基于滑动多周期FFT的调频引信抗扫频干扰方法_周文.pdf

第 44 卷第 6 期2 0 2 3 年 6 月兵工学报ACTA AMAMENTAIIVol 44 No 6Jun2023DOI:10 12382/bgxb 2022 0119基于滑动多周期 FFT 的调频引信抗扫频干扰方法周文，郝新红，董二娃，陈彦君(北京理工大学 机电动态控制重点实验室，北京 100081)摘要:针对调频引信快速傅里叶变换(FFT)谐波包络提取方法对抗扫频干扰效果差的问题，提出一种滑动多周期 FFT 处理方法。在分析扫频干扰作用下调频引信的失效机理的基础上，提出通过多周期 FFT 进行回波能量的相干积累，实现对干扰的有效抑制，并在相邻处理窗口间滑动更新处理数据，进一步提取预定炸高对应的差频谐波包络进行门限判决。仿真及实测结果表明:滑动多周期 FFT 处理方法能在扫频干扰下有效提取目标谐波包络特征，相较于传统单周期 FFT 处理方法，显著改善峰值旁瓣比，提高了调频引信抗扫频干扰的能力。关键词:调频引信;扫频干扰;相干积累;谐波包络;峰值旁瓣比中图分类号:TJ43+4.1文献标志码:A文章编号:1000-1093(2023)06-1744-10收稿日期:2022-03-02基金项目:国家自然科学基金项目(61871414);国防科技基础加强计划项目(2019-JCJQ-ZD-324)Anti Frequency Sweeping Jamming Method for FMFuze Using Sliding Multi cycle FFTZHOU Wen，HAO Xinhong，DONG Erwa，CHEN Yanjun(Science and Technology on Electromechanical Dynamic Control Laboratory，Beijing Institute ofTechnology，Beijing 100081，China)Abstract:This study proposes a sliding multi-cycle fast Fourier transform(FFT)processing method toaddress the problem of poor performance of the FFT harmonic envelope extraction method used in FM fuzeunder frequency sweeping jamming conditionsThe proposed method aims to achieve effectiveinterference suppression by coherently accumulating echo energy through multi-period FFT processingThe processing data is updated by sliding between adjacent processing windows，and the differencefrequency harmonic envelope corresponding to the predetermined blast height is further extracted forthreshold judgment The simulated and measured results show that compared with traditional single-cycleFFT processing method，the new method can effectively extract the target harmonic envelopecharacteristics under frequency sweeping jamming，significantly improve the peak-to-side lobe ratio，andenhance the anti-frequency sweeping jamming performance of FM fuzeKeywords:FM fuze;frequency sweeping jamming;coherent accumulation;harmonic envelope;peak-to-side lobe ratio0引言引信作为一种弹药终端毁伤控制系统，直接决定了武器系统能否发挥出最佳毁伤效能，在现代战争及地区防御中占据重要地位1。作为引信的一个重要组成类型，调频引信由于其具有定距精度高、第 6 期基于滑动多周期 FFT 的调频引信抗扫频干扰方法结构简单等特点，已在常规弹药中得到广泛应用2。而在日趋复杂的战场电磁环境中，诸如扫频干扰3 4 等人为电子干扰手段对调频引信等无线电体制引信造成了巨大威胁5 7。在无线电引信抗干扰方面，近些年已有学者展开了相关研究8 14。文献 8 提出基于熵特征与支持向量机的信号识别方法，通过提取检波信号的香农熵和奇异谱熵，结合支持向量机分类器，达到了较高的目标信号识别正确率;文献 10 利用调频信号在分数阶域的聚集性，提出一种基于分数阶傅里叶变换的调频引信定距方法。但上述方法所需计算量较大，对计算资源要求较高。文献 13提出基于时序及相关检测的抗干扰方法，依据弹目接近过程中谐波峰值从高到低依序出现的规律，进行两路谐波时序逻辑判决，但在低信噪比条件下表现不够理想。针对调频引信抗扫频干扰问题，本文提出一种滑动多周期快速傅里叶变换(FFT)谐波包络提取的处理方法。该方法通过多周期 FFT 相干积累抑制扫频干扰信号，并在相邻处理窗口间滑动更新一个调制周期长度的数据，降低差频信号不规则区带来的影响，能在扫频干扰下有效提取目标差频信号的谐波包络，明显优于调频引信单周期 FFT 谐波包络提取方法。1扫频干扰下调频引信失效机理1.1调频引信模型调频引信的基本工作过程为:调制信号控制压控振荡器产生频率周期线性变化的射频信号，一路通过发射天线辐射出去，另一路送入本地混频器。接收天线接收到的回波信号通过低噪声放大器后与混频器中的本地参考信号进行混频处理，经模数转换器(ADC)采样后通过 FFT 提取差频的不同谐波包络，根据差频频率 f 的大小与距离的对应关系，完成预定炸高的设置。常见调频引信的主要工作过程如图 1 所示。以锯齿波线性调频引信为例，设发射信号幅值为 At，初始频率为 f0，调制周期为 Tm，调制频率为fm，调制带宽为 B，调频斜率为，发射信号 xt(t)可表示为xt(t)=Atn=1rectt (n 1)TmTmej 2f0t+t (n 1)Tm2(1)图 1调频引信工作原理Fig 1Working mechanism of the FM fuze式中:n 为当前时刻对应的周期数。设真实目标回波经过的路径时延为，信号幅值为 Ar，则回波信号 xr(t)可表示为xr(t)=Arn=1rectt (n 1)TmTmej 2f0(t )+t (n 1)Tm2(2)图 2单周期 FFT 处理结果Fig 2Single-cycle FFT processing results忽略非规则区影响，经过混频器处理，单个调制周期内的差频信号 xf(t)可表示为xf(t)=AtAr2ej2(f0+t 12)2(3)对单个周期内的差频信号进行 FFT 处理，结果如图 2 所示，路径时延 在单个周期内可视为常数，所得各次谐波系数的模可近似表示为5471兵工学报第 44 卷|XTm(f)|=AtAr(21 T)msinc(f)(Tm)(4)进一步可得距离分辨率 为=c2B(5)根据式(4)，差频频率随路径时延 线性变化，在不同距离处，离对应差频频率最近的谐波系数幅值包络最大;对于单次谐波系数，其距离维包络表现为 sinc 函数，sinc 函数零点为相关峰的峰值点，位于差频频率所对应弹目距离处。由式(5)可知，相关峰宽度与距离分辨率 相关，其大小由发射信号调制带宽决定。1.2扫频干扰模型干扰机扫频带宽能覆盖引信工作频带，扫频干扰信号的频率在扫频带宽内按一定规律步进，并在每个步进频点上驻留一定时间，当驻留频点进入引信工作带宽内，将对引信产生干扰效果15 18。如图 3 所示，干扰机采取扫频干扰方式，f 为信号频率，t 为当前时间，扫频初始频率为 fj1，相邻频点间步进频率为 fj，总扫频点数为 G，每个频点的驻留时间为 tj，扫频周期为 Tj，则 1 个扫频周期内的干扰信号频率 fj可表示为fj=fj1+(g 1)fj，g=1，2，G(6)进一步可得干扰信号 xj(t):xj(t)=Ajej(2fjgt)Pg(t)(7)Pg(t)=1，(g 1)tj tgtj0，其他(8)图 3扫频干扰模型Fig 3Frequency sweep jamming model1.3扫频干扰下失效机理分析一般来说，扫频干扰的驻留时间 tj均大于引信信号调制周期，扫频干扰信号进入引信接收通道，并于本地参考信号混频后输出信号在 1 个调制周期内可表示为xfj(t)=AtAj2ej(2(f0 fj)t+(t (n 1)Tm)2)(9)fj=f0 fj+(t (n 1)Tm)(10)设低通滤波器的截止频率为 fLP，经过低通滤波器后，能进入信号处理系统的干扰信号频带范围为 fLPfjfLP(11)如图 4 所示，当干扰信号频率进入引信信号带宽内，干扰信号与本地参考信号混频后，所得差频信号可看作一段线性调频信号，有效长度由低通滤波器的截止频率 fLP决定。图 4扫频干扰下失效机理Fig 4Failure mechanism under frequencysweeping jamming设有效干扰段的起始时刻为 tjL，结束时刻为tj，有效干扰时间 T=tj tjL，进行变量代换 t=t1+T2，则有效干扰段的频谱(见图 5)可表示为U(f)=AtAj21TT2T2ej2(t1)2 e j2ft1dt1=AtAj212槡Te jf2/c(v1)+c(v2)+j s(v1)+s(v2)(12)式中:c(v)=v0(cosx2)2dx，s(v)=v0(sinx2)2dx(13)为菲涅尔积分公式，积分限为v1=2槡(T2f)，v2=2槡(T2+f)(14)由图 5 可以看出，扫频干扰信号差频频谱覆盖整个引信信号处理带宽，由于干扰信号能量一般高于真实目标回波信号，当扫频干扰信号进入后，将对真实目标回波差频信号的频谱产生压制式遮盖效6471第 6 期基于滑动多周期 FFT 的调频引信抗扫频干扰方法图 5干扰信号差频频谱Fig 5Spectrum of beat signals under frequencysweeping jamming果，影响调频引信基于提取谐波包络特征的炸高判定效果，从而引起早炸或瞎火。2滑动多周期 FFT 处理方法2.1多周期 FFT 处理方法利用发射信号在各个调制周期内具有强相干性，而干扰信号与本地参考信号非相干的特点，提出多周期 FFT 处理方法。考虑扫频干扰信号的影响，位于相关器两端的本地参考信号 Sl(t)与混合接收信号 Sr(t)可分别表示为Sl(t)=xt(t)(15)Sr(t)=xr(t)+xj(t)(16)对 Q 个周期长度的相关器输出信号做傅里叶变换，各次谐波的系数由 XQTm(f)表示:XQTm(f)=1QTmQTm0Sl(t)Sr(t)e j2ftdt=1QTmQTm0 xt(t)xr(t)e j2ftdt+QTm0 xt(t)xj(t)e j2ftdt(17)进行变量替换 t=t2+(q 1)Tm，根据积分的可加性，式(17)可改写为XQTm(f)=1QTmQq=1Tm0 xt(t2+(q 1)Tm)xr(t2+(q 1)Tm)e j2f(t2+(q 1)Tm)dt2+Tm0 xt(t2+(q 1)Tm)xj(t2+(q 1)Tm)e j2f(t2+(q 1)Tm)dt2(18)设式(18