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基于超低空工作的無線電引信建模與仿真*

時(shí)宇若，趙琦，張弫

(北京電子工程總體研究所，北京100854)

摘要：以超低空掠海飛行的導(dǎo)彈為研究背景，給出了引信數(shù)學(xué)模型，并通過嵌入海雜波數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對已有引信仿真系統(tǒng)的完善。仿真結(jié)果表明，完善后的引信仿真系統(tǒng)，能夠仿真目標(biāo)與海面的混合回波，評估引信的超低空性能。

關(guān)鍵詞：超低空；無線電引信；信號處理；引信仿真

0引言

未來一段時(shí)間，我國主要威脅目標(biāo)常利用低空和超低空飛行來實(shí)施突防。艦空導(dǎo)彈在進(jìn)行掠海低空超低空飛行時(shí)，引信不僅能夠探測到目標(biāo)的回波信號，也會探測到不需要的海面回波信號。為了能夠準(zhǔn)確有效地?cái)r截低空超低空飛行的目標(biāo)，并防止由于海雜波引起的引信誤爆，這就要求引信具有抵抗強(qiáng)海雜波干擾的能力[1-2]。如何使得引信只對目標(biāo)可靠起爆，而不會因海面回波信號導(dǎo)致引信的誤啟動，是引戰(zhàn)系統(tǒng)超低空作戰(zhàn)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。

本文對超低空掠海引信的工作過程進(jìn)行仿真，給出了引信的數(shù)學(xué)模型，在模型中利用波門自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)與頻率識別技術(shù)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)在混有背景信息的回波信號中檢測目標(biāo)。本文將海雜波模型嵌入到已有的仿真平臺系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)海背景下的目標(biāo)檢測仿真。完善后的引信仿真系統(tǒng)能夠?qū)σ殴ぷ鞯膭討B(tài)過程進(jìn)行仿真[3-6]。

1引信數(shù)學(xué)模型

建立引信的數(shù)學(xué)模型是對引信進(jìn)行仿真的基礎(chǔ)，引信數(shù)學(xué)模型的主要內(nèi)容包括引信的天線模型、發(fā)射機(jī)與接收機(jī)簡化模型、信號處理模型。

1.1天線模型

天線模型用來計(jì)算天線增益。天線增益表征的是引信天線在發(fā)射探測信號時(shí)，輻射能量在方位上的差別，利用引信探測到的目標(biāo)散射中心與天線坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸的方位角，對天線增益進(jìn)行劃分。首先根據(jù)目標(biāo)散射中心與天線坐標(biāo)系xf軸的夾角θx，得到目標(biāo)散射中心在天線軸向面內(nèi)的增益值Ga；然后，根據(jù)測得目標(biāo)散射中心在天線坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)在天線坐標(biāo)系Oyfzf平面內(nèi)的投影與天線坐標(biāo)系yf軸的夾角θy，得到目標(biāo)散射中心在天線滾動面內(nèi)的增益值Gr；由此可以得到目標(biāo)散射中心的增益為

Gi=GaGr.

(1)

1.2發(fā)射機(jī)與接收機(jī)簡化模型

引信仿真系統(tǒng)不是從發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的電路特性角度，而是從回波能量的強(qiáng)弱角度，利用靈敏度曲線建立發(fā)射機(jī)與接收機(jī)簡化模型。靈敏度曲線表征的是不同距離處目標(biāo)回波能量的差別。因此，利用引信探測到的目標(biāo)散射中心與天線坐標(biāo)系原點(diǎn)間的距離，得到目標(biāo)散射中心所處位置對應(yīng)的靈敏度值。靈敏度曲線與距離的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

圖1　靈敏度曲線與距離的對應(yīng)關(guān)系Fig.1　Relationship between sensitivity curve　　　 and distance

當(dāng)目標(biāo)散射中心與天線坐標(biāo)系原點(diǎn)間的距離在a，b之間時(shí)：

(2)

式中：DPA為目標(biāo)散射中心與天線坐標(biāo)系原點(diǎn)間的距離；Da為a點(diǎn)對應(yīng)的目標(biāo)散射中心與天線坐標(biāo)系原點(diǎn)間的距離；Db為b點(diǎn)對應(yīng)的目標(biāo)散射中心與天線坐標(biāo)系原點(diǎn)間的距離；S2為當(dāng)目標(biāo)散射中心與天線坐標(biāo)系原點(diǎn)間的距離是Da時(shí)，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的靈敏度值；S為被探測目標(biāo)散射中心對應(yīng)的靈敏度值。

當(dāng)目標(biāo)散射中心與天線間的距離在b，c之間時(shí)：S=S1；

當(dāng)目標(biāo)散射中心與天線間的距離在c，d之間時(shí)：

(3)

式中：Dc為c點(diǎn)對應(yīng)的目標(biāo)散射中心與天線坐標(biāo)系原點(diǎn)間的距離；Dd為d點(diǎn)對應(yīng)的目標(biāo)散射中心與天線坐標(biāo)系原點(diǎn)間的距離。

1.3信號處理模型

當(dāng)目標(biāo)位于導(dǎo)彈下方，并與導(dǎo)彈做相向運(yùn)動時(shí)，可以利用距離波門壓縮和頻率識別相結(jié)合的方法[7-8]，提高無線電引信抗海雜波干擾的能力。

1.3.1引信距離波門壓縮

彈目交會時(shí)，導(dǎo)彈由高處向目標(biāo)和海面接近。通常海面回波信號會先于目標(biāo)信號進(jìn)入引信的檢測范圍，如果引信距離波門的作用距離保持不變，當(dāng)海面回波信號進(jìn)入引信距離波門對應(yīng)的探測范圍時(shí)，引信就會輸出起爆信號，引爆戰(zhàn)斗部；而此時(shí)，目標(biāo)并沒有進(jìn)入戰(zhàn)斗部的有效殺傷區(qū)，導(dǎo)致引信早炸。

為了避免脈沖無線電引信由于海雜波干擾導(dǎo)致的引信誤動作，在彈目交會過程中，引信實(shí)時(shí)跟蹤海面回波信號。根據(jù)海面回波信號對應(yīng)的引信距離波門，實(shí)時(shí)調(diào)整引信探測目標(biāo)的距離波門，使引信探測目標(biāo)的作用距離與海面始終保持一定的安全高度。這樣，既可以使海雜波不進(jìn)入引信探測目標(biāo)的距離波門，又可以保證引信能夠探測到目標(biāo)信號。

在圖2中，灰色物體為導(dǎo)彈，綠色物體為目標(biāo)，導(dǎo)彈做掠海超低空飛行。當(dāng)導(dǎo)彈引信探測到海面回波時(shí)，引信探測波束留出一定的安全距離，如圖中的紫色范圍。隨著導(dǎo)彈海拔高度的下降，引信檢測目標(biāo)的探測波束始終留出紫色區(qū)域的安全距離，在橘黃色區(qū)域內(nèi)探測目標(biāo)信號。這樣即能抑制海面回波對引信探測目標(biāo)信號的影響，又能保證引信探測到目標(biāo)回波信號。

圖2　引信距離通道壓縮示意圖Fig.2　Sketch map of fuse distance channel compaction

1.3.2頻率識別

當(dāng)導(dǎo)彈采用迎頭攻擊方式，并且導(dǎo)彈速度矢量與目標(biāo)速度矢量反方向的夾角較小的情況下，彈目相對速度大于導(dǎo)彈與海面間的相對速度，目標(biāo)回波的多普勒頻率大于海面回波的多普勒頻率。

利用上述特點(diǎn)，在采用距離波門壓縮方法的基礎(chǔ)上，對目標(biāo)和海面分別設(shè)置不同的頻率檢測窗口，將兩者進(jìn)行區(qū)分。如果回波信號的頻率落入檢測海雜波的頻率窗口內(nèi)，則認(rèn)為是海雜波信號；反之，認(rèn)為是目標(biāo)信號。

將上述2種方法相結(jié)合，就能夠?qū)⒛繕?biāo)信號從混有海雜波的回波信號中提取出來，將目標(biāo)信號與海面回波信號進(jìn)行區(qū)分。綜上，距離波門壓縮和頻率識別相結(jié)合方法的整體思想為：海面和目標(biāo)在同一距離通道內(nèi)對應(yīng)不同的頻率檢測窗口，當(dāng)某一距離通道探測到有信號能量超過該通道的門限值，并且過門限的頻率處在探測海雜波的頻率窗口內(nèi)，則認(rèn)為引信探測到海雜波信號。此時(shí)，將該距離通道對應(yīng)的探測范圍保留一定的安全距離作為引信探測目標(biāo)的截止距離。如果在截止距離范圍內(nèi)，有信號超過門限值，并且過門限信號的頻率處在探測目標(biāo)的頻率窗口內(nèi)，則認(rèn)為引信探測到了目標(biāo)信號。

2海雜波數(shù)學(xué)模型

將海雜波仿真模塊嵌入到已有的仿真系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對引信工作背景環(huán)境的模擬。

當(dāng)導(dǎo)彈在海面上進(jìn)行超低空掠海飛行，其上的無線電引信對海面進(jìn)行探測時(shí)，如果將被照射的海面作為整體計(jì)算海面的回波能量，那么整個(gè)照射區(qū)域上各點(diǎn)的海面散射系數(shù)，與天線的距離，入射余角，多普勒頻率這些與海面回波有關(guān)的參數(shù)分別為一定值。顯然，這樣計(jì)算得到的海面回波能量結(jié)果很不準(zhǔn)確。因此需要將引信照射的海面進(jìn)行劃分，分別對每一個(gè)面元進(jìn)行回波計(jì)算。各面元間與海面回波有關(guān)的參數(shù)跟隨每一面元在參考坐標(biāo)系內(nèi)相對位置的不同而變化，而每一個(gè)小面元內(nèi)各點(diǎn)的海面散射系數(shù)，與天線的距離，入射余角，多普勒頻率這些與海面回波有關(guān)的參數(shù)分別為一常值。如此仿真得到的海面回波信號更接近實(shí)際情況。

本文利用距離環(huán)單元?jiǎng)澐址椒▽σ耪丈涞暮Ｃ娣秶M(jìn)行劃分，利用TSC修正模型來表征海面的散射特性[9-11]。

距離環(huán)單元?jiǎng)澐址椒ǖ幕舅枷霝椋河捎趯?dǎo)彈進(jìn)行超低空掠海飛行時(shí)，其飛行的海拔高度很低，所以引信天線發(fā)射的波束與海面的相交面可以近似認(rèn)為是圓形。照射區(qū)的圓心為導(dǎo)彈中心在海面上的投影，最大圓半徑Rmax通過導(dǎo)彈的海拔高度和引信的探測距離確定，先按照步長ΔR沿圓半徑將照射平面劃分成等距離環(huán)，再將距離環(huán)按照步長Δθ劃分為等方位角的多個(gè)細(xì)小面元。對單個(gè)的面元來說，其散射系數(shù)，面元與天線的距離，入射角，多普勒頻率這些與海面回波有關(guān)的參數(shù)均為一常數(shù)。劃分海面的示意圖如圖3所示。

圖3　海面劃分示意圖Fig.3　Sketch map of gridding partition　　　of the sea surface

(4)

(5)

式中：GA，σz為擦地角因子；GW為風(fēng)速因子；GU為風(fēng)向因子；λ為雷達(dá)波長；φ為擦地角。

3目標(biāo)及海面回波模型

在引信的仿真中，目標(biāo)回波信號作為引信的輸入，是仿真系統(tǒng)重要的組成部分。本仿真系統(tǒng)的輸入包括引信探測的目標(biāo)回波和海面回波2部分。

3.1目標(biāo)回波模型

目前，國外普遍采用亮點(diǎn)法[12]計(jì)算目標(biāo)回波。所謂亮點(diǎn)，是當(dāng)電磁波從線尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長的目標(biāo)散射出來時(shí)，目標(biāo)表面存在不多的強(qiáng)反射段，將這些強(qiáng)散射段進(jìn)行歸納就能得到多個(gè)強(qiáng)散射點(diǎn)，而這些強(qiáng)散射點(diǎn)就稱作亮點(diǎn)。任何復(fù)雜體目標(biāo)都可以通過幾個(gè)亮點(diǎn)來模擬，并且被觀測物體表面亮點(diǎn)的數(shù)量和位置都是非常固定的，其反射強(qiáng)度僅與照射和接收的視線有關(guān)。

在計(jì)算目標(biāo)的回波時(shí)，首先根據(jù)目標(biāo)不同部位的形狀特點(diǎn)拆解等效為不同的幾何形狀；其次確定亮點(diǎn)，亮點(diǎn)位于等效幾何形狀的鏡面點(diǎn)上，并且認(rèn)為目標(biāo)的所有回波均來自這些亮點(diǎn)；最后，將各亮點(diǎn)的回波信號進(jìn)行迭加，作為目標(biāo)的整體回波：

(6)

式中：I(t-τi)為探測選通脈沖，τi為目標(biāo)上第i個(gè)亮點(diǎn)信號的延遲時(shí)間；Pri為根據(jù)雷達(dá)方程得到的接收機(jī)輸出端第i個(gè)亮點(diǎn)的信號功率；f0為載波頻率，fdi為目標(biāo)上第i個(gè)亮點(diǎn)的多普勒頻率；φi為目標(biāo)上第i個(gè)亮點(diǎn)的回波相位;n為亮點(diǎn)總數(shù)。

3.2海面回波模型

實(shí)際引信接收到的回波信號中，混有海面回波信號。因此，在引信仿真中，海面回波也應(yīng)作為引信輸入的一部分。

由雷達(dá)方程可以得到整個(gè)照射海面的回波計(jì)算公式：

(7)

式中:σ0i為第i個(gè)面元的后向散射系數(shù)；Ai為第i個(gè)面元的面積；Dt1表示引信探測RCS為1 m2的目標(biāo)時(shí)，引信的最大探測距離；DPAi為第i個(gè)面元與天線坐標(biāo)系原點(diǎn)之間的距離；Gi為天線增益；Si為靈敏度值；φPMi為第i個(gè)面元中心與導(dǎo)彈之間的相位；N為海面劃分的面元總數(shù)。

4引信數(shù)學(xué)仿真

利用上述建立的引信模型，海雜波模型和目標(biāo)回波模型對引信的工作過程進(jìn)行仿真，整個(gè)仿真過程的流程圖如圖4所示。

圖4　仿真流程圖Fig.4　Simulation flow figure

引信仿真系統(tǒng)對20個(gè)空域點(diǎn)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如表1所示。

表1　空域點(diǎn)仿真結(jié)果

下面將某次仿真結(jié)果顯示如下。仿真所用的彈目交會條件為：

——彈目相對速度1 783.26 m/s；

——脫靶量24.591 2 m；

——目標(biāo)海拔高度15 m；

——導(dǎo)彈在脫靶平面的海拔高度為24.143 m。

圖5給出的是高度探測支路，在引信整個(gè)工作過程中距離通道的壓縮情況。其中，橫坐標(biāo)為幀號，表示時(shí)間；縱坐標(biāo)表示探測距離。黑線表示導(dǎo)彈飛行的絕對高度；綠線表示引信探測到海雜波所在的距離通道；紅線為根據(jù)引信探測到的海面回波信號所在距離通道，經(jīng)距離通道的壓縮變換得到的引信該支路探測目標(biāo)信號的安全通道范圍，即引信在紅線的下方范圍進(jìn)行目標(biāo)信號的探測；藍(lán)線表示目標(biāo)信號所在的距離通道。通過將導(dǎo)彈的絕對飛行高度與海雜波通道和安全通道進(jìn)行對比可知，引信的距離波門壓縮邏輯正確。由圖5還可以得出，引信探測目標(biāo)的距離通道始終與海雜波所在的距離通道保持一定的安全距離，并且目標(biāo)信號確實(shí)出現(xiàn)在引信探測目標(biāo)信號的范圍之內(nèi)。

圖5　高度探測支路距離通道壓縮結(jié)果Fig.5　Result of high detection branch distance　　　channel compaction

此外，通過仿真計(jì)算還可以得到海面和目標(biāo)的回波頻率，以及海雜波和目標(biāo)信號所在距離通道的結(jié)果。

在圖6中，橫坐標(biāo)為幀號，縱坐標(biāo)為回波頻率值。黑線表示目標(biāo)的回波頻率，藍(lán)線表示海面的回波頻率，紅線表示引信探測到海雜波所在距離通道對應(yīng)的目標(biāo)檢測范圍。

圖6　高度探測支路目標(biāo)與海雜波頻率顯示結(jié)果Fig.6　Result of high detection branch target　　　and sea clutter frequency

由圖6可以看出，海面回波頻率呈周期性變化，并且變化周期與海雜波距離通道的變化相一致。每個(gè)距離通道內(nèi)，隨著導(dǎo)彈海拔高度的降低，引信照射海面的范圍變大，彈目視線與海面夾角變小，導(dǎo)致在一個(gè)距離通道內(nèi)海面回波頻率由小到大變化。

在圖7中，橫坐標(biāo)為幀號，縱坐標(biāo)表示距離通道。橘黃色的部分表示引信探測到海雜波信號的距離通道；藍(lán)色部分表示引信探測到目標(biāo)信號的距離通道。由圖7可知，檢測到海面回波信號的距離通道數(shù)量大于檢測到目標(biāo)信號的距離通道數(shù)量；可以明顯看出引信由遠(yuǎn)及近地探測到海面和目標(biāo)信號。

圖5~7顯示的均為引信動態(tài)仿真結(jié)果，最后由圖8給出戰(zhàn)斗部破片對目標(biāo)的毀傷效果圖，證明引信對目標(biāo)起爆并且戰(zhàn)斗部對目標(biāo)具有一定的毀傷效果。

圖7　高度探測支路目標(biāo)與海雜波距離通道顯示結(jié)果Fig.7　Result of high detection branch target　　　and sea clutter distance channel

圖8　戰(zhàn)斗部破片對目標(biāo)毀傷效果示意圖Fig.8　Sketch map of warhead fragment　　　damage effects on target

在圖8中，綠線表示沒有命中目標(biāo)的破片飛散軌跡，紅線表示命中目標(biāo)的破片飛散軌跡。

5結(jié)束語

本文結(jié)合無線電引信的工作特點(diǎn)，通過嵌入海雜波仿真模塊對已有的仿真系統(tǒng)進(jìn)行完善，給出了引信的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對引信工作過程的動態(tài)仿真。仿真結(jié)果表明，對于采用迎頭攻擊方式的導(dǎo)彈，在導(dǎo)彈速度矢量與目標(biāo)速度矢量反方向的夾角較小的情況下，采用距離波門壓縮和頻率識別相結(jié)合的方法能夠?qū)⒛繕?biāo)信號從混有海雜波的回波信號中提取出來，從而有效抑制了海雜波對引信探測目標(biāo)的影響。

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Modeling and Simulation of Radio Fuse Working on Extreme Low-Altitude

SHI Yu-ruo, ZHAO Qi, ZHANG Zhen

(Beijing Institute of Electronic System Engineering,Beijing 100854,China)

Abstract:Based on the missile flying above the very low sea surface, the fuse mathematical model is proposed. Byembedding sea clutter model, the existing simulation system is perfected.The simulation shows that the perfected simulation system can simulate the mixed echoes of target and sea surface. It can be used to evaluate the low-altitude ability of fuse.

Key words:extremelow-altitude; radio fuse; signal processing; fuse simulation

中圖分類號：TJ760.3+19;TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-02-0203-07

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.02.033

通信地址：100854北京142信箱30分箱E-mail：syr13.student@sina.com

作者簡介：時(shí)宇若(1989-)，女，北京人。碩士生，主要研究方向?yàn)橐龖?zhàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

基金項(xiàng)目：有

* 收稿日期：2014-02-25；
修回日期：2014-03-10