CN114577076B - 一种冲激引信噪声消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种冲激引信噪声消除方法，涉及无线电引信技术领域。包括以下步骤：S1、接收机接收检波信号，ADC将检波信号转换为数字量；S2、微处理器对采集信号进行带通滤波；S3、微处理器估算带通滤波信号，并将干扰频率进行平滑处理；S4、动态设置二阶槽口滤波器；S5、带通滤波后信号通过二阶槽口滤波器进行滤波；S6、通过模板匹配算法将槽口滤波后信号与模板信号进行模板匹配，符合条件时输出近炸启动指令。本发明解决了能量检测算法在低信噪比情况下存在虚警缺陷从而导致炸高一致性受信号幅度影响的问题，提高了不同信号幅度情况下的炸高一致性。

Description

一种冲激引信噪声消除方法

技术领域

本发明涉及无线电引信技术领域，具体是涉及一种冲激引信噪声消除方法。

背景技术

引信是利用环境信息、目标信息、平台信息，确保弹药勤务和弹道上的安全，按预定策略对弹药实施起爆控制的电路。引信作为各种弹药战斗部的关键部件，其可靠性、安全性的高低，抗干扰能力的强弱，对于武器系统战斗力的提高发挥着关键性的作用。冲激引信由于具有良好的抗干扰、反隐身能力，定距精度高，体积小，功耗低，已成为无线电引信的研究热点。

目前，国内外通用迫击炮弹引信普遍采用专用物理电源，即涡轮电机供电。涡轮电机利用空气动力产生电源，同时为引信提供第二道保险所用的环境信息。涡轮电机在产生电源的同时，由于电磁辐射、振动、电源串扰等因素，会在引信检波信号上形成连续波形式的串扰，连续波信号频率与涡轮发电机转动频率一致。发电机转动频率与弹丸飞行速度有关，在弹丸飞行过程中发电机转动频率逐渐变化，连续波干扰信号的信号频率也随之变化。不同装药、不同射角条件下，迫击炮弹转动频率一般在几千赫兹量级，与冲激引信回波信号频率范围基本一致。

传统的无线电引信通常采用带通滤波器滤除回波信号频率范围外的噪声，以提高检波信号信噪比。由于涡轮电机干扰信号频率在冲激引信回波信号频率范围内，因此带通滤波器无法抑制涡轮电机干扰信号，干扰信号直接影响检波信号信噪比，进而影响引信作用可靠性和安全性。

为有效抑制连续波干扰信号，同时减小对回波信号的影响，可采用数字带阻滤波器，连续波干扰信号的信号频率在带阻滤波器的阻带范围内，从而抑制连续波干扰。为尽量避免带阻滤波器对回波信号幅度产生影响，带通滤波器的带宽以及过渡带应尽量窄。如果采用有限脉冲响应滤波器，为减小过渡带，滤波器阶数需要做到几百阶。然而，通用迫击炮弹引信对成本敏感，低成本的微处理器实时计算能力受限，无法满足几百阶滤波器实时计算要求。

带宽以及过渡带很窄的带阻滤波器，即为槽口滤波器。利用零极点配对的方法设计二阶无线脉冲响应槽口滤波器，其计算量小，既能满足设计要求，也能在低成本微处理器上实现。

模板匹配算法利用噪声与模板无关、目标回波信号与模板信号相关的特点，降低了信噪比要求。另外，检波信号与模板信号的相关系数已经做了归一化处理，相关系数峰值基本不受检波信号幅度影响，提高了不同信号幅度时炸高的一致性。

冲激引信回波信号检测一般采用能量检测算法。能量检测算法运算简单，对处理器实时计算能力要求低，但是存在两个问题：在低信噪比情况下存在虚警(或漏警)问题；信号幅度大小影响信号处理延时，表现为炸高一致性受信号幅度影响。

发明内容

本发明解决的技术问题是：现有冲激引信回波信号检测一般采用能量检测算法，但能量检测算法在低信噪比情况下存在虚警缺陷从而导致炸高一致性受信号幅度影响。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种冲激引信噪声消除方法，包括以下步骤：

S1、接收机通过接收天线接收检波信号后，微处理器内部集成的ADC实时采集接收机检波信号，将检波信号转换为数字量并记为Signal0，此时采样频率记为fS；

S2、微处理器对采集信号Signal0进行带通滤波，以滤除回波信号频率范围外的干扰及噪声滤除，处理后的带通滤波后信号记为Signal1；

S3、微处理器实时估算带通滤波信号Signal1内的干扰频率，并将干扰频率进行平滑处理，平滑处理后的干扰频率记为f0；

S4、动态设置二阶槽口滤波器，将二阶槽口滤波器的零点频率设为平滑处理后的干扰频率f0，带宽为BW；

S5、带通滤波后信号Signal1通过二阶槽口滤波器进行滤波，以滤除Signal1中的单频连续波，滤波后信号记为Signal2；

S6、将槽口滤波后信号Signal2与模板信号进行相关运算，计算相关系数，当相关系数满足条件时输出近炸启动指令。

进一步地，带通滤波带宽与回波信号频率范围有关，其中，回波信号频率f计算公式为：

式中：υ为弹丸垂直落速，由先验弹道信息获取，λ为信号波长，

取-10dB带宽对应的波长λmin～λmax，根据上式计算得到的回波信号频率范围为fmin～fmax，即为带通滤波带宽。

进一步地，步骤S3中，干扰频率估算持续时间为100ms～200ms。

进一步地，步骤S4中的二阶槽口滤波器为直接II型IIR滤波器。

进一步地，步骤S4中，在引信工作过程中，采样频率fS为固定值，干扰频率f0动态变化，归一化的槽口零点频率a的计算公式为：

a＝f0/fS

式中：fS为采样频率，f0为滑后的干扰频率，a为槽口零点频率归一值。

更进一步地，步骤S4中的二阶槽口滤波器带宽的动态设置规则为：：设定最大误差值为Δf，二阶槽口滤波器带宽BW为5Δf～10Δf。

优选地，步骤S6采用模板匹配算法计算相关系数。

优选地，模板匹配算法是将槽口滤波后信号Signal2与模板信号进行模板匹配，计算相关系数ρ，相关系数ρ根据下式计算：

其中，s_i表示滤波后信号，m_i表示模板信号。

进一步优选地，步骤S6中，相相关系数ρ须满足的条件为：当相关系数ρ≥0.8时，输出近炸启动指令。

本发明的有益效果是：

在无线电引信信号处理中，常采用带通滤波器滤除回波信号频率范围外的噪声，以提高检波信号信噪比，当干扰信号频率在回波信号频率范围内时，带通滤波器失去滤波效果。本发明在带通滤波的基础上，进一步采用槽口滤波器滤除带内干扰，槽口滤波器带宽很窄，只滤除干扰信号，基本可忽略对回波信号衰减的影响，从而提高检波信号信噪比；波形匹配算法利用检波信号与模板信号之间的相关系数来判别是否存在目标回波，降低了检波信号信噪比要求，提高了不同信号幅度情况下的炸高一致性。

附图说明

图1是本发明冲激引信噪声消除方法的流程图；

图2是本发明二阶槽口滤波器实现框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。

应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述……，但这些……不应限于这些术语。这些术语仅用来将……区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一……也可以被称为第二……，类似地，第二……也可以被称为第一……。

实施例1

本实施例为一种冲激引信噪声消除方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、接收机通过接收天线接收检波信号后，微处理器内部集成的ADC实时采集接收机检波信号，将检波信号转换为数字量并记为Signal0，此时采样频率记为fS；

S2、微处理器对采集信号Signal0进行带通滤波，以滤除回波信号频率范围外的干扰及噪声滤除，处理后的带通滤波后信号记为Signal1，带通滤波带宽与回波信号频率范围的相关关系为：

回波信号频率f计算公式为：

式中：υ为弹丸垂直落速，由先验弹道信息获取，λ为信号波长，

取-10dB带宽对应的波长λmin～λmax，根据上式计算得到的回波信号频率范围为fmin～fmax，即为带通滤波带宽；

S3、微处理器实时估算带通滤波信号Signal1内的干扰频率，并将干扰频率进行平滑处理，平滑处理后的干扰频率记为f0，干扰频率估算持续时间的范围为：100ms～200ms；

S4、动态设置二阶槽口滤波器，将二阶槽口滤波器的零点频率设为平滑处理后的干扰频率f0，带宽为BW，二阶槽口滤波器带宽的动态设置规则为：设定最大误差值为Δf，二阶槽口滤波器带宽BW为5Δf～10Δf，在引信工作过程中，采样频率fS为固定值，干扰频率f0动态变化，归一化的槽口零点频率a的计算公式为：

a＝f0/fS

式中：fS为采样频率，f0为滑后的干扰频率，a为槽口零点频率归一值；

S5、带通滤波后信号Signal1通过二阶槽口滤波器进行滤波，以滤除Signal1中的单频连续波，滤波后信号记为Signal2；

S6、采用模板匹配算法将槽口滤波后信号Signal2与模板信号进行相关运算，计算相关系数ρ，当相关系数满足条件时输出近炸启动指令，计算相关系数ρ，相关系数ρ根据下式计算：

其中，S_i表示滤波后信号，m_i表示模板信号。

实施例2

本实施例为实施例1基于的一种动态槽口滤波器实现框图，该滤波器为直接II型IIR滤波器，如图2所示：

X(n)表示输入数据，Y(n)表示经过槽口滤波后数据，a由归一化的槽口零点频率确定，r由槽口带宽确定：

a＝f0/fS，式中：fS为采样频率，f0为滑后的干扰频率；

r＝1-BW/fS，一般选取BW＝5f0～10f0。

在引信工作过程中，采样频率fS为固定值，干扰频率f0动态变化，归一化的槽口零点频率a＝f0/fS，即a逐渐变化。

相应的，槽口带宽应尽量小，但是受限于干扰频率估算的准确性。假设干扰频率估算值为f0，误差最大值为Δf，槽口带宽BW一般设置为5Δf～10Δf。槽口带宽的设置原则如下：

槽口带宽如果设置的太小，估算的干扰频率偏离实际干扰频率，槽口滤波器对连续波干扰抑制效果较差，影响检波信号信噪比；

槽口带宽如果设置的太大，检波信号频率有可能落入槽口滤波器过渡带，致使检波信号出现衰减，也会影响检波信号信噪比。

因此，为保障槽口滤波器滤波效果，应提高干扰频率估算误差。干扰频率估算误差与频率估算持续时间有关，持续时间越长，干扰频率估算估计的越准。但是弹丸在飞行过程中速度是逐渐变化的，对应的干扰频率也随之变化。因此，需要在干扰频率估算准确性和干扰频率变化之间综合考虑，选取合适的时间进行干扰频率估计。

通过带通滤波器和槽口滤波器滤波处理后，检波信号信噪比已经得到了较大的改善。如果无线电引信面临外部电磁干扰，会提高检波信号噪底；如果目标散射特性较差，目标回波信号幅度也会降低。底噪增大或者是回波幅度降低，都会降低检波信号的信噪比。

模板匹配算法利用噪声与模板无关、目标回波信号与模板信号相关的特点，降低了信噪比要求，提高了无线电引信性能；另外，检波信号与模板信号的相关系数已经做了归一化处理，相关系数峰值基本不受检波信号幅度影响，提高了不同信号幅度时炸高的一致性。

Claims (8)

1.一种冲激引信噪声消除方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、接收机通过接收天线接收检波信号后，微处理器内部集成的ADC实时采集接收机检波信号，将检波信号转换为数字量并记为Signal0，此时采样频率记为fS；

S2、微处理器对采集信号Signal0进行带通滤波，以滤除回波信号频率范围外的干扰及噪声，处理后的带通滤波后信号记为Signal1；

S3、微处理器实时估算带通滤波后信号Signal1内的干扰频率，并将干扰频率进行平滑处理，平滑处理后的干扰频率记为f0；

S4、动态设置二阶槽口滤波器，将二阶槽口滤波器的零点频率设为平滑处理后的干扰频率f0，带宽为BW；

S5、带通滤波后信号Signal1通过二阶槽口滤波器进行滤波，以滤除Signal1中的单频连续波，滤波后信号记为Signal2；

S6、将槽口滤波后信号Signal2与模板信号进行相关运算，计算相关系数，当相关系数满足条件时输出近炸启动指令。

2.如权利要求1所述的一种冲激引信噪声消除方法，其特征在于，所述步骤S2中，带通滤波带宽与回波信号频率范围有关，其中，回波信号频率f计算公式为：

式中：υ为弹丸垂直落速，由先验弹道信息获取，λ为回波信号波长，

取-10dB带宽对应的回波波长λmin～λmax，根据上式计算得到的回波信号频率范围为fmin～fmax，即为带通滤波带宽。

3.如权利要求1所述的一种冲激引信噪声消除方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述干扰频率估算持续时间为100ms～200ms。

4.如权利要求1所述的一种冲激引信噪声消除方法，其特征在于，所述步骤S4中的二阶槽口滤波器为直接II型IIR滤波器。

5.如权利要求4所述的一种冲激引信噪声消除方法，其特征在于，所述步骤S4中，在引信工作过程中，采样频率fS为固定值，干扰频率f0动态变化，归一化的槽口零点频率a的计算公式为：

a＝f0/fS

式中：fS为采样频率，f0为平滑后的干扰频率，a为归一化的槽口零点频率。

6.如权利要求5所述的一种冲激引信噪声消除方法，其特征在于，所述步骤S4中的二阶槽口滤波器带宽的动态设置规则为：设定最大误差值为Δf，二阶槽口滤波器带宽BW为5Δf～10Δf。

7.如权利要求1所述的一种冲激引信噪声消除方法，其特征在于，所述步骤S6采用模板匹配算法计算相关系数。

8.如权利要求7所述的一种冲激引信噪声消除方法，其特征在于，所述模板匹配算法是将槽口滤波后信号Signal2与模板信号进行模板匹配，计算相关系数ρ，相关系数ρ根据下式计算：

其中，S_i表示滤波后信号，m_i表示模板信号。