高动态交汇定向近炸起爆控制系统及方法与流程

本发明涉及引爆控制技术领域，具体涉及一种高动态交汇定向近炸起爆控制系统及方法。

技术背景

传统近炸起爆控制系统采用单发射天线及单接收天线，只能实现在发射天线波束范围内的定向性探测，并通过探测距离门限实现起爆控制，存在毁伤效能低的问题。

技术实现要素：

本发明的目的就是要提供一种高动态交汇定向近炸起爆控制系统及方法，本发明采用周向探测技术、远距离探测技术和高动态交汇适应性技术，实现最佳起爆控制，提高导弹系统高效毁伤效能。

为实现此目的，本发明所设计的一种高动态交汇定向近炸起爆控制系统，其特征在于：它包括数字波束形成处理电路、信号处理电路、频率综合电路、第一接收天线阵列、第二接收天线阵列、第三接收天线阵列和发射天线阵列，其中，所述数字波束形成处理电路包括第一有源相控接收通道、第二有源相控接收通道、第三有源相控接收通道、第一ad采样模块、第二ad采样模块、第三ad采样模块、数字下变频模块、第一fpga芯片；所述信号处理电路包括dsp芯片和第二fpga芯片；所述频率综合电路包括信号发射通道、发射信号功分网络、本振功分网络和频率综合模块；

第一有源相控接收通道、第二有源相控接收通道和第三有源相控接收通道分别用于接收由第一接收天线阵列、第二接收天线阵列、第三接收天线阵列接收到的回波信号，并将接收到的回波信号与本振信号相乘，得到混频回波信号；

第一ad采样模块、第二ad采样模块和第三ad采样模块分别采集第一有源相控接收通道、第二有源相控接收通道和第三有源相控接收通道的混频回波信号，并将混频回波信号进行模数转换形成中频回波数字信号；

数字下变频模块用于接收第一ad采样模块、第二ad采样模块和第三ad采样模块输出的中频回波数字信号，并转换为对应的数字基带信号；

第一fpga芯片用于对数字下变频模块输出的数字基带信号进行波束成形处理得到对应的和差波束数字信号；

第二fpga芯片用于对接收的和差波束数字信号进行快速傅立叶变换，并通过中断通知dsp芯片已完成快速傅立叶变换处理，第二fpga芯片将快速傅立叶变换后的数据输出给dsp芯片；

dsp芯片用于对所接收的快速傅立叶变换后的数据依次进行相干积累处理和恒虚警率检测处理，实现目标距离探测、目标速度和目标角度测量，并将目标距离探测、目标速度和目标角度测量的结果传输给遥感控制系统，在遥感控制系统内结合实时弹目交汇信息，适时发出起爆控制信号；

频率综合模块用于通过频综控制信号接口接收第二fpga芯片发送过来的频率综合控制信号，频率综合模块还用于通过波束控制信号接口接收第二fpga芯片发送过来的波束控制信号；频率综合模用于根据频率综合控制信号和波束控制信号通过频率综合生成对应的本振信号及发射信号源；

本振功分网络用于将本振信号经功率分束至第一有源相控接收通道、第二有源相控接收通道和第三有源相控接收通道，接收通道接收到的信号与本振信号相乘，得到混频信号；

发射信号功分网络用于将发射信号源进行功率分束至每个发射天线子阵列的信号发射通道，信号发射通道通过发射天线阵列将接收到的发射信号源进行发射。

本发明采用周向探测技术、远距离探测技术和高动态交汇适应性技术，实现最佳起爆控制，提高导弹系统高效毁伤效能。本发明由数字波束形成处理电路、信号处理电路、频率综合电路、电源转换电路、第一接收天线阵列、第二接收天线阵列、第三接收天线阵列、发射天线阵列组成。发射天线阵列为周向分布的阵列天线，发射由频率综合电路产生的毫米波信号，信号经过探测目标反射，由三个接收天线阵列接收回波信号，由数字波束形成处理电路完成ad采样、数字下变频及数字波束形成等功能，再由信号处理电路完成fft、相干累加、目标距离探测及角度测量等功能，分析最佳起爆位置，并实现起爆控制信号输出。

发明具探测距离远的优点，同时，本发明采用周向探测及高动态交汇适应性技术，控制引战系统在最佳炸点起爆，从而实现了引战系统的最佳起爆控制，达到大大提高了引战系统的毁伤效能的效果。

本发明采用高增益的阵列天线收、发，可实现周向探测，具有精度高、可靠性高、体积小的特点，另外，本发明工作在5mm的非大气窗口波段，工作频段高，具有抗干扰能力强的特点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1—数字波束形成处理电路、2—信号处理电路、3—频率综合电路、4—电源转换电路、5—第一接收天线阵列、6—第二接收天线阵列、7—第三接收天线阵列、8—发射天线阵列、9—第一fpga芯片、10—第一flash芯片、11—第一有源相控接收通道、12—第二有源相控接收通道、13—第三有源相控接收通道、14—第一ad采样模块、15—第二ad采样模块、16—第三ad采样模块、17—数字下变频模块、18—时钟管理芯片电路、21—dsp芯片、22—第二flash芯片、23—第一ddr3芯片、24—第二fpga芯片、25—第三flash芯片、26—第二ddr3芯片、27—jtag调试接口、28—通信接口、31—信号发射通道、32—发射信号功分网络、33—本振功分网络、34—频综控制信号接口、35—波束控制信号接口、36—频率综合模块、41—第一供电接口、42—第二供电接口、43—第三供电接口、44—电源芯片电路。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明高动态交汇定向近炸起爆控制系统，它包括数字波束形成处理电路1、信号处理电路2、频率综合电路3、第一接收天线阵列5、第二接收天线阵列6、第三接收天线阵列7和发射天线阵列8，其中，所述数字波束形成处理电路1包括第一有源相控接收通道11、第二有源相控接收通道12、第三有源相控接收通道13、第一ad采样模块14、第二ad采样模块15、第三ad采样模块16、数字下变频模块17、第一fpga芯片9；所述信号处理电路2包括dsp芯片21和第二fpga芯片24；所述频率综合电路3包括信号发射通道31、发射信号功分网络32、本振功分网络33和频率综合模块36；

第一有源相控接收通道11、第二有源相控接收通道12和第三有源相控接收通道13分别用于接收由第一接收天线阵列5、第二接收天线阵列6、第三接收天线阵列7接收到的回波信号，并将接收到的回波信号与本振信号相乘，得到混频回波信号；

第一ad采样模块14、第二ad采样模块15和第三ad采样模块16分别采集第一有源相控接收通道11、第二有源相控接收通道12和第三有源相控接收通道13的混频回波信号，并将混频回波信号进行模数转换形成中频回波数字信号；

数字下变频模块17用于接收第一ad采样模块14、第二ad采样模块15和第三ad采样模块16输出的中频回波数字信号进行放大和滤波，并转换为对应的数字基带信号，完成数字下变频功能；

第一fpga芯片9用于对数字下变频模块17输出的数字基带信号进行波束成形处理得到对应的和差波束数字信号；

第二fpga芯片24用于对接收的和差波束数字信号进行快速傅立叶变换(fft，fastfouriertransformation)，并通过中断通知dsp芯片21已完成快速傅立叶变换处理，第二fpga芯片24将快速傅立叶变换后的数据输出给dsp芯片21；

dsp芯片21用于对所接收的快速傅立叶变换后的数据依次进行相干积累处理和恒虚警率检测处理，实现目标距离探测、目标速度(采用毫米波波段线性调频连续波探测体制实现目标距离探测和速度测量)和目标角度测量(采用数字波束形成(dbf)和差测角技术实现目标角度测量)，并将目标距离探测、目标速度和目标角度测量的结果传输给遥感控制系统，在遥感控制系统内结合实时弹目交汇信息，适时发出起爆控制信号，另外，dsp芯片21还用于进行接收天线波束指向的控制，遥测控制系统工作状态的控制、遥测控制系统工作时序的控制；

频率综合模块36用于通过频综控制信号接口34接收第二fpga芯片24发送过来的频率综合控制信号，频率综合模块36还用于通过波束控制信号接口35接收第二fpga芯片24发送过来的波束控制信号；频率综合模36用于根据频率综合控制信号和波束控制信号通过频率综合生成对应的本振信号及发射信号源；

本振功分网络33用于将本振信号经功率分束至第一有源相控接收通道11、第二有源相控接收通道12和第三有源相控接收通道13，接收通道接收到的信号与本振信号相乘，得到混频信号；

发射信号功分网络32用于将发射信号源进行功率分束至每个发射天线子阵列的信号发射通道31，信号发射通道31通过发射天线阵列8将接收到的发射信号源进行发射。

上述技术方案中，所述发射天线阵列8为128×4排列(四排每排128个)的阵列波导天线，发射天线阵列8的分布方式为围绕弹体周向分布，实现天线的周向辐射。

上述技术方案中，数字波束形成处理电路1完成ad采样、数字下变频及数字波束形成等功能。信号处理电路2完成fft、相干累加、目标距离探测及角度测量等功能，分析最佳起爆位置，并实现起爆控制信号输出。上述方案中频率综合电路3完成线性调频连续波信号的产生和本振信号的输出。

第一接收天线阵列5、第二接收天线阵列6、第三接收天线阵列7为8×4排列(4排每排8个)的阵列波导天线，在弹体周向均匀分布，相邻两个接收天线阵列之间的夹角为120°。发射天线阵列与接收天线阵列采用收发分置方式，实现周向探测，其中发射天线阵列围绕弹体圆周方向排列，形成360°周向的发射波束；接收天线采用3个接收天线阵列，对于每个天线阵列，设计采用8个天线子阵组成阵列，接收天线阵列可以采用平面排列方式，一个接收天线阵列范围覆盖-60°～+60°，实现360°周向覆盖。

上述技术方案中，它还包括第一flash芯片10、时钟管理芯片电路18，第一flash芯片10与第一fpga芯片9连接，用于存储第一fpga芯片9的配置软件；时钟管理芯片110由晶振本振产生基准时钟信号，时钟管理芯片110用于将基准时钟信号分别传输给第一fpga芯片9、dsp芯片21和第二fpga芯片24，作为芯片的时钟源。

上述技术方案中，它还包括第二flash芯片22和第一ddr3芯片23，第二flash芯片22与dsp芯片21连接，用于存储dsp芯片21的配置软件；第一ddr3芯片23与dsp芯片21连接，用于存储dsp芯片21在信号处理过程中的缓冲数据。

上述技术方案中，它还包括第三flash芯片25和第二ddr3芯片26，第三flash芯片25与第二fpga芯片24连接，用于存储第二fpga芯片24的配置软件；第二ddr3芯片26与第二fpga芯片24连接，用于存储第二fpga芯片24在信号处理过程中的缓冲数据。

上述技术方案中，它还包括jtag调试接口27和通信接口28，jtag调试接口27与第二fpga芯片24连接，jtag调试接口27用于烧写、升级及调试第二fpga芯片24，通信接口28与dsp芯片21连接，通信接口28为dsp芯片21的目标距离探测、目标速度和目标角度测量的结果输出接口。

上述技术方案中，所述信号发射通道31为无源波导结构，该结构节省空间，损耗小。

上述技术方案中，它还包括电源转换电路4由第一供电接口41、第二供电接口42、第三供电接口43和电源芯片电路44，所述第一供电接口41用于给频率综合电路3供电，所述第二供电接口42用于给数字波束形成处理电路1供电，第三供电接口43用于给信号处理电路2供电，所述电源芯片电路44由电源模块、电源转换芯片、电源隔离芯片及外围电路组成，完成电源电压转换功能，产生所需供电压。

一种利用上述系统的高动态交汇定向近炸起爆控制方法，它包括如下步骤：

步骤1：第二fpga芯片24生成频率综合控制信号和波束控制信号，频率综合模块36通过频综控制信号接口34接收第二fpga芯片24发送过来的频率综合控制信号，频率综合模块36还通过波束控制信号接口35接收第二fpga芯片24发送过来的波束控制信号；频率综合模36用于根据频率综合控制信号和波束控制信号通过频率综合生成对应的本振信号及发射信号源；

步骤2：本振功分网络33将本振信号经功率分束至第一有源相控接收通道11、第二有源相控接收通道12和第三有源相控接收通道13；发射信号功分网络32将发射信号源进行功率分束至每个发射天线子阵列的信号发射通道31，信号发射通道31将接收到的发射信号源进行发射；

步骤3：第一接收天线阵列5、第二接收天线阵列6、第三接收天线阵列7接收发射信号源碰到目标后反射回的回波信号；

步骤4：第一有源相控接收通道11、第二有源相控接收通道12和第三有源相控接收通道13分别接收由第一接收天线阵列5、第二接收天线阵列6、第三接收天线阵列7收到的回波信号，并将回波信号与本振信号相乘，产生混频回波信号；

第一ad采样模块14、第二ad采样模块15和第三ad采样模块16分别采集第一有源相控接收通道11、第二有源相控接收通道12和第三有源相控接收通道13的混频回波信号，并将混频回波信号进行模数转换形成中频回波数字信号；

步骤5：数字下变频模块17接收第一ad采样模块14、第二ad采样模块15和第三ad采样模块16输出的中频回波数字信号，并转换为对应的数字基带信号，完成数字下变频功能；

步骤6：第一fpga芯片9对数字下变频模块17输出的数字基带信号进行低通滤波处理得到对应的和差波束数字信号；

步骤7：第二fpga芯片24对接收的和差波束数字信号进行快速傅立叶变换，并通过中断通知dsp芯片21已完成快速傅立叶变换处理，第二fpga芯片24将快速傅立叶变换后的数据输出给dsp芯片21；

步骤8：dsp芯片21对所接收的快速傅立叶变换后的数据依次进行相干积累处理和恒虚警率检测处理，实现目标距离探测、目标速度和目标角度测量，并将目标距离探测、目标速度和目标角度测量的结果传输给遥感控制系统，在遥感控制系统内结合实时弹目交汇信息，适时发出起爆控制信号。

本发明采用毫米波波段线性调频连续波探测体制实现目标距离探测和速度测量，原理如下:

调频连续波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：fb为差拍频率；δf为射频调制带宽；fm为调制频率；tm为调制周期；u为调频斜率；r为发射天线与探测目标的距离；c为光速。上式表明，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，发射信号和运动目标回波信号示意图。

前半周期：

后半周期：

多普勒频率：

式中：vr为弹目接近速度；λ为天线发射信号波长。

上式表明：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。

本发明采用数字波束形成(dbf)和差测角技术实现目标角度测量，原理如下：

本发明采用的一维均匀线阵模型，阵元间距为d，θ为信号入射方向，则窄带条件下，在t时刻2m个阵元接收单个信号源的信号可以表示为：

x(t)＝s(t)a(θ)+n(t)

x(t)阵元接收信号，s(t)为阵元接收信号包络，n(t)为零均值且相互独立的高斯白噪声，a(θ)为阵元接收信号的导向矢量：

a(θ)＝[1exp(-j2πdsin(θ)/λ)…exp(-j2π(2m-1)dsin(θ)/λ]^t

其中，j为虚数，d阵元宽度，m为阵元个数，t表示矩阵转置，对于线阵模型

x(t)＝s(t)a(θ)+n(t)，为使主瓣指向θ方向。在白噪声背景下，根据匹配滤波器原理，调整权矢量w取a(θ)时，信号得到相参相加，该方向上取得最大值，通过调整权矢量w，就可改变阵列的输出。对于本项目采用的一维线阵排列方式，采用泰勒权和贝利斯权来进行和差波束的旁瓣抑制，在接收数字波束形成时，第m(m＝1,2,…,m)个天线子阵和、差波束权重系数分别为：

wσ,m＝wt,mexp(-j2πymsinθ/λ)

wδ,m＝wb,mexp(-j2πymsinθ/λ)

其中，wσ,m表示第m(m＝1,2,…,m)个天线子阵和，wδ,m表示差波束权重系数，wt,m，wb,m为阵元对应的泰勒权和贝利斯权，ym是第m个子阵中心坐标位置，θ为接收波束指向，此处m＝8。在得到天线阵列的和、差波束权重以后，可以计算对应空间不同角度θ的单脉冲比如下：

其中，wδ＝[wδ,1wδ,2…wδ,m…wδ,7wδ,8]^t是差波束权重，wσ＝[wσ,1wσ,2…wσ,m…wσ,7wσ,8]^t是和波束权重，a(θ)＝[aθ,1aθ,2…aθ,m…aθ,7aθ,8]^t为阵列在空间角度θ处的导向矢量。对于一维线阵排列方式，aθ,m＝exp(-j2πymsinθ/λ)。遍历空间角度θ就可以得到单脉冲比曲线，对该曲线进行线性拟合得到线性关系：

g(θ)＝kθ

k为线性拟合系数，当阵列接收到入射信号时，计算单脉冲比如下：

其中，x为8维的阵元接收数据列向量。将上式求得的代入线性关系，即可求得当前信号的入射角度

本发明的发射天线阵列与接收天线阵列采用收发分置方式，实现周向探测，其中发射天线阵列围绕弹体圆周方向排列，形成360°周向的发射波束；接收天线采用3个接收天线阵列，对于每个天线阵列，设计采用8个天线子阵组成阵列，接收天线阵列可以采用平面排列方式，一个接收天线阵列范围覆盖-60°～+60°，实现360°周向覆盖。

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。