CN110879017B - 一种基于dbf的弹载探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DBF的弹载探测装置，包括收发天线组、DBF处理器、信号处理机、综合控制器和电源组件；收发天线组：用于对弹体360°电磁波发射和接收，包括发射天线阵列、接收天线阵列、T/R组件发射机、T/R组件接收机；DBF处理器：用于对收发天线组输出的中频回波差拍信号进行DBF处理，并形成和、差波束数据发送至信号处理机；信号处理机：用于控制探测系统的工作模式和时序，接收DBF处理器发送的和、差波束数据，进行处理，完成对目标距离和角度测量，通过相应接口将处理结果传出。本发明具有测角精度高、探测距离远、360°周向探测、动态范围大、精度高、可靠性高、体积小的特点，另外，本发明工作在毫米波波段，具有抗干扰能力强的特点。

Description

一种基于DBF的弹载探测装置

技术领域

本发明涉及防空导弹的引爆控制系统技术领域，具体地指一种基于DBF的弹载探测装置，配备于防空导弹系统，用于实时测距和测角，依据对目标视在中心的精确定距定向，适时输出近炸起爆控制指令。

背景技术

现有防空导弹主要依靠导引头识别目标后进行智能脱靶，经过对弹目距离的计算进行延时起爆，此技术方案的毁伤效果取决于导引头的探测精度和弹目速度的测量精度，实时性和毁伤效果均不理想，针对空中目标的破片杀伤能量利用率低。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，而提出一种基于DBF的弹载探测装置，该探测装置可以实现在原有战斗部破片质量和装药的前提下，更有效地摧毁目标，提高引信与战斗部的配合效率。

本发明提供了一种基于DBF的弹载探测装置，其特殊之处在于，包括收发天线组、DBF处理器、信号处理机、综合控制器和电源组件：

所述收发天线组：用于对弹体360°电磁波发射和接收，包括发射天线阵列、接收天线阵列、T/R组件发射机、T/R组件接收机，所述T/R组件发射机用于实现毫米波射频信号的产生、调制和放大，所述T/R组件接收机用于接收回波信号，进行放大、混频、滤波和稳幅输出；

所述DBF处理器：用于对收发天线组输出的中频回波差拍信号进行DBF处理，并形成和、差波束数据发送至信号处理机；

所述信号处理机：用于控制探测系统的工作模式和时序，接收DBF处理器发送的和、差波束数据，进行处理，完成对目标距离和角度测量，通过相应接口将处理结果传出；

所述综合控制器：用于实现弹上系统的流程控制、开机指令、产生同步信号，综合信号处理机的处理结果，适时输出近炸指令；

所述电源组件：用于实现弹上电源隔离与变换，产生系统各组件、部件所需电源电压和滤波。

进一步地，所述收发天线组为三个，均匀分布覆盖弹体360°周向范围，每一个收发天线组包括一个覆盖120°波束扫描范围的发射天线阵列和八个接收天线阵列，每个接收天线阵列的单个天线方向图波束宽度为12～18°。

更进一步地，所述DBF处理器对T/R组件接收机输出的中频回波差拍信号进行AD采样、数字下变频、低通滤波处理，得到24个通道I、Q基带数据，对每个接收天线组件的8个通道基带数据，根据8个波位天线波束指向，计算相应波束形成权重系数，对基带数据进行波束形成处理，得到8个波位的和、差波束基带数据，3个接收天线阵共有24组接收和、差波束基带数据，DBF处理器将波束形成后数据发送至信号处理机。

更进一步地，所述信号处理机控制探测系统的工作模式和时序，接收DBF处理器发送的24组接收和、差波束数据，对其进行FFT变换、相干积累、恒虚警检测处理，完成对目标的探测，当检测存在目标时，利用和波束数据对目标的距离和速度进行测量，利用和、差波束数据对目标进行角度测量，通过相应接口将处理结果传出。

更进一步地，所述收发天线组通过雷达发射一个调频信号，将目标反射回来的信号与此刻频率进行混频，其差拍频率对应雷达与目标之间的距离。

更进一步地，所述差拍频率的计算方法为：

式中：f_b为差拍频率，ΔF为射频调制带宽，F_m为调制频率，T_m为调制周期，u为调频斜率，R为距离，C为光速。

更进一步地，所述接收天线阵列采用平面排列方式或者与弹体共形排列方式。

本发明基于DBF的弹载探测装置依据对目标视在中心的精确定距定向，适时选择爆炸战斗部和定向破片等不同的毁伤元，以达到最佳毁伤效果。本发明采用线性调频连续波探测体制，工作在毫米波波段，实现周向探测。

本发明具有测角精度高、探测距离远、360°周向探测、动态范围大、精度高、可靠性高、体积小的特点，另外，本发明工作在毫米波波段，具有抗干扰能力强的特点。

附图说明

图1为本发明的组成框图。

图2为本发明的原理性框图。

图3为8个接收波束形成DBF处理实现框图。

图4为自适应波束形成的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

本发明提出的一种基于DBF的弹载探测装置，它包括三个独立探测子系统(收发天线、T/R组件和DBF处理器)、信号处理机、综合控制器和电源组件。包括收发天线组、DBF处理器、信号处理机、综合控制器和电源组件。周向探测系统的实现框图如图1所示。

收发天线组：用于对弹体360°电磁波发射和接收，包括发射天线阵列、接收天线阵列、T/R组件发射机、T/R组件接收机，所述T/R组件发射机用于实现毫米波射频信号的产生、调制和放大，所述T/R组件接收机用于接收回波信号，进行放大、混频、滤波和稳幅输出。收发天线组为三个，每组发射阵列天线包含1个天线子阵，每个天线子阵后接一个发射组件，一组天线覆盖120°波束扫描范围，即-60°～+60°；每组接收阵列天线包含8个天线子阵，每个天线子阵后接一个接收组件，3个接收天线阵列共有24个接收通道，一组天线覆盖120°波束扫描范围，即-60°～+60°，3组接收阵列天线在弹体表面上以120°为间隔排布，从而覆盖360°周向范围。每组接收天线阵列在-60°到+60°空间内采用同时多接收波束方式工作，接收阵列形成的单个天线方向图波束宽度约为15°，完成120°空域覆盖需要8个波位。

发射天线与接收天线采用收发分置方式，发射天线阵列围绕弹体圆周方向排列，三组收发天线组形成360°周向的发射波束。对于接收天线阵，每个子阵天线后连接一个接收通道，接收通道将天线子阵收到的射频信号进行混频、滤波、放大等处理，输出中频回波差拍信号，每个接收天线阵有8个天线子阵，因此输出8个通道的中频信号。

DBF处理器：用于对收发天线组输出的中频回波差拍信号进行DBF处理，并形成和、差波束数据发送至信号处理机；DBF处理器实现对3个接收天线阵共24个接收通道输出中频回波差拍信号进行AD采样、数字下变频、低通滤波等处理，得到24个通道I、Q基带数据，对每个接收天线阵列的8个通道基带数据，根据8个波位天线波束指向，计算相应波束形成权重系数，对基带数据进行波束形成处理，得到8个波位的和、差波束基带数据，3个接收天线阵共有24组接收和、差波束基带数据，DBF处理器将波束形成后数据发送至信号处理机。

信号处理机：用于控制探测系统的工作模式和时序，接收DBF处理器发送的和、差波束数据，进行处理，完成对目标距离和角度测量，通过相应接口将处理结果传出。信号处理机控制探测系统的工作模式和时序，接收DBF处理器发送的24组接收和、差波束数据，对其进行FFT变换、相干积累、恒虚警检测等处理，完成对目标的探测，当检测存在目标时，利用和波束数据对目标的距离和速度进行测量，利用和、差波束数据对目标进行角度测量，判断目标所在的波束，然后通过和差波束单脉冲测角处理，测得目标的角度信息，通过相应接口将处理结果传出。

综合控制器：用于实现弹上系统的流程控制、开机指令、产生同步信号，综合信号处理机的处理结果，适时输出近炸指令。

电源组件：用于实现弹上电源隔离与变换，产生系统各组件、部件所需电源电压和滤波。

本发明采用调频连续波探测体制，工作在毫米波波段，采用三组阵列波导收、发天线，能实现360°周向探测，探测距离范围为2m～220m，测角精度10°。

毫米波线性调频连续波雷达体制测距原理：雷达发射一个调频信号，则目标反射回来的信号与此刻频率进行混频，其差拍频率对应雷达与目标之间的距离。对于三角波调制，从简单的时域分析可以近似得出：

式中：f_b为差拍频率，ΔF为射频调制带宽，F_m为调制频率，T_m为调制周期，u为调频斜率，R为距离，C为光速。

由(1)式表明，差拍频率是距离R的线性函数。对于近炸引信距离测量，由于弹目相对速度很高，多普勒效应使频谱扩展，回波有多普勒频移，前半周期：

后半周期：

多普勒频率：

式中：V_R为弹目接近速度，λ为毫米波波长，f_d为多普勒频率。

通过公式(4)、(5)表明三角波调制斜率不变时，其前半周期的多普勒信号可以与后半周期的多普勒信号对消，消除了多普勒效应对测距的影响。

DBF处理器计算波束形成权重系数的原理为：

波束形成就是用一定形状的波束来实现保留希望得到的信号或者说是有用信号，同时将不需要的干扰杂波滤除的目的。数字波束形成(DBF)是在基带上运用数字的方式来实现空域滤波。

DBF通过对各阵元输出进行加权求和，在同一时间内将天线阵列波束“导向”到一个方向上，对期望信号得到最大输出功率的导向位置即给出DOA(来波方向)估计。DBF技术将接收天线的波束形成与信号处理结合，可对时域和空域进行两维信号处理，天线波束副瓣的自适应控制。DBF具有同时形成独立多波束、自适应地形成方向图零点、超分辨角度估计技术以及低副瓣等优势。

波束形成器可通过阵列天线消除进入雷达视野的无用信号，并利用目标回波信号的相关性，增强接收所需的目标的回波。DBF处理器能够在信号处理器的控制下能够做出相应的响应，包括自检、接收通道一致性校准、预置、接收数字多波束形成等。

自适应波束形成又被称作自适应滤波，是阵列信号处理中最重要的组成部分，是通过对各阵元加权进行空域滤波，来达到增强期望信号、抑制干扰的目的，且可根据信号环境的变化自适应地改变各阵元的加权因子，如图4所示。

自适应波束形成也称ADBF，它在某种最优准则下通过自适应算法来实现权集寻优的，自适应波束形成能适应各种环境的变化，实时地将权集调整到最佳位置附近。阵列的是对各阵元的接收信号向量x(n)在各阵元上分量的加权和。令权向量为w＝[w₁,…,w_M]^T，则输出可写作

最优权向量准则是实时高效的波束形成算法的关键，波束形成算法是在一定准则下，综合各输入信息来计算最优权值的数学方法。常用的准则为：最大信噪比(MSNR)、最大信干噪比(MSINR)、最小均方差(MMSE)、最大似然比(MLH)和线性约束最小方差(LCMV)。

在理想情况下这几种准则得到的权是等价的，称为维纳解：

其中，a(θ_d)是无干扰的方向函数，亦称约束导向矢量，而R_H是不含期望信号的阵列协方差矩阵。

自适应算法确定调整阵波束方向图，各种自适应控制的算法都收敛到相同的稳态解，直接决定暂态响应速度和实现电路的复杂度。由于弹目交汇方位的不确定性，波达方向不确定，本发明采用MMSE进行自适应波束算法形成。

阵列协方差矩阵中通常都含有期望信号，使阵列输出与某期望信号响应的均方误差最小即为MMSE准则。该准则不需要提前知道期望信号的波达方向。针对自适应波束形成结构可知，参考信号d(t)与阵列输出信号y(t)之间的误差为：

e(t)＝d(t)-y(t)＝d(t)-w^Hx(t) (8)

寻求最优权重的MMSE准则为：

根据该准则求得最优权w_opt的方程为：

R_xxw_opt＝r_xd (10)

上式中，R_xx＝E{x(t)x^H(t)}表示接收信号的协方差矩阵，r_xd＝E{x(t)d^*(t)}表示接收信号和参考信号之间的互相关矩阵。

根据上述方程，若R_xx是满秩的，则可以得到MMSE准则下的最优权重为：

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种基于DBF的弹载探测装置，其特征在于：包括收发天线组、DBF处理器、信号处理机、综合控制器和电源组件：

所述收发天线组：用于对弹体360°电磁波发射和接收，包括发射天线阵列、接收天线阵列、T/R组件发射机、T/R组件接收机，所述T/R组件发射机用于实现毫米波射频信号的产生、调制和放大，所述T/R组件接收机用于接收回波信号，进行放大、混频、滤波和稳幅输出；所述收发天线组为三个，均匀分布覆盖弹体360°周向范围，每一个收发天线组包括一个覆盖120°波束扫描范围的发射天线阵列和八个接收天线阵列，每个接收天线阵列的单个天线方向图波束宽度为12～18°；

所述DBF处理器：用于对收发天线组输出的中频回波差拍信号进行DBF处理，并形成和、差波束数据发送至信号处理机；

所述信号处理机：用于控制探测系统的工作模式和时序，接收DBF处理器发送的和、差波束数据，进行处理，完成对目标距离和角度测量，通过相应接口将处理结果传出；

所述综合控制器：用于实现弹上系统的流程控制、开机指令、产生同步信号，综合信号处理机的处理结果，适时输出近炸指令；

所述电源组件：用于实现弹上电源隔离与变换，产生系统各组件、部件所需电源电压和滤波；

所述DBF处理器对T/R组件接收机输出的中频回波差拍信号进行AD采样、数字下变频、低通滤波处理，得到24个通道I、Q基带数据，对每个接收天线组件的8个通道基带数据，根据8个波位天线波束指向，计算相应波束形成权重系数，对基带数据进行波束形成处理，得到8个波位的和、差波束基带数据，3个接收天线组共有24组接收和、差波束基带数据，DBF处理器将波束形成后数据发送至信号处理机；

DBF处理器通过对各阵元输出进行加权求和，在同一时间内将天线阵列波束导向到一个方向上，对期望信号得到最大输出功率的导向位置即给出来波方向估计；

阵列是对各阵元的接收信号向量x(n)在各阵元上分量的加权和，令权向量为w＝[w₁,…,w_M]^T，则输出为

采用MMSE进行自适应波束算法：

阵列协方差矩阵中通常都含有期望信号，使阵列输出与某期望信号响应的均方误差最小即为MMSE准则，该准则不需要提前知道期望信号的波达方向，针对自适应波束形成结构，参考信号d(t)与阵列输出信号y(t)之间的误差为：

e(t)＝d(t)-y(t)＝d(t)-w^Hx(t) (8)

寻求最优权重的MMSE准则为：

根据该准则求得最优权重 w_opt的方程为：

R_xxw_opt＝r_xd (10)

上式中，w^Hx(t)表示权重向量，R_xx＝E{x(t)x^H(t)}表示接收信号的协方差矩阵，r_xd＝E{x(t)d^*(t)}表示接收信号和参考信号之间的互相关矩阵；

根据上述方程，若R_xx是满秩的，则得到MMSE准则下的最优权重为：

2.根据权利要求1所述的基于DBF的弹载探测装置，其特征在于：所述信号处理机控制探测系统的工作模式和时序，接收DBF处理器发送的24组接收和、差波束数据，对其进行FFT变换、相干积累、恒虚警检测处理，完成对目标的探测，当检测存在目标时，利用和波束数据对目标的距离和速度进行测量，利用和、差波束数据对目标进行角度测量，通过相应接口将处理结果传出。

3.根据权利要求1所述的基于DBF的弹载探测装置，其特征在于：所述收发天线组通过雷达发射一个调频信号，将目标反射回来的信号与此刻频率进行混频，其差拍频率对应雷达与目标之间的距离。

4.根据权利要求3所述的基于DBF的弹载探测装置，其特征在于：所述差拍频率的计算方法为：

式中：f_b为差拍频率，ΔF为射频调制带宽，F_m为调制频率，T_m为调制周期，u为调频斜率，R为距离，C为光速。

5.根据权利要求1所述的基于DBF的弹载探测装置，其特征在于：所述接收天线阵列采用平面排列方式或者与弹体共形排列方式。

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