导弹引信原理、系统及单元测试等内容是安全操作培训的主要内容。一方面，随着现代电子技术的飞速发展，引信的复杂程度进一步提高，天气环境和工作场地等客观条件制约培训的开展，实物培训成本进一步上升；另一方面，随着各种培训的持续深入和严格要求，培训成为操作人员学习理论知识的不可缺少途径，而实际培训中存在培训方式单一、效率不高等问题，操作人员难以直观了解引信的工作原理、信号调制解调过程和抗干扰测试结果，短期内难以达到培训目标。
本文采用虚拟仪器技术，借鉴已有引信开发设计理论和经验，设计了一种用于导弹引信理论学习和培训的引信对抗仿真系统。该仿真系统根据培训需要，可开设伪随机引信信号相关接收实验、引信干扰和抗干扰实验、引信回波模拟实验、引信性能检测实验等实验操作，可初步满足引信理论学习和实践培训的需求。此外，引信对抗仿真系统提供基本技能培训平台，可以加快操作人员掌握操作技能，提升保障能力。
1 伪码调相脉冲引信工作原理
伪码调相脉冲引信工作原理如图1所示，发射时，伪随机码生成器产生的伪码一路经过脉冲调制后，与振荡器产生的载频信号进行0/π调相，频移到射频段由天线发射出去。另一路伪随机码延时后作为参考码输入相关器中；接收时，回波信号同振荡器的产生的本振信号进入混频器进行混频，通过滤波后得到含有伪随机码和多普勒信号的延时信号，经过放大器的处理后与延时器的参考码作码相关处理，经滤波、检波后得到目标距离和速度信息。符合起爆要求时，执行级输出起爆信号引爆导弹。
图1 伪码调相脉冲引信工作原理框图
2 伪随机码及其性能分析
2.1 伪随机码
伪随机码(PN Code)是一种具有统计特性且能重复产生和复制的序列[1]，它模拟了噪声特性，但更具有规律性。一条携带完整信息的伪码序列长度叫作码序，码序中每个元素称作码元，每段码序包含码元的数目叫做码长，一组码序所组成的集合称作码。
常见的伪码序列包括M序列、Gold序列、m序列，本系统采用规律性强、容易生成的M序列。伪码调相脉冲引信的调制脉冲的幅度取决于伪随机码的参数设置，通常调制脉冲周期和码元宽度相同，伪随机码信号表示为
(1)
式中: Tm是码元宽度； Tr是调制脉冲周期P是伪周期，
是调制的脉冲信号，Ci={+1,-1}是伪码序列。
从图2伪随机码的自相关函数曲线可以看出：自相关函数的周期是由脉冲周期决定的，峰底占两个码元宽度，码元宽度越小，函数峰越尖锐，伪码序列的自相关性越好。
图2 伪随机码自相关函数曲线
伪随机码的自相关函数与它的功率谱是一组傅立叶变化[3]，即：
R(τ)⟺G(f)
伪随机码的功率谱性质影响了伪码调相脉冲引信的性能，也为引信对抗仿真系统的设计参数选取提供了参考。
2.2 伪码调相信号分析
伪码调相过的信号可以携带信息却不能发射，需要将信号调制到射频才能发射出去，发射信号Ut表示为
Ut(t)=At·p(t)·cos(2πf0+φ0)
(2)
式(2)中： At是发射信号幅度；p(t)是伪随机码信号； f0是载波频率； φ0是初始相位。
相关器输出的结果是伪随机码信号和多普勒信号的乘积，为了提取弹目的距离和速度信息，需要对相关器输出结果进行滤波和检波等信号处理，利用FFT多普勒滤波器组合可以得到含有多普勒频率的信息，如图3所示。
图3 FFT处理后输出曲线
3 伪随机码特性及参数选择
3.1 伪随机码的特性
1) 距离截止特性。截止距离是指引信完全起爆时最大距离与完全不起爆时最小距离差。距离差的大小决定了截止特性的好坏，检波输出函数斜率kj可以来体现距离差，即：
(3)
当伪码长度远大于1时，kj近似等于伪码频谱宽度1/Tm，斜率kj同码元宽度Tm成反比，kj的值越小，伪码频谱宽度越大，雷达引信被拦截的几率就越小。
2) 距离分辨能力。在一个码元宽度内，引信区分发射机到两个相邻目标的双程延时传播的距离的能力称作距离分辨能力。目标区分最小距离Rmin为
(4)
从式(4)中可知，距离分辨能力是一个脉冲宽度对应的距离，目标区分最小距离越小，引信的距离分辨能力越好。
3) 最大无模糊距离。相关函数是周期函数，每个相关值会对应多个目标距离，这就产生了距离模糊，最大模糊距可以表示为
(5)
距离模糊会对引信测距产生干扰，影响导弹探测精度和毁伤效果，因而实际工作中要确保最大模糊距离远大于引信的工作距离。
4) 抗干扰性能。雷达引信前端接收到的信号除了目标反射回来的回波信号外，还有人为的有源干扰信号、环境的噪声和引信自身电子元器件的噪声等干扰信号。这些噪声是和伪随机码不相关的，在相关检测时，不相关的噪声会被抑制掉，而有相关性的回波信号会增强，因此积分器的积分时间越长和噪声被抑制效果成正相关。积分时间等于伪码序列的一个周期时间，通过增加序列长度可以提高抗干扰效果。
3.2 伪随机码参数的选择
在选取伪码调相脉冲雷达引信的码元宽度、伪码序列长度和伪码周期3个主要参数时，要从伪码特性、设计复杂性和设备实现性等三方面综合考虑。
1) 码元宽度Tm。根据伪随机码的特性可知，码元宽度越窄，截止特性越陡峭，距离分辨力越好，低空突防性能越强。而伪码序列90%的能量的集中在第一个零值点内，伪码频谱宽度Δf近似为
(6)
从式(6)可知，频谱宽度和码元宽度成反比，码元宽度越窄，频谱宽度就越宽，发射信号能量可以扩散到更宽的频带上，有效减低了信号被破译截获的风险。但是过窄的码元宽度会使射频信号失真。因此，在选择码元宽度时，不能无限制的小。
2) 伪码长度P。最大无模糊距离要远大于引信工作距离才能保证雷达引信工作不被干扰，即：
(7)
相关输出主副瓣的比值由伪码序列长度决定，序列长度越长，函数副瓣1/P越小，抑制杂波干扰能力越强。但是伪码序列过长，多普勒频率对相关函数的影响就会变大。实际中，伪码周期不超过多普勒频率的4倍，即：
(8)
3) 伪码周期T。伪随机码的周期T为
T=Tm·P
(9)
从式(9)中可以看出，伪码周期等于码元宽度和序列长度的乘积，因知道了码元宽度和序列长度，也就确定了周期时间。
需要注意的是，在伪随机码的一个周期内，当fd·T≥1时，回波中的伪随机码P(t-τ)存在“1”和“-1”互换的现象，相关值就会减小。因此，伪码周期在选择时，要满足fd·T<<1的要求。
4 引信对抗仿真系统的设计
4.1 系统设计需求
利用虚拟仪器技术开发引信对抗仿真系统不仅能够突破传统仪器的局限性，还大大简化了开发过程，其应该满足以下四方面需求：能够贴合引信原理等内容，便于开发系统的硬件和软件；能够展现引信的工作流程，符合引信的工作原理；能够实现伪码调相脉冲引信抗干扰实验；能够扩展加入其他实验设备和培训资源，支持更多实验内容。
4.2 系统设计思想
由设计需求可知，本系统的子系统繁复众多，为了保持系统的良好组织结构和可扩展能力，提高设计的效率，开发要采取模块化和层次化的思想，这种思想是针对不同功能设计不同系统，开发中化整为零，最后集成在同一平台，便于设备后期的调试、维护和拓展。在LabVIEW语言编写中，系统分解到各个层之间独立编写，并最终完成所有的功能。
在利用PXI平台的优势时要注意两个原则[4]：
1) 低耦合、高内聚原则。低耦合是要求每个子模块在实现自身功能的同时保持相互独立，既不影响其他模块又不受其他模块影响；高内聚是每个模块实现特定的功能是，而内部相关性密切；
2) 外开放、内封闭原则。优秀的语言是对外开放，对内封闭的，即当需求发生变化时，通过增加相应的指就能适应功能变化，而不需要改变已有的程序。
4.3 系统设计方案
引信对抗仿真系统总体结构如图4所示，设计内容包括硬件设计和软件设计两方面。硬件设计主要是选取合适的硬件平台和搭建硬件架构，PXI平台能提提供高速信息交换服务，保证了信号传输的可靠性和准确性，机箱、主控制器和外围模块是组成PXI的基本构架，通过各端口连接实现整个系统的通信；软件设计是基于LabVIEW语言开发引信模型，在使用LabVIEW的同时调用了NI的工具包，避免的大量基础模块的开发，节省了时间。在开发中要对下变频器、上变频器以及信号发生模块安装相应的硬件驱动。
图4 引信对抗仿真系统总体结构框图
根据伪随机码特性及参数选择确定引信对抗仿真系统的初始参数。
引信对抗仿真系统由中频信号发生器、上变频器和下变频器组成。系统内通过高速背板与嵌入式主控制器连接，各外围模块在PXI总线上实现数据交换和控制命令交换，引信对抗仿真系统设备端硬件结构如图5所示。
图5 引信对抗仿真系统PXI设备端硬件结构框图
图6为引信对抗仿真系统硬件连接图，中频信号发生器的CH0端口接入上变频器INPUTS端口输入中频信号，上变频后从上变频器的RF OUTPUT端口输入到下变频器INPUT端口，下变频后从下变频器的OUTPUT端口输回到中频信号发生器CH0端口进行信号处理。
所设计的引信对抗仿真系统具有以下4个特点：系统界面逼真，人机交互优越，通用性和可塑性较好，便于操作人员操作实践；基于LabVIEW环境开发的系统拥有丰富的函数库，结合其图形化的编程形式，引信仿真系统简单明了，可拓展性强；PXI平台可以产生多种级数引信信号，观测形象直观；可作为科研开发平台，开展引信干扰与抗干扰研究。
图6 引信对抗仿真系统PXI平台硬件连接图
5 系统主要性能测试
抗干扰性能是引信能否发挥其性能的关键因素，下面利用对抗仿真系统对高斯白噪声下的引信性能进行测试。
在导弹引信干扰测试模块中，设置载频、调制脉冲、占空比、多普勒频率、截止频率、滤波阶数、采样率等参数。码相关解调出的信号的包络频率为多普勒频率。图7(a)、图7(b)、图7(c)分别是功率谱密度为1 W/Hz、2 W/Hz、4 W/Hz高斯白噪声干扰下相关解调输出信号。可以看出：随着高斯白噪声的增强，相干解调信号的包络频率越来越不明显，通过检波得到多普勒信号变的困难，引信的工作已经受到干扰而不能正常工作。
图7 白噪声干扰下的码相关解调输出信号
6 结论
本文针对引信操作培训需求，首先介绍了伪码调相脉冲引信工作原理，分析了伪随机码自相关性和抗干扰性，确定了码元宽度、伪码周期等参数选取原则，并确立了系统的总体设计的需求、思想和方案。然后利用引信对抗仿真系统对高斯白噪声情况下的伪码调相脉冲引信的抗干扰性能进行仿真。仿真结果表明，引信调制增益受多普勒频率、码元宽度和伪码长度等因素的影响，码元宽度越窄，伪码序列越长，伪码调相脉冲引信受到噪声的干扰越不明显。该系统打破引信理论学习和操作培训中的时间和空间限制，可以满足实际培训要求。
[1] 张重阳.常用伪随机码序列的相关性分析与MATLAB仿真[J].科技信息:科学教研,2007(24):391-404.
[2] 朱德辉.基于FPGA的伪码调相引信信号处理技术[D].南京：南京理工大学,2015.
[3] 丁韧.基于虚拟仪器的频谱检测收发系统[D].北京：北京邮电大学,2012.
[4] 黄宇,柏正尧,董亮.基于PXI架构的高速数据采集系统设计[J].自动化与仪表,2015,30(9):79-83.
[5] 严明.脉冲多普勒雷达信号处理MATLAB仿真研究[D].合肥：安徽理工大学,2016.
[6] 王传刚.基于PXI的机场导航装备自动检测平台研究[D].西安：西安电子科技大学,2015.
[7] 夏薇,刘畅.国外导弹发展现状与趋势分析[J].飞航导弹,2016(5):37-42.
[8] SRIVASTAVA A K,SHARMA M,MANSURI I,et al.Development and Integration of a Data Acquisition System for SST-1 Phase-1 Plasma Diagnostics[J].2012,14(11):1002-1007.