杜 江 陳 濤 付京來

(91851部隊 葫蘆島 125001)

?

彈載無線電高度表測高能力拓展方法研究與應(yīng)用*

杜 江 陳 濤 付京來

(91851部隊 葫蘆島 125001)

高度表的測高能力決定了導(dǎo)彈縱向彈道的控制品質(zhì),影響導(dǎo)彈飛行高度的準確性和飛行安全。論文詳細分析了決定高度表測高能力的主要因素,提出了拓展高度表測高能力的基本方法和實現(xiàn)途徑,結(jié)合工程實踐完成了量程拓展型高度表控制環(huán)節(jié)的改裝設(shè)計以及接收機通頻帶、鑒頻特性等關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)整與優(yōu)化。實驗結(jié)果表明,該方法使該型高度表的量程增加了一倍以上,提升了裝備的使用價值,滿足了導(dǎo)彈彈道形態(tài)拓展的需求。

無線電高度表; 量程拓展; 有源帶通濾波器; 鑒頻器

Class Number TN958

1 引言

無線電高度表(簡稱高度表)是導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的重要組成部分,其功能是實時測量導(dǎo)彈相對海面的真實高度,輸出與飛行高度成比例的電壓來對導(dǎo)彈進行質(zhì)心穩(wěn)定和控制。高度表的性能指標決定導(dǎo)彈縱向彈道的控制品質(zhì),直接影響導(dǎo)彈飛行高度的準確性和安全性[1～2]。

為提高突防概率,某型導(dǎo)彈擬大幅度突破原有飛行高度,進行縱向彈道躍升及機動。為實現(xiàn)導(dǎo)彈縱向彈道形態(tài)的突破,彈載高度表測高能力必須與飛行高度相適應(yīng)并擁有良好的動態(tài)范圍,而該導(dǎo)彈原有高度表測高范圍遠遠達不到要求,高度表測高能力的提升是拓展導(dǎo)彈飛行空域,提高飛行能力需要解決的首要問題。為此,本文對該型導(dǎo)彈高度表控制環(huán)節(jié)進行改型設(shè)計,調(diào)整與優(yōu)化接收機通頻帶和鑒頻特性等關(guān)鍵參數(shù),使高度表量程拓展到原有指標的一倍以上,有效提高了裝備的使用價值。

2 高度表測高原理與工作過程

2.1 高度表測高原理

高度表通常利用無線電波的反射現(xiàn)象來測量飛行器與地面(或海面)的真實高度。由于無線電波在空氣中的傳播速度是恒定的,要測量飛行器與地面之間的距離,就必須測出無線電波從飛行器傳到海面再反射回飛行器所需的時間。因為此時間很短不易測量,故主要采用差頻法或調(diào)制信號周期法間接測量[2～3]。某型彈載高度表采用非恒定差拍開環(huán)測距體制,故其測高原理為差頻法。其測高理論公式為

(1)

式中,fb為高度表接收頻率與發(fā)射頻率之差,即差拍頻率;Δf為頻偏;H為飛行高度;c為光速。由式(1)可以看出,當(dāng)頻偏Δf與調(diào)制頻率不變時,差拍頻率與飛行高度H成正比。

2.2 高度表工作過程

該型高度表由發(fā)射機、接收機、收發(fā)天線和高頻饋線等部分組成。發(fā)射機包括調(diào)制器、振蕩器、隔離器、倍頻濾波組合、定向耦合器等器件,接收機包括平衡混頻器、放大器、控制電路等器件。其基本工作過程為:振蕩器在三角波主調(diào)制頻率和鋸齒波輔助頻率調(diào)制下,輸出一個帶頻偏的調(diào)頻信號,按調(diào)制頻率的規(guī)律作平穩(wěn)地、周期性地變化,經(jīng)濾波、隔離后由天線向外輻射;接收天線接收到的回波信號經(jīng)接收隔離器送到平衡混頻器與本振信號進行混頻,選出其差頻信號fb送到放大器進行放大;放大后的差頻信號送到鑒頻器,將差拍頻率變換成與高度成比例的直流電壓。高度表組成及工作原理如圖1所示。

圖1 高度表組成及工作原理方框圖

3 量程拓展型高度表技術(shù)參數(shù)的重新選取

作為一種近程無線電探測設(shè)備,其量程是一個總體性的指標,必然體現(xiàn)在一系列具體的技術(shù)參數(shù)之中,量程的大范圍拓展必然要求對這些具體參數(shù)進行重新計算和選取。因此,必須定量地分析量程與有關(guān)具體參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系,按照新的要求對技術(shù)指標進行重新設(shè)計分配,下面對接收機靈敏度、頻率特性、輸出特性等關(guān)鍵參數(shù)進行具體分析。

1) 接收機靈敏度

接收機靈敏度表示接收微弱信號的能力。能接收的信號越微弱,則接收機的靈敏度越高;接收機的靈敏度越高,則高度表的作用距離就越遠[4～6]。由雷達基本方程高度表整機靈敏度經(jīng)驗公式可表示為

S=L0+Le

(2)

(3)

式中:S為整機靈敏度;L0為發(fā)射、接收饋線的衰減值;Le為外回路衰減值;M(H)為被測高度地表效應(yīng)修正值,V2(H)為天線安裝修正因子,當(dāng)H>30m時,M(H)V2(H)近似為1;G為天線增益;λ為工作波長;σ0為散射地面雷達截面積,海面的雷達截面積近似為0.5,由式(2)、式(3)計算得:

S=K0-20lgH

(4)式中,K0為常數(shù),由式(4)可知,測高高度H每增加一倍,整機靈敏度相差6dB。在發(fā)射機功率不變的情況下,隨高度的增加接收機對信號的放大倍數(shù)每倍程必須增加6dB,以補償信號在傳輸過程中的衰減。

2) 頻率選擇性

頻率選擇性表示接收機選擇所需信號而抑制鄰頻干擾的能力。在實際電路中,差拍頻率與測高高度的關(guān)系為

fb=500+10*H

(5)

式中,fb為差拍頻率,H為測量高度。由式(5)可知,差拍頻率與測量高度成線性關(guān)系,由于量程拓展導(dǎo)致差拍頻率范圍擴大,接收機的通頻帶必須按比例擴大。

3) 輸出特性

高度表輸出特性理論公式為

VH=2.05+0.08*H

(6)

式中,VH為輸出的高度電壓,H為測量高度。由式(6)可知,高度電壓VH與測量高度成線性關(guān)系。由于量程拓展,在高高度時,VH必然飽和而不能代表真實的高度,若量程拓展幾倍,則K1應(yīng)按比例減小,高度表輸出電路必須作相應(yīng)改動。

4 高度表量程拓展方法及工程實踐

4.1 高度表改裝的基本方法

為實現(xiàn)高度表量程拓展,滿足參數(shù)調(diào)整要求,降低改裝風(fēng)險,高度表改裝采取以下基本方法:

1) 由于發(fā)射部件狀態(tài)固化不易調(diào)整,故將改裝重點放在接收部件;

2) 保持高頻器件的工作狀態(tài)和信號匹配關(guān)系不變,通過改變中頻和低頻電路特性達到參數(shù)調(diào)整要求;

3) 適當(dāng)增加接收機放大倍數(shù),同時采取有源和無源濾波手段抑制噪聲防止自激振蕩;

4) 重新設(shè)計帶通濾波器以擴展接收機工作頻帶,滿足量程拓展對頻域特性的新要求;

5) 重新設(shè)計頻率補償放大器使接收機增益隨量程而變化,以補償發(fā)射信號強度衰減,滿足量程拓展對時域特性的新要求;

6) 重新設(shè)計鑒頻器電路以改變鑒頻特性曲線,適應(yīng)輸出特性要求。

4.2 高度表改裝的工程實踐

在改裝實踐中,采取自動化設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計相結(jié)合的方法。運用電子設(shè)計自動化(Electronic Design Automation,EDA)軟件建立主放大器、頻率補償器、鑒頻器的電路模型,進行電路設(shè)計和仿真分析,能及早發(fā)現(xiàn)電路中潛在的錯誤,及時進行完善和修改。

1) 改變接收通頻帶

接收機采用有源帶通濾波器電路對接收頻帶進行選擇[7],其電路原理如圖2所示。

圖2 帶通濾波器電路原理示意圖

圖3所示電路中,三極管BG1、BG2電路構(gòu)成有源帶通濾波器。其中C1、R1構(gòu)成高通濾波器。其下限頻率為

(7)

C3、C4、R4、R6構(gòu)成低通有源低通濾波器,其上限頻率為

(8)

改變以上R和C的值即可改變通帶。

2) 改變鑒頻特性

如圖3所示,該型高度表輸出特性是由計數(shù)型鑒頻器[8]實現(xiàn)的,該鑒頻器將放大器輸出的差頻率變成與高度成正比的直流電壓,送入自動駕駛儀或作為其它控制信號用。鑒頻電路如圖所示,其電路原理如下:當(dāng)輸入信號發(fā)生第一負躍變時,由于BG1基極-發(fā)射極受二極管D3的控制,C1被BG1射極電流充電到Vin,當(dāng)方波由負往正躍變到零時,C1向C2放電,輸出特性公式為

(9)

式中RH=R2+4R3+W1

R3為溫度補償電阻,阻值相對較小,將R2阻值縮小,并微調(diào)W1,可使輸出斜率按比例改變。

圖3 鑒頻器電路原理示意圖

5 高度表聯(lián)調(diào)試驗與結(jié)果分析

高度表各部件改裝完畢后,需要進行單元測試和聯(lián)合調(diào)試。聯(lián)合調(diào)試設(shè)備組成與連接關(guān)系如圖4所示。其中測試臺完成高度表接口轉(zhuǎn)換與管理控制。微波通道是為高度表在實驗室環(huán)境下進行測試而構(gòu)造的一個射頻控制通道,由微波開關(guān)、延遲器、檢波器和各種衰減器組成[9],通過對微波通道的控制可以測量高度表以下性能:

1) 發(fā)射機發(fā)射的微波信號經(jīng)過固定衰減器、定向耦合器和檢波器后,可以用示波器檢測到發(fā)射機發(fā)射的脈沖包絡(luò),定性判斷發(fā)射功率、發(fā)射通頻帶是否符合指標。

2) 通過對微波開關(guān)的控制,可以模擬不同的高度狀態(tài),再通過控制衰減器,可以檢測接收機在各個高度下的靈敏度。

圖4 聯(lián)合調(diào)試設(shè)備組成與連接關(guān)系示意圖

圖5 改裝后高度表輸出特性曲線

改裝后高度表輸出特性曲線和靈敏度特性曲線如圖分別如圖5、圖6所示?？芍难b改裝后該型高度表接收靈敏度提高了約10dB,且輸出線性度良好,能夠滿足導(dǎo)彈高彈道機動要求。

圖6 改裝后高度表靈敏度特性曲線

6 結(jié)語

本文通過彈載高度表工作原理及決定彈載高度表測高能力的主要因素的論證分析,提出了拓展高度表測高能力的基本方法和實現(xiàn)途徑,結(jié)合工程實踐完成了量程拓展型高度表控制環(huán)節(jié)的改裝設(shè)計以及接收機通頻帶、鑒頻特性等關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)整與優(yōu)化。單元測試和聯(lián)合測試結(jié)果表明,該方法達到了量程拓展的效果,為無線電測量裝備的性能提升提供了一種新思路。該方法進入實用階段還需經(jīng)過帶飛試驗,進一步確定其環(huán)境適用性。

[1] 柳愛利,王新龍,濾波方法在反艦導(dǎo)彈高度測量系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].艦船電子工程,2011,31(10):142-145.

[2] 張馳,史震,丁軍輝.飛航導(dǎo)彈動態(tài)性能檢測技術(shù)的研究與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制,2009,17(4):699-702.

[3] 潘榮霖.飛航式導(dǎo)彈測高裝置與伺服機構(gòu)[M].北京:宇航出版社,1993.

[4] 丁鷺飛.雷達原理[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[5] Kerr D E. Propagation of short radio waves[M]. New MeGraw-Hill,1951.

[6] 張明友.雷達系統(tǒng)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[7] 李瀚蓀.電路分析基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2010.

[8] 周學(xué)軍.基于MATLAB的模擬濾波器設(shè)計與仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,33(8):62-64.

[9] 李淑華.某機載短波電臺干擾無線電高度表的行為級仿真及分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010(9):14-17.

Expanding Method of Measurement Performance of Radio Altimeter

DU Jiang CHEN Tao FU Jinglai

(No. 91851 Troops of PLA, Huludao 125001)

The performance of altimeter decides the control qauality of missile portrait trajectory, and influences the veracity of flight altitude and the flight safe. This dissertation elaborates main factors determining measure performance, and proposes the methods and realization way advancing the measure performance. Based on the engineering practice, we refits and designs some altimeter’s control sectors and adapts and optimizes the critical parameters such as receiver pass-band and characteristics of frequency-detecting. It is shown this methods can double the altitude measure range increasing the equipment’s use value, and fulfils the need of enhancement of the trajectory feature.

radio altimeter, enhancement of measurement range, active band-pass filter, frequency-detecter

2014年9月3日,

2014年10月27日

杜江,男,碩士,高級工程師,研究方向:電磁場與微波技術(shù)。陳濤,男,碩士,工程師,研究方向:控制理論與控制工程。付京來,男,碩士,工程師,研究方向:自動化測試系統(tǒng)。

TN958

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.020