调频无线电引信课程设计

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M ATLAB仿真模型 (9)

2.3调频无线电引信系统的S IMULINK仿真模型 (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

0cos t ω=ω+?ωΩ （1.1）

式中 0ω 未调制时的角频率；

?ω 调频波的角频偏； Ω 调制信号角频率 振荡器电压的相位是

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τ

式中 R 引信与目标间的距离；

c 电波传播速度（光速）。

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-τ)]，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性

000

(cos )sin t

t

d t t d t t t

?ωφ=ω =ω+? ω Ω =ω+

Ω Ω

??0sin(sin )t tm u U t t ?ω

=ω +

Ω Ω

2R

c

τ=

00

()sin ()t r d t t t -τ

?ω

?=

ω =ω-τ+

Ω-τΩ

?

0sin[()sin ()]r rm u U t t ?ω

=ω-τ+

Ω-τΩ

器件的特性曲线，则混频器输出的差额信号只与两个输入的信号一次乘积项有关，可表示为

式中 K 与混频器非线性器件特性及具体电路有关的系数。 令 im tm rm U KU 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τ/2只确

002{sin[sin ]sin[()sin ()]}i tm rm u KU U t t t t ?ω?ω=ω+

Ω?ω-τ+Ω-τΩΩ

0022{cos cos[sin cos ()]sin sin[sin cos ()]}

2222i im u U t t ?ωΩττ?ωΩττ

=ωτΩ--ωτΩ-ΩΩ000210211

00102022{(sin )os 2cos (sin )(1)222cos 2()2sin (sin )(1)22cos[(21)()]}

2

{()cos 2()sin cos ()2

2()cos cos 2(n i im n n n n n im u U J J n t J n t U J Z J Z t J Z ∞=∞-=?ωΩτ?ωΩτ

=Ωωτ+ωτ-?

ΩΩτ?ωΩτ

Ω-+ωτ-?

Ωτ

-Ω-τ

=ωτ-ωτΩ--

ωτΩ∑∑3040)2()sin cos3()222()cos cos 4()}

2

t J Z t J Z t ττ

-+ωτΩ-+

τ

ωτΩ-021

211

cos(cos )()2()(1)cos 2sin(cos )2()(1)cos(21)n n n n n n Z X J Z J Z nX

Z X J Z n X

∞

=∞

-==+-=---∑∑2sin 2

n J Z ?ωΩτ=Ω

定各次谐波分量的初始相位，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

sin cos 02()n im n U U J Z =ωτ （1.6）

由（1.6）可见，延迟时间τ通过贝塞尔函数的自变数三角函数因子sin cos 0ωτ同时影响

n U 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R 来表示τ，则式（1.6）变为

(1.7)

在一般情况下，n U 与R 的这种关系相当复杂。但为消除非单值性，实际上在大多数情况下选择Ω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 0λ 对应于中心频率的波长。

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R 以弹目接近速度R V 变化时，即

0R R R V t =-

式中 0R 为开始观察目标是的距离。 将上式代入下式

则得

sin cos 0

22(

sin )n im n R

U U J c ?ωΩP =(4π)Ωλ1R

c T

Ω

<<τ<<2T π

=Ωsin R R

c c ΩΩ≈sin cos 0

22(

)n im n R

U U J R c ?ω?(4π)λ2R c

τ=

将此式代入（1.5）中

利用三角函数和差与积关系可将上式变为

如果考虑到 0ω>>Ω，忽略 各项，则

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02/d R V c Ω=ω，也就是说，在调制频率或其谐波频率上没有能量分布，而是在调制频率每个谐波的周围都出现一对频率为d n Ω±Ω的边频。由于具有多普勒频移的频率分量的出现，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n Ω，两谱线的间隔是Ω。如考虑多普勒效应时，在各次谐波频率周围出现一对频率为d n Ω±Ω的边带。

（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

00222R R R V V

t t c c c

τ=

-=τ-000100200300400

22{()cos )2()sin )cos ()2

222()cos )cos 2()2()sin )cos3()2222()cos )cos 4()}2

R R i im R R R V V u U J Z t J Z t t c c V V J Z t t J Z t t c c V J Z t t c τ=ω(τ-

-ω(τ-Ω--ττ ω(τ-Ω-+ω(τ-Ω-+

τ

ω(τ-Ω-0000100002000022{()cos()()[sin()()222sin()())]()[cos )2())22

2cos()2())]}2

R R i im R R R V V u U J Z t J Z t t c c V V t t J Z t t c c V t t c τ

=ωτ-ω-ω(τ-+Ω-+ττ

ω(τ-- Ω--ω(τ-+Ω-+τ ω(τ--Ω-2

n Ωτ

00010000

2

00

00{()cos()()[sin(())sin(())]()[cos((2))cos((2))]}

i im d d d

d

d u U J Z t J Z t t J Z t t =Ω-ωτ-Ω-Ω+ωτ-

Ω+Ω-ωτ-ωτ+Ω-Ω+ Ω+Ω-ωτ

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。

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d n Ω±Ω的边带。调频无线电引信的基本方法是提取差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，便可推动执行级作用。若输入信号幅度恒定，输出边带信号幅度为

式中2/R c τ=，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 ΩΩ±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

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

2sin 2in n U J ω

τ?Ω??= ?

Ω??