调频无线电引信课程设计

1、摘 要 本次课程设计的题目是调频无线电引信系统设计与仿真 ，是在近感引信原理 和目标探测与识别等专业课基础上进行的一次综合课程设计。 调频无线电引信是一种发射信号频率按调制信号规律变化的等幅连续波无线电引 信。从引信发射到遇目标后返回这段传播时间内，发射信号发生了变化，于是导致回 波信号频率与发射信号频率不同，两者之间差值的大小包含了引信与目标之间的距离 关系。 根据对弹目地空交会状态的分析，通过 MATLAB 建立仿真模型，获得弹目距离及 多普勒频率，模拟引信系统的回波信号。根据调频无线电引信的工作原理，设计引信 系统结构，通过 Simulink 建立仿真模型，以弹目交会仿真模型模拟的引信回

2、波信号作 为引信系统仿真模型的输入信号，对弹目交会过程中引信系统的工作过程进行仿真实 验，观察引信系统的信号工作特性，分析引信系统的特性。 关键词：调频；无线电；引信；MATLAB；Simulink 目 录 1 调频无线电引信原理.1 1.1 调频无线电引信概述 .1 1.2 调频系统信号的分析 .2 1.2.1 差频信号的频谱分析.2 1.2.2 调频无线电引信作用原理.6 1.2.3 调频无线电引信参数的选择.6 2 调频无线电引信的 MATLAB 仿真.8 2.1 引信与目标地空交会分析 .8 2.2 地空交会 MATLAB仿真模型 .9 2.3 调频无线电引信系统的 SIMULINK仿

3、真模型.13 2.4 仿真结果分析 .18 3 结论.19 1 调频无线电引信原理 1.1 调频无线电引信概述 调频无线电引信是一种发射信号频率按调制信号规律变化的等幅连续波无线电引 信。调频无线电引信原理方框图如图 1.1 所示： 图 1.1 调频无线电引信原理方框图 该调频系统发射信号的频率是时间的函数，在无线电信号从引信发射到遇目标后 返回这段传播时间内，发射信号已经发生了变化，于是导致回波信号频率与接收到回 波信号时的发射信号频率不同。两者之间差值的大小与引信到目标间的距离有关，测 定其频率差，便可得到引信到目标的距离。它在连续波雷达和无线电调频高度表等领 域内得到广泛的应用。但对无线

4、电引信来说，应用这种原理时，还要考虑到引信本身 的特点，这些特点是： （1） 弹目之间存在着高速的相对运动，由于多普勒效应使目标的回波信号产生多普 勒频移，这将严重影响引信的测距精度。因此，在选择引信参数时，必须尽可 能降低多普勒频率的影响。 （2） 目标的轮廓尺寸可以与引信作用距离相比拟时，目标上不同的部位到引信的距 离相对的说相差很大，从而使引信接收机混频器输出的差频有一个散布。在设 计接收机的放大器通带时，必须考虑差频的这种散布。 调频无线电引信是在差频信号频谱分析基础上进行设计的一种引信。根据对差频 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。调 频无线电引

5、信与前述调频测距引信根本不同之处就是要设法取出差频信号中的多普勒 信号，利用多普勒信号中所含有的距离信息或速度信息使引信作用。 1.2 调频系统信号的分析 1.2.1 差频信号的频谱分析 引信系统发生的信号不包括任何有关目标的信息，目标的信息是在发射信号被目 标反射的过程中获得的。因而它只包含在反射信号内，通常称为回波信号。调频引信 一般是从回波信号与发射信号混频后得到的差频信号中提取目标信息的。 调频无线电引信系统发射信号在正弦调制下，图 1.1 中振荡器产生正弦电压，此电 压的频率按以下规律变化 （1.1） 0 cost 式中 未调制时的角频率； 0 调频波的角频偏； 调制信号角频率 振荡

6、器电压的相位是 而引信的发射信号为 （1.2） 由于信号在引信与目标之间往返传播而产生的时间延迟 式中 引信与目标间的距离；R 电波传播速度（光速） 。c 从而使引信接受的回波信号相位对应的时间间隔不是像发射电压的（0-t） ，而是0-(t-)， 即回波信号相位是 回波信号为 （1.3） 将上述发射信号与回波信号同时加入混频器，并以幂级数形式表示混频器中非线 00 00 (cos)sin tt d tt d ttt 0 sin(sin) ttm uUtt 2R c 0 0 ()sin() t r d ttt 0 sin()sin() rrm uUtt 性器件的特性曲线，则混频器输出的差额信号只

7、与两个输入的信号一次乘积项有关， 可表示为 式中 与混频器非线性器件特性及具体电路有关的系数。K 令 imtmrm UKU U 经三角函数变换，并只取差额项，可以得到 （1.4） 应用已知关系式 将式（1.4）展开可得 （1.5） 式中 第一类 n 阶贝塞尔函数； 贝塞尔函数的自变量。 当不考虑引信与目标之间的相对运动时，在上式中各项最后一个括号内的 /2 只确 00 2sinsin sin()sin() itmrm uKU Utttt 00 22 coscossincos()sinsinsincos() 2222 iim uUtt AA 0002 1 021 1 0010 20 22 (si

8、n)os2cos(sin)( 1) 22 2 cos2()2sin(sin)( 1) 22 cos(21) () 2 ( )cos2( )sincos() 2 2( )coscos2 ( n iimn n n n n im uUJJ ntJ nt UJZJ Zt JZ 30 40 )2( )sincos3 () 22 2( )coscos4 () 2 tJZt JZt 02 1 21 1 cos(cos)( )2( )( 1) cos2 sin(cos)2( )( 1) cos(21) n n n n n n ZXJZJZnX ZXJZnX 2 sin 2 n J Z 定各次谐波分量的初始相位

9、，可不考虑。于是混频器输出端的差额信号具有离散的频 谱，各次谐波的频率是调制频率的整数倍。其 n 次谐波的振幅为 （1.6） sin cos0 2( ) nimn UU JZ 由（1.6）可见，延迟时间 通过贝塞尔函数的自变数三角函数因子同时影 sin cos0 响的影响不同，因尽管贝塞尔函数和三角函数的自变数对所有谐波来说都一样，但 n U 贝塞尔函数本身对不同的谐波来说具有不同的阶，正弦和余弦三角函数也随谐波次数 的增大而交替的变化。 如果用引信与目标之间的距离来表示 ，则式（1.6）变为R (1.7) 在一般情况下，与的这种关系相当复杂。但为消除非单值性，实际上在大多 n UR 数情况下

10、选择值时，应满足条件 或者 式中 为调制周期。 于是 ，将此关系代入（1.7）得 (1.8) 式中 对应于中心频率的波长。 0 引信工作时与目标之间总是存在着相对运动，必然产生多普勒效应。此效应使混 频器输出差频信号的频谱发生变化。如果引信与目标之间距离以弹目接近速度变R R V 化时，即 0R RRV t 式中 为开始观察目标是的距离。 0 R 将上式代入下式 则得 sin cos 0 2 2(sin) nimn R UU J c 1 R c T 2 T sin RR cc sin cos 0 2 2() nimn R UU JR c 2R c 将此式代入（1.5）中 利用三角函数和差与积关

11、系可将上式变为 如果考虑到 ，忽略 各项，则 0 由此式可知，在考虑多普勒效应的情况下，在混频器输出的差频信号中，每个频谱分 量可“分解”为两部分，这两部分成对的具有相等振幅而频率与相应频率差一个多普 勒频率，也就是说，在调制频率或其谐波频率上没有能量分布，而是在 0 2/ dR Vc 调制频率每个谐波的周围都出现一对频率为的边频。由于具有多普勒频移的频 d n 率分量的出现，使我们能测量或确定接近目标的速度。这样，在差频信号中既包含距 离的信息，又包含目标速度的信息。由以上分析可得出以下几点结论： （1）周期调频系统的差频信号频谱是离散的，在不考虑多普勒效应时，各次谐波 分量的频率为，两谱线

12、的间隔是。如考虑多普勒效应时，在各次谐波频率周围出n 现一对频率为的边带。 d n （2）各次谐波及其边带的幅度均随距离按相应阶贝塞尔函数变化。各次谐波幅度 最大值对应于不同的距离，而高次谐波幅度最大值对应的距离较大，低次谐波幅度最 大值所对应距离较小。 （3）差频信号的频谱是随引信与目标之间的距离而变化的，当距离较大时，差频 0 0 222 RR RVV tt ccc 000100 200300 400 22 ( )cos)2( )sin)cos() 2 22 2( )cos)cos2 ()2( )sin)cos3 () 22 2 2( )cos)cos4 () 2 RR iim RR R

13、VV uUJZtJ Ztt cc VV JZttJZtt cc V JZtt c 0000100 00200 00 22 ( )cos()( )sin()() 2 22 sin()()( )cos)2 () 22 2 cos()2 () 2 RR iim RR R VV uUJZtJ Ztt cc VV ttJZtt cc V tt c 2 n 000100 00200 00 ( )cos()( )sin() sin()( )cos(2) ) cos(2) iimdd dd d uUJZtJ Zt tJZt t 信号频谱主要频率分量的频率较高。当距离较小时，差频信号频谱主要频率分量的频 率较低

14、。 1.2.2 调频无线电引信作用原理 调频无线电引信是在差频信号频谱分析基础上进行设计的一种引信。根据对差频 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 正弦波的调制的情况下，差频为的边带。调频无线电引信的基本方法是提取差 d n 频信号中的多普勒信号，利用多普勒信号中所包含有的距离信息或速度信息使引信作 用。 该引信一般原理方框图如图 1.1 所示。在此系统中，混频器输出端接有边带放大器， 它可以选择出某一边带信号，输给二次混频器，与来自调制信号发生器并经过 n 倍倍 频的相应次谐波信号进行二次混频，便可得到多普勒信号，再经过放大与信号处理， 便可推动执行级

15、作用。若输入信号幅度恒定，输出边带信号幅度为 式中，可见，多普勒信号振幅具有距离信息。只要适当的选择调制参数2/R c 和边带谐波次数就可以利用上述关系来控制引信的作用距离。但通常还是利用多普勒 信号所具有的速度信息来控制引信的作用。 这种引信取其 n 次边带信号，其频率为 n d，进行中频放大，这样就避开了 大量的低频振动噪声的影响，因而它具有低噪声的特点。此外，这种体制还可以减小 泄漏的影响。但这种引信也存在问题，就是引信所利用的只是某次边带频率，因此造 成较大的功率损失。 1.2.3 调频无线电引信参数的选择 以正弦波调频为例来分析其选择原则。 1、谐波次数的选择 2 sin 2 inn

16、 UJ 调频多普勒体制的引信经常只取其差频频谱中某次谐波的一个边带来工作，那么 选几次为好呢？可从以下几方面来考虑。 （1）功率损失较小 由于各次谐波功率将随谐波次数的增高而降低。从减小功率损失的角度来考虑， 应选择较低次数的谐波分量为好。 （2）取得一个合适的边带频率 一般来说，边带频率取得较高一些对避开大量的低频振动噪声更有利。而通常调 制频率 f 不能取很高，但又要使边带频率 n d不很低，所以应选择较高次的谐波 分量。 （3）减小噪声的影响 通过对考虑噪声时发射信号与回拨信号混频后的差频信号进行的分析，发现噪声 的影响将随谐波次数的增高而减小。因此，从减小噪声的角度出发应选择次数较高的

17、 谐波。 根据以上所述，选取的谐波次数通常在 3 次(n=3)以上。 2、调制频率的选择 在选择调制频率时，应考虑两个方面。一方面，为了消除非单值性，调制频率应 满足 R0R=cT 即 ffd c R 2 调频无线电引信的 Matlab 仿真 2.1 引信与目标地空交会分析 引信与目标满足地空条件，已知弹速，目标速度，弹目smvM/300smvT/240 水平距离，弹目相对高度，弹目交会角。引信发射信号的5020lm1500hm 150 载波频率，调制频率，最大频偏，幅值，MHzf100 1fMHzMHzf1010 t Uv 初始相位。 10 图 2.1 目标与引信地空交会状态图 引信与目标地

18、空交会状态如图 2.1 所示，其中为引信与目标水平方向的相对速 r V 度， （2.1） 为目标与引信的接近速度， R V （2.2） 其中为弹目连线与水平方向的夹角。 为 时刻弹目距离，Rt rMT VVV cos Rr VVA coscos(arctan) r h LV t A 22 () r RLV thA 引信发射信号是以为载波频率的正弦信号： 0 f 发射信号经过目标发射后的回波信号： 延迟时间 2.2 地空交会 Matlab 仿真模型 根据对弹目地空交会状态的分析，建立 Matlab 仿真程序： t=0.0001:0.0001:10;%引信工作时间 vm=300;%弹速 vt=24

19、0;%目标速度 l0=5020;%初始水平距离 h0=1500;%初始高度 f0=108;%发射信号中心频率 c=3*108;%光速 f=106;%调制频率 utm=10;%载波幅值 af=107;%最大频偏 vr=(vm2+vt2+2*vm*vt*cos(pi/6)(1/2);%弹目相对速度 b=acos(vm2+vr2-vt2)./(2*vm*vr); d=atan(h0-vm*sin(pi/6).*t)./(l0-(vm*cos(pi/6)+vt).*t); a=pi/6-b-d; lambda=3; fd=2.*vr.*cos(a)./lambda;%多普勒频率 0 sin2sin(2

20、) ttm f UUf tft f 0 2 sin2()sin2() tm r Uf Uf tf t Rf 22 2 ()2 r LV thR cc A h=h0-(vm*sin(pi/6).*t;%变化的高度 l=l0-(vm*cos(pi/6)+vt).*t;%变化的水平距离 r=(h.2+l.2).(1/2);%弹目距离 p=sin(a).*r; T=2.*r./c;%延迟时间 tr=10-9:10-9:10-4;%调制时间 ut=utm*sin(2*pi*f0.*tr+(af/f).*(sin(2*pi*f.*tr);%发射信号 urm=utm.*r.(-2); ur=urm.*sin

21、(2*pi*f0.*(tr-T)+(af/f).*(sin(2*pi*f.*(tr-T);%回波信号 plot(tr,ur)%输出图形 运行弹目交会仿真模型，获得弹目距离及多普勒频率，模拟引信系统回波信号。 弹目地空交会过程中弹目距离如图 2.2 所示： 图 2.2 弹目地空交会过程中弹目距离 在弹目交会过程中，弹目距离不断减小，当到达 10s 的时候，弹目距离在弹药战 斗部杀伤范围之内，以便最大程度地杀伤目标。 弹目交会过程中的多普勒频率如图 2.3 所示。 图 2.3 弹目交会过程中的多普勒频率 在弹目交会过程中，弹目距离不断减小，所产生的多普勒频率在 10s 之前基本是 不变的。当在 1

22、0s 附近时，弹目距离非常近，多普勒频率急剧下降为，当下降到一定 值时，引信作用引爆战斗部。 引信工作的发射波形如图 2.4 所示，引信发射信号频偏图如图 2.5 所示。发射信号 的调制频率为 1MHz，载波频率为 100MHz，最大频偏为 10MHz，幅值为 10v，初相位 10。 图 2.4 引信发射信号波形图 图 2.5 引信发射信号频偏图 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 2.3 调频无线电引信系统的 Simulink 仿真模型 根据调频无线电引信工作原理，设计引信系统结构，引

23、信系统主要由振荡器、功 率分配器、混频器、滤波器、倍频器、调制器、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，建立调频无线电 引信系统的整体 Simulink 仿真模型，如图 2.8 所示。弹目交会仿真模型模拟的引信回 波信号作为引信系统仿真模型的输入信号，对弹目交会过程中引信系统的工作过程进 行仿真试验，观察引信系统的工作特性。 图 2.8 调频无线电引信系统仿真模型图 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 频谱图。引信系统第一次混频后信号的波形图如图 2.9 所示： 图 2.9 第一次

24、混频后信号的波形图 第一次混频后信号的频谱图如图 2.10 所示： 图 2.10 第一次混频后信号的频谱图 回波信号与延迟信号混频后，经放大通过带通滤波器，除去多余的频率成分，以 便二次混频提取多普勒频率。经过带通滤波器后的信号波形图如图 2.11 所示： 图 2.11 经过带通滤波器后的信号波形图 经过带通滤波器后的信号频谱图如图 2.12 所示： 图 2.12 经过带通滤波器后的信号频谱图 经过带通滤波器后的信号与倍频后的调制波进行二次混频，二次混频后信号的波 形图如图 2.13 所示： 图 2.13 二次混频后信号的波形图 二次混频后信号的频谱图如图 2.14 所示： 图 2.14 二次混频后信号的频谱图 经二次混频后的信号再通过低通滤波器后，除去其他的频率成分，最终得到多普 勒频率，以便提取目标信息。通过低