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一、文献综述： |
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微弱信号的检测方法研究 1 研究背景 1.1 引信概述 引信是利用目标信息和环境信息，在预设条件下引爆或引燃战斗部装药的控制装置或系统[1]。引信主要应用于军事武器系统中，现代战争模式注重于目标精确打击与高效毁伤，因而包含关键部件引信的远程精确打击弹药和防空反导弹药有了越来越大的发展舞台。根据获取目标信息方式的不同，引信分为触发引信，近炸引信和执行引信三大类[2]。 1.2 毫米波概述 毫米波指的是波长在毫米量级的电磁波，通常指波长为10 mm～l mm，对应的频率范围为30GHz～300 GHz，在微波和远红外波之间。毫米波具有较窄的波束，且波长短，所以毫米波探测器具有角度与距离分辨率精度高，抗干扰能力强，低仰角探测性能较好，体积小质量轻等优点，而且毫米波具有全天候工作的能力，受烟雾、气象的影响较小，且识别金属目标的能力很强[3]。对于毫米波LFMCW引信，大的调频带宽容易被实现，所以测距精度更高，并且它小的体积，简单的信号处理系统，要求较低的发射峰值功率都给系统实现提供了便利。与脉冲雷达相比，毫米波LFMCW引信采用连续波体制就不存在距离盲区的问题，与一些光学系统相比，该引信处于毫米波段，其受云、雨、雾等天气条件的影响较小，全天候工作能力强[4]。 近十几年来，毫米波技术中最为活跃的领域是近感技术。毫米波近感技术是指利用物体的毫米波辐射及散射特性，在几十厘米至几百米范围内探测、识别目标的技术。对于毫米波近感系统，由于雷达接收机发射功率小，接收机灵敏度低，再加之大气对毫米波的衰减影响，敌人往往难以侦查，要对该系统施放干扰必须发射很大的功率[5]。 1.3 LFMCW雷达基本概述 线性调频连续波(LFMCW)雷达是一种通过对连续波进行频率调制来获得距离与速度信息的雷达体制。其优点有以下几个方面[6]： 1、发射机功率较低，接收机灵敏度较高 2、其易于产生和处理大带宽信号的特点使其具有了产生高的距离分辨率和较远的最大无模糊距离的可能性 3、消除了距离盲区 4、结构简单，尺寸小，重量轻、成本低 除了上述优点外，LFMCW雷达也存在一些缺点。主要表现在两个方面： 1．作用距离有限
2 国内外研究现状 毫米波雷达技术的研究起步很早，有文献称，在二战结束前后即已开始，19世纪50年代就己在毫米波器件研制及毫米波传播损耗，水蒸汽与氧气吸收谱等方面均已取得相当成就，并已研制成功机场交通管制用的毫米波雷达[7]。 20世纪60年代，英美等国家开始出现毫米波波段雷达。80年代，人们认识到毫米波全天候和战场的适应性，出现了新的毫米波研究的热潮，从1986年至1994年，美国国防部发起并主持了MIMIC计划[8]。1998年7月“长弓海尔法”空地毫米波导弹开始装备阿帕奇直升机。2004年，俄罗斯完成了“劲弩-52”双频毫米波火控雷达，主要用于导航监视和武器制导 [9]。 国内毫米波雷达研究始于1982年。由于天线和其它元器件尺寸小，精密加工困难较大，大功率发射器件发展较为缓慢，又由于毫米波的大气传输损耗大，毫米波雷达作用距离较近等原因，发展受到限制[10]。许多科研机构进行了针对毫米波雷达的开发和研究工作。北京、南京等高校已经进行了大量理论和实验系统的研究。在毫米波雷达整机方面，我国已经成功研制了Ka频段动目标搜索和弹着点校准雷达等多种系统。在过去的30多年发展中，我国毫米波雷达技术在理论研究、元器件、测试仪器以及系统研究等方面做了大量工作，但与世界发达国家相比较，还存在较大差距[11]。 如今毫米波FMCW雷达被许多民用应用使用，如自动巡航控制，防撞系统和撞击预警系统[12]-[13]。FMCW技术[14]-[16]拥有较高的测量精度而被广泛应用在汽车雷达领域和仪表仪器和测量应用中[17]-[18]。G.S.Woods[17]提出了一种混合FMCW和连续波(CW)测量技术的雷达测距系统。 3 所研究的内容 在许多工业应用中，对距离的测量需要精确到几十微米[19]-[22]，如：（1）液压应用，其中需要精确的确定活塞的位置以控制施工机械；（2）测量硬盘厚度以确保计算机硬件制造的平衡；（3）牙科和正畸器械制造需要高精度；（4）工业液位测量系统。在这些应用中，传感器到物体的距离可以高达几米。通过直接接触的距离测量在许多应用中是不可能的，因为测量距离的物体是不可接近的，而且这种测量也不精确[23]-[24]。另一方面，无接触距离测量是首选的，因为它不容易损坏；事实上，在某些情况下，无接触距离测量是唯一可能的方法。由于雷达传感器对周围环境的恶劣环境具有抗扰性，因此在工业环境中的高精度距离测量应用中首选雷达传感器[25]。本课题提出了一种使用毫米波FMCW雷达估计传感器到目标距离的方法。通过使用匹配滤波接收信号（通常称为差拍信号）的频率和相位估计可以获得高度精确的距离估计[26]。此外，因为差拍信号的频率可以给出粗略的距离估计，接着可以通过提取解调后的差拍信号的相位进行细化[27]。 4 雷达抗干扰技术 4.1 雷达抗干扰概述 随着雷达在现代战争中地位的提高，为了保证雷达能在极为复杂的电磁环境中工作，研究雷达抗干扰技术是有重要意义的。众所周知，雷达为了获取目标信息，必须首先将高功率的电磁波能量照射到目标上；由于目标的电磁散射特性，将对照射能量产生相应的调制和散射；雷达接收到目标调制后的一部分微弱的散射信号，再根据收发信号调制的相对关系，解调出目标信息。干扰机工作原理就在于通过压制或欺骗的手段，使雷达不能准确地获得这些信息。而雷达抗干扰的任务就是滤除和抑制干扰的影响，最大可能地获得及时、准确的信息[28]-[29]。电子干扰的形式很多，按干扰的来源可以分为有源干扰和无源干扰，而有源无源干扰又有许多不同的干扰模式[30]。 4.2 雷达测距系统的干扰因素 调频连续波雷达测距系统的主要干扰之一是非线性的频率斜升。中频（IF）信号及其目标距离精度取决于频率斜升中存在的非线性类型。此外，频率斜升非线性的类型不能直接指定，这使得问题更具挑战性[31]。因此可采用改进的短时傅立叶变换方法，以及高精度的短时线性调频Z变换方法，研究频率斜升的非线性特性。对随机和周期非线性进行表征。对中频信号的频率斜升非线性、相位噪声、杂散和信噪比对目标距离估计精度的依赖性进行分析，再在测量的基础上进行验证[32]。 参考文献 [1] 张怀伟, 吕东升, 杨理明. 引信之一·总论篇[J]. 轻兵器, 2003, 5: 45—47. 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