号特性进行分析，仿真结果分析证明建立的脉冲无线电引信系统结构及功能满足引信的设计条件、设计要求、能够完成引信的功能及作用。