调频测距引信举例：优化标题的技巧

法国PlE2型引信是配用于“马特拉”空-空导弹用的一种微波调频测距引信。

一、“马特拉”空-空战斗部系统

该导弹战斗部系统由四部分组成：无线电探测部分、可变延时机构、保险机构和弹头部分。

无线电探测部分及可变点火延时机构的作用是探测目标并保证导弹在弹道上最有利炸点爆炸。如图3-17所示，敌方目标A，我方导弹B，目标速度vm，导弹速度vd，导弹相对于目标的速度vs，静止爆炸破片的速度vp，相对于目标破片速度vps。而vps是由vp及vs合成的。对一定的交会条件，在相对弹道上，可以确定一个最有利炸点，使目标的要害部位处于杀伤破片的最大密度方向上。当最有利炸点1确定后，就能很方便地求出点火点2，因从点火点到导弹爆炸点是有一定的时间的，它包括引信在内的整个导弹战斗部的传火系、传爆系所需的时间。这个时间是个常量，因而点火点2的位置是随相对速度vs的不同而不同，通常根据最大相对速度来确定点火点2的位置。当目标的探测点3一定的情况下（该点由引信辐射场确定），为了保证最有利爆炸点的位置，对于较小的相对速度采用可变点火延时机构来补偿由于相对速度的差异而引起的炸点误差。可变点火延时机构的延长时间，是在导弹发射前飞机驾驶员根据目标和射击情况进行装定的。

图3-17　弹目交会状况

导弹如能直接命中目标，则无线电探测控制部分将不起作用，而通过触发开关使雷管起爆。如导弹不能直接命中目标，无线电探测器探测目标位置，并使导弹在有利炸点爆炸。如无线电探测部分没有作用，经过25s以后，自炸开关闭合，使雷管起爆，实现自炸。

二、引信的组成及基本原理

图3-18所示为引信发火控制系统的组成方框图。引信的发火控制系统主要由以下几部分组成：

发射系统，由速调管、摆频信号发生器及调节器等组成，速调管微波振荡源产生微波振荡，由一个真空五极管构成的电容三点振荡器作为摆频信号发生器，产生正弦振荡，将此正弦调制信号加于速调管反射极，便可得到正弦波调频振荡，其大部分能量经波导管耦合到发射天线；

接收系统有两组接收天线和两组接收电路，接收电路由滤波器和混频器组成；

其他还有中放级、低放级及电源等。

图3-18　引信发火控制系统组成方框图

引信的基本原理是利用从目标反射回来的回波信号与发射信号的差频信号而工作。为了简化分析，我们先忽略由于弹目相对运动而产生的多普勒效应的影响。发射信号是由发射速调管产生的一个具有适当功率、频率被调制的3cm信号。频率调制的包络线如图3-19中第1条曲线的实线所示，由于频率调制是由正弦电压波控制的，因而包络线为正弦曲线。发射信号的波形如图3-19中第2条曲线所示。由于信号在弹目之间往返传播而产生的时间延迟τ，而使回波信号频率调制的包络线也偏离了一个τ值，如图3-19中第1条曲线的虚线所示。发射与回波信号在混频器中混频得到差频信号，其波形如图3-19中第4条曲线所示。

图3-19　调频引信信号波形图

设ω0为微波信号的角频率；Δω为调频波的角频偏；Ω为调制信号角频率，该引信的调制频率为F＝110kHz，频偏ΔF＝13MHz。由图中可以看出，差频信号是一个频率波调制的等幅信号。对于每一个调制信号周期，差频信号的频率两次通过零点，两次通过最大值。可见，这个差频信号具有2F的调制频率，即2F＝220kHz。由图3-19中曲线及前面推导出的差频公式可以看到，差频信号的频率是与τ成正比的，也即与弹目间距离R成正比，同时也是频偏ΔF的函数。频偏和其他参数都经过适当选择，从而当弹目距离为2m时，差频信号频率由0伸展到100kHz。当弹目距离为10m时，差频信号频率由0伸展到500kHz。当弹目距离为20m时，差频信号频率由0伸展到1MHz。若只考虑差频最大值，则有如下关系：

弹目距离2m——差频最大值100kHz；

弹目距离10m——差频最大值500kHz；

弹目距离20m——差频最大值1MHz。

即一个差频信号频率对应于一个距离，这就是调频测距引信的基本原理。

“马特拉”空-空导弹要求引信在弹目间距离为2～20m间能确保导弹爆炸。如何实现这个要求呢？这就要靠引信电路来实现。

根据上述弹目距离在2～20m时，所对应的差频最大值为0.1～1MHz，这就要求放大器的通带应在此频带范围。同时为了保证在2～20m时能起爆战斗部，则要求放大器的频率特性曲线不是线性的。

下面进一步探讨放大器在通带范围内的频率特性。设引信作用时放大器输出电压为

式中，Uim为放大器输入端的差频信号电压；K为放大电路的放大倍数。由前面分析差频信号可知，Uim与所接收的目标回波信号Urm成比例，而Urm又与目标反射电场分量Er成比例，因而(www.xing528.com)

式中，α为比例系数。而对于空中目标，其反射电场是与距离的平方成反比的。即

式中，β为比例系数。因而可将Uim表示为

由差频公式可知差频频率是与距离R成正比的，即

式中，γ也为比例系数。将上述关系式代入式（3-42）中得

或

由于要求引信在2～20m范围内作用，因而在给定的2～20m作用距离内，放大电路的输出差频信号Uom应是等幅的，即Uom不应随距离R而变化，即Uom应为常量，则式（3-44）中Uom/（αβγ2）也为常量，那么电路放大倍数K与差频频率成正比，也就是说要求放大倍数随频率的增高而成平方关系上升，即每倍频程增益提高约12 dB。而这种按平方律上升的频率特性的放大电路是通过适当选择电路元件来实现的。

上述对放大器频率特性的分析也可以这样来解释：在0.1～1MHz频带范围内，放大器增益是每一倍频程12dB。它的输出信号幅值直接依赖于输入信号的频率，因此该放大器起了一个鉴频器的作用。也就是说，它能将等幅的但频率是变化的差频信号，转换为幅度变化的信号。当差频达到最大值时，增益也处于最大值，此时幅度最大。当差频接近于零时，增益接近于零，幅度也接近于零。故放大器的输出波形如图3-19中的第5条曲线所示，再经检波低放，就变成如图中的第6条曲线所示。由于差频信号的最大频率随弹目距离的增加而增加，而放大器的增益随频率增加而增加，且遵循每一倍频程增益12dB的规律。因此，该放大器对差频信号的增益随弹目距离增加而增加，又因距离和差频之间有一定的线性关系，所以也适用于每倍距离增益12dB的规律。另一方面，从目标反射回来的回波功率与距离成反比，因为考虑信号往返的功率损失，所以它按照1/R4的规律变化。也就是说，接收到的回波信号电压，在每倍距离上，以12dB的规律在减少。例如，弹目距离由10m增至20m，功率损失为12dB，但放大器增益增加12dB，总的结果为零。由于上述两方面的作用，在弹目距离为2～20m，放大器输出信号的幅度基本上是不变的。

在小于2m时，放大器增益会迅速下降，但这没有关系，可以由被引信探测的目标表面的增大而得到补偿。而在大于20m时，灵敏度迅速降低，因差频超过1MHz时，增益将以每倍频25～35dB降低。

以上讨论是在不考虑多普勒效应的情况下进行的，这不符合实际情况。当引信与目标相对运动时，被接收的信号频率比发射的信号频率要高，它们之间相差一个多普勒频率fd。如果考虑多普勒效应，就应在原来接收信号频率上加一个fd的频率。图3-20中曲线1实线表示发射信号调频包络线，虚线表示接收信号调频包络线，虚线向右偏移时间τ0。该曲线与不考虑多普勒效应时图3-19中曲线1相比较是不同的。如果在调制包络线的第一个半周期中多普勒频率是被叠加在差频信号上，那么第二个半周期中它被从差频信号中减去。而多普勒频率fd的大小决定于弹目接近速度vR，在“马特拉”导弹的战术运用条件下，vR在100～1 500m/s的范围内，则对应的fd为6.5～100kHz。例如，弹目距离R为10m，接近速度为1 500m/s，在不考虑多普勒效应时最大差频为500kHz。在考虑多普勒效应时，则差频信号最大差频数为：

图3-20　考虑多普勒效应的信号波形图

在第一个半周期内500kHz-100kHz＝400kHz。

在第二个半周期内500kHz＋100kHz＝600kHz。

在频率调制包络的每半个周期中，差频信号按上述两个频率依次变化。经过放大后，它使差频信号产生一种双重频率调制，如图3-20中的曲线2所示。其基本重复频率是220kHz，但也有110kHz的过调制。通过一个选频放大器，可以把220kHz的基本频率选出来，而把110kHz的信号滤除出去。因此，可认为多普勒效应对引信的正常工作影响很小。然而，由于有多普勒效应的存在，差频信号的频谱要扩展一些，由计算将扩展到0.115～1.100MHz。故放大器的通频带也需修正，以适应此频率的扩展。

差频信号经过上述中频放大后，再经过检波，就变成一个220kHz的信号。前面已经分析过，由中放输出的信号其幅度应不受弹目距离的影响。但实际上由于种种原因，其幅度还是有些变化，为了保证后面电路工作的稳定，经过检波及低频放大以后的信号还需要再生一次（即整形）。低频放大器是选择性的，其频率响应曲线的中心在220kHz，它能选出有益信号而排除包括多普勒信号在内的其他干扰。经过低放后的有益信号，推动一个单稳态多谐振荡器以便得到一个有固定幅度和脉冲宽度的方波，此方波的幅度及其宽度与220kHz的有益信号的幅度无关，这就是再生了的低频有益信号。如图3-21中曲线2所示。此信号给一个“计数”电容器充电，当充电电压达到点火电压时，闸流管导通，执行级工作。此过程如图3-21中曲线3所示。在递增充电过程中，充电时间常数是很小的，而放电时间常数是很大的，因而某些单个的、杂散的干扰信号，由于积累的原因，在一定时间后也可能导致足够大的充电电压而使执行级工作。为了解决这一个问题，用一个“归零脉冲”使“计数”电容周期地放电。因此，要求信号的稠密度必须是大的，使其在两个“归零脉冲”之间能给“计数”电容器充电到点火电压，而单个的杂散信号达不到点火电压。但由于有益信号的出现与“归零脉冲”不是同步的，就有可能产生在有益信号充电还未达到点火电压之前“归零脉冲”就来抵消它。这就要求信号有个持续时间，而这个持续时间足以使电容器再充电到点火电压。因此，信号的持续时间应该大约为“归零脉冲”周期的两倍，信号持续时间与弹目相对速度、交会条件以及目标尺寸、天线波束宽度等有关。在该引信中，信号的最小持续时间是1.11ms，因此“归零脉冲”的周期取为500μs。

图3-21　低频及计数信号波形图

该引信有一对发射天线和一对接收天线，它们径向对称地沿着弹圆柱的母线分别装在弹体的两侧，发射天线与接收天线间互成90°。每个天线的结构是一个沿着轴线开有许多横槽的矩形波导管所形成的裂缝天线。这样的开槽波导在赤道面上产生一个圆形方向图，在子午面上的方向图不是垂直于导弹轴，而是向前倾斜一个角度φ。在该引信中φ＝60°，如图3-22所示。

图3-22　天线安装示意图