覃 朗,閆曉鵬,代 健

(北京理工大學(xué)機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

0 引言

在引信抗干擾靜動(dòng)態(tài)等效試驗(yàn)方法的研究中,需要明晰模擬過(guò)程中應(yīng)考慮的影響因素,以及各種因素的影響程度,才能對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行合理設(shè)置。為此進(jìn)行引信靜動(dòng)態(tài)干擾信號(hào)響應(yīng)差異性研究,在內(nèi)場(chǎng)構(gòu)造干擾場(chǎng)景以求模擬出真實(shí)的外場(chǎng)動(dòng)態(tài)干擾場(chǎng)景,建立引信靜動(dòng)態(tài)干擾信號(hào)響應(yīng)模型。目前的研究中,引信抗干擾靜動(dòng)態(tài)等效試驗(yàn)方法常常依托經(jīng)驗(yàn),缺乏完整有效的理論支撐。文獻(xiàn)[1—2]通過(guò)對(duì)正弦調(diào)幅干擾信號(hào)進(jìn)行增幅處理的方法得到了引信抗干擾等效試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果,研究結(jié)果表明:在增幅調(diào)幅正弦波干擾信號(hào)作用下,引信檢波信號(hào)具有明顯的增幅特性,能一定程度上模擬出引信動(dòng)態(tài)接近過(guò)程中對(duì)干擾信號(hào)的響應(yīng)變化。但是該等效試驗(yàn)方法過(guò)于簡(jiǎn)單,既沒(méi)有考慮引信與干擾機(jī)的實(shí)際交會(huì)場(chǎng)景,也未能獲得引信靜動(dòng)態(tài)條件下對(duì)干擾信號(hào)的響應(yīng)變化規(guī)律。

調(diào)頻多普勒引信由于具有炸點(diǎn)散布小、定距精度高、抗干擾性能好等優(yōu)點(diǎn),在常規(guī)彈藥中得到廣泛應(yīng)用[3-4]。文獻(xiàn)[5]研究了調(diào)幅干擾對(duì)調(diào)頻多普勒引信作用機(jī)理,研究結(jié)果表明:調(diào)頻多普勒引信抗正弦波調(diào)幅、方波調(diào)幅和三角波調(diào)幅干擾能力相當(dāng);文獻(xiàn)[6]研究了掃頻式干擾對(duì)調(diào)頻多普勒引信作用機(jī)理,研究結(jié)果表明:通過(guò)合理設(shè)置掃頻參數(shù),可以對(duì)諧波定距調(diào)頻多普勒引信進(jìn)行干擾。上述研究結(jié)果對(duì)調(diào)頻多普勒引信靜動(dòng)態(tài)抗干擾試驗(yàn)場(chǎng)景的構(gòu)造提供了依據(jù),但相關(guān)研究均沒(méi)有充分考慮引信靜動(dòng)態(tài)干擾信號(hào)響應(yīng)差異性的問(wèn)題。

本文基于推板試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)引信低速運(yùn)動(dòng)來(lái)構(gòu)建引信靜態(tài)抗干擾試驗(yàn)場(chǎng)景,設(shè)定122 mm 9M22U火箭彈引信受干擾的實(shí)際場(chǎng)景來(lái)構(gòu)造引信動(dòng)態(tài)抗干擾試驗(yàn)場(chǎng)景,并分析對(duì)地調(diào)頻多普勒引信靜動(dòng)態(tài)條件下對(duì)干擾信號(hào)的響應(yīng)規(guī)律,進(jìn)行引信靜動(dòng)態(tài)干擾信號(hào)響應(yīng)差異性研究,為引信抗干擾靜動(dòng)態(tài)等效試驗(yàn)方法的建立提供技術(shù)支撐。

1 調(diào)頻引信對(duì)典型干擾信號(hào)響應(yīng)特性

典型諧波定距對(duì)地調(diào)頻多普勒無(wú)線電引信的工作原理如圖1所示。圖中m為引信諧波次數(shù),fm為引信調(diào)制信號(hào)頻率,fd為引信回波信號(hào)多普勒頻率。系統(tǒng)工作過(guò)程為:經(jīng)過(guò)三角波線性頻率調(diào)制的發(fā)射信號(hào)遇到目標(biāo)反射后由收發(fā)共用天線接收,回波信號(hào)與參考調(diào)頻信號(hào)混頻后輸出包含目標(biāo)距離信息的差頻信號(hào);差頻信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器,濾出包含第m次諧波的中頻信號(hào),然后與預(yù)定頻率為mfm的參考信號(hào)進(jìn)行2次混頻和多普勒濾波;輸出的多普勒信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)識(shí)別與邏輯判斷后輸出起爆信號(hào)。

圖1 調(diào)頻多普勒無(wú)線電引信原理框圖

以掃頻干擾信號(hào)為例,干擾機(jī)在對(duì)引信進(jìn)行干擾時(shí),掃頻帶寬通常覆蓋引信的工作頻帶,掃頻信號(hào)的載頻會(huì)在一定頻率范圍內(nèi)按一定規(guī)律來(lái)回?cái)[動(dòng)。設(shè)干擾機(jī)的掃頻起始頻率為fj0,掃頻終止頻率為fjN,掃頻步長(zhǎng)為Δfj,第n個(gè)掃頻點(diǎn)的干擾信號(hào)載頻為fjn,掃頻總點(diǎn)數(shù)為N+1。則

fjn=fj0+nΔfj,n=0,1,…,N。

(1)

因?yàn)楦蓴_機(jī)所發(fā)射的掃頻干擾信號(hào)的載頻是離散變化的,所以引信接收到的干擾信號(hào)表達(dá)式是一個(gè)分段函數(shù),可以將其寫(xiě)成與門(mén)函數(shù)相乘的形式。引信所接收到的掃頻式干擾信號(hào)可表示為

Sj(t)=[Aj+f(t)]cos(2πfjnt+φjn)gn(t),(n=0,1,…),

(2)

以正弦波調(diào)幅掃頻干擾信號(hào)為例。掃頻式干擾信號(hào)被引信接收后,經(jīng)過(guò)兩次混頻后,對(duì)應(yīng)的多普勒濾波器輸出檢波信號(hào)為[6]

(3)

式(3)中,am是引信發(fā)射信號(hào)的傅里葉系數(shù),A表示引信發(fā)射信號(hào)幅度,AjM為干擾調(diào)制信號(hào)幅值,fΔ=fj0-fc為初始頻率差,m表示引信發(fā)射信號(hào)的諧波次數(shù),m0為諧波定距調(diào)頻多普勒引信所選取的定距諧波次數(shù)。

2 引信靜動(dòng)態(tài)干擾信號(hào)響應(yīng)差異性

由引信運(yùn)動(dòng)引起的瞬時(shí)頻率調(diào)制:

(4)

式(4)中,fjd是干擾信號(hào)到達(dá)引信接收機(jī)處多普勒頻率,θ是彈-干擾機(jī)連線與彈-目連線的夾角,λ是引信工作波長(zhǎng)。

由引信和干擾機(jī)之間距離和方向系數(shù)變化引起的瞬時(shí)幅度調(diào)制[1-2]:

(5)

式(5)中,k為混頻系數(shù),λ為引信工作波長(zhǎng),D(θ,φ)為引信天線方向性系數(shù),Dj(θ,φ)為干擾機(jī)天線方向性系數(shù),φ為方位角(彈目連線與彈-干擾機(jī)連線夾角),H為引信-干擾機(jī)距離。

可以看出由式(4)、式(5)得到的多普勒信號(hào)的幅度和頻率參量包含了引信與目標(biāo)之間的距離(或者高度)、引信與干擾機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、引信的相對(duì)方向系數(shù)(天線方向系數(shù)和干擾機(jī)方向系數(shù))等信息。因此,引信內(nèi)場(chǎng)靜態(tài)對(duì)干擾信號(hào)的響應(yīng)和外場(chǎng)動(dòng)態(tài)對(duì)干擾信號(hào)響應(yīng)必然會(huì)形成顯著差異。而距離和速度是由運(yùn)動(dòng)彈道確定的,天線相對(duì)方向系數(shù)則是由運(yùn)動(dòng)彈道和對(duì)抗雙方的天線特性共同確定的。對(duì)于運(yùn)動(dòng)彈道,典型場(chǎng)景下的彈道模型是確定的。對(duì)于天線特性,引信和干擾機(jī)確定,其相對(duì)的方向圖特性也是確定的。以S波段為例,該波段的調(diào)頻多普勒無(wú)線電引信常采用矩形微帶天線,而在該頻段干擾機(jī)多采用喇叭天線[7]。

基于此,本文首先結(jié)合典型122 mm 9M22U火箭彈末彈道模型構(gòu)造動(dòng)態(tài)干擾場(chǎng)景,再構(gòu)造經(jīng)過(guò)等效縮比的靜態(tài)干擾場(chǎng)景,隨后建立引信和干擾機(jī)作用模型。接著通過(guò)插值的方法,將引信動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下得到的受距離變化調(diào)制和方向圖相對(duì)增益變化調(diào)制的檢波信號(hào)進(jìn)行擬合,仿真得到引信動(dòng)態(tài)條件下對(duì)干擾信號(hào)響應(yīng)曲線。此外,根據(jù)距離與功率衰減關(guān)系進(jìn)行縮比,設(shè)置靜態(tài)場(chǎng)景等效干擾信號(hào)功率實(shí)測(cè)得到靜態(tài)條件下引信對(duì)干擾信號(hào)的響應(yīng)曲線。最后,將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,可定量得到引信靜動(dòng)態(tài)干擾信號(hào)響應(yīng)差異性。具體流程如圖2所示。

圖2 引信靜動(dòng)態(tài)干擾信號(hào)響應(yīng)差異性分析流程圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證分析

3.1 引信動(dòng)態(tài)場(chǎng)景干擾信號(hào)響應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)

建立引信動(dòng)態(tài)干擾場(chǎng)景如圖3所示。其中彈道軌跡仿真距離設(shè)為末端1 000 m,干擾機(jī)方位設(shè)為垂直于彈-目平面距離炮彈落地區(qū)100 m的位置,干擾中心設(shè)為在x上投影坐標(biāo)原點(diǎn)800 m左右的位置。以下所有仿真結(jié)果水平距離均表示距離彈道起點(diǎn)的橫向距離(在圖3中x軸上投影距離)。

圖3 引信動(dòng)態(tài)干擾場(chǎng)景示意圖

典型122 mm 9M22U火箭彈在發(fā)射狀態(tài)的仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示[8],結(jié)合彈道學(xué)典型場(chǎng)景進(jìn)行仿真,末彈道仿真結(jié)果如圖4—圖6所示。

表1 典型火箭彈發(fā)射參數(shù)

圖4 火箭彈飛行軌跡示意圖

圖5 落角變化示意圖

圖6 速度變化示意圖

由以上仿真數(shù)據(jù)處理結(jié)果可知,火箭彈末彈道飛行軌跡近似為勻速直線運(yùn)動(dòng),速度傾角會(huì)有小幅度擺動(dòng),其速度呈增大的趨勢(shì)。這符合實(shí)際發(fā)射時(shí)122 mm 9M22U火箭彈的變化趨勢(shì)[9]。

在建立調(diào)頻多普勒引信和干擾信號(hào)模型時(shí),引信和干擾信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置如表2—表3所示[10]。根據(jù)圖3所示干擾機(jī)與引信對(duì)抗場(chǎng)景,參照SPR-2干擾系統(tǒng)的相關(guān)性能指標(biāo),干擾機(jī)的有效輻射功率設(shè)置為50 dBm[11-12]。

表2 引信參數(shù)

表3 干擾機(jī)參數(shù)

引信、干擾機(jī)模型如圖7—圖8所示。

圖7 三角波調(diào)頻多普勒引信模型

圖8 正弦波調(diào)幅掃頻式干擾模型

由圖3的布設(shè)可以看到,在火箭彈穿越干擾區(qū)域時(shí)引信具有受干擾機(jī)天線旁瓣作用到主瓣作用的過(guò)程。引信微帶天線和干擾機(jī)用喇叭天線的三維天線方向圖如圖9—圖10所示。圖10喇叭天線波瓣寬度在50°左右,這符合實(shí)際使用需求[13]。

圖9 引信微帶天線三維方向圖

圖10 干擾喇叭天線三維方向圖

結(jié)合圖5—圖6的火箭彈引信落角、速度與距離關(guān)系,可得到特定距離下的天線方向系數(shù),并通過(guò)插值的方法,在建立的引信和干擾機(jī)作用模型的基礎(chǔ)上,擬合出了引信動(dòng)態(tài)條件下對(duì)干擾信號(hào)響應(yīng)曲線,結(jié)果如圖11所示[14-15]?？梢钥吹絼?dòng)態(tài)干擾場(chǎng)景下,在距離坐標(biāo)原點(diǎn)600 m之內(nèi)引信響應(yīng)的干擾信號(hào)較小,但在600 m距離之外的響應(yīng)信號(hào)會(huì)急劇增加。形成該結(jié)果的原因有兩點(diǎn):一是引信在初始運(yùn)動(dòng)階段和干擾機(jī)旁瓣相對(duì),此時(shí)方向系數(shù)對(duì)引信輸出的檢波信號(hào)幅度存在較大影響;二是依據(jù)雷達(dá)方程,引信響應(yīng)信號(hào)幅度隨距離的增加是指數(shù)級(jí)衰減的。

圖11 引信動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下干擾信號(hào)響應(yīng)輸出

3.2 引信靜態(tài)場(chǎng)景干擾信號(hào)響應(yīng)試驗(yàn)

在引信對(duì)干擾信號(hào)的靜態(tài)響應(yīng)研究中,為了更直觀地對(duì)比引信靜動(dòng)態(tài)干擾信號(hào)響應(yīng)差異性,目標(biāo)與引信移動(dòng)距離范圍取10 m,速度取4 m/s,這樣得到的引信靜動(dòng)態(tài)干擾信號(hào)響應(yīng)時(shí)間幾乎一樣。利用距離與功率衰減關(guān)系進(jìn)行干擾功率設(shè)置,靜態(tài)干擾場(chǎng)景示意圖如圖12所示。

圖12 引信靜態(tài)干擾場(chǎng)景示意圖

采集測(cè)試結(jié)果,在靜態(tài)干擾場(chǎng)景下引信響應(yīng)干擾信號(hào)時(shí)檢波輸出信號(hào)隨距離變化的結(jié)果如圖13所示,可以看到靜態(tài)干擾場(chǎng)景下的輸出基本是均勻增大的。

圖13 靜態(tài)干擾場(chǎng)景下引信輸出檢波信號(hào)

為了更直觀地體現(xiàn)差異性,將靜動(dòng)態(tài)干擾場(chǎng)景下引信響應(yīng)干擾信號(hào)的檢波輸出放在同一時(shí)間維度進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖14所示。檢波包絡(luò)1、2表示在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)干擾場(chǎng)景下引信響應(yīng)干擾信號(hào)的輸出變化情況。

圖14 靜動(dòng)態(tài)干擾場(chǎng)景下引信輸出檢波信號(hào)包絡(luò)

可見(jiàn),在典型122 mm 9M22U火箭彈末端運(yùn)動(dòng)的速度范圍內(nèi)(390～405 m/s),引信在未進(jìn)入干擾機(jī)天線主瓣干擾范圍時(shí)(運(yùn)動(dòng)的前1.5 s,距離目標(biāo)水平距離400～1 000 m范圍內(nèi)),得到的動(dòng)態(tài)干擾信號(hào)響應(yīng)檢波包絡(luò)幅度比靜態(tài)干擾信號(hào)的小1～2個(gè)數(shù)量級(jí);而在進(jìn)入干擾機(jī)天線主瓣干擾范圍時(shí)(運(yùn)動(dòng)的1.5～2.5 s,距離目標(biāo)水平距離0～400 m范圍內(nèi)),得到的動(dòng)態(tài)干擾信號(hào)響應(yīng)檢波包絡(luò)幅度和靜態(tài)干擾信號(hào)在同一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此,在進(jìn)行引信靜態(tài)抗干擾試驗(yàn)場(chǎng)景構(gòu)建時(shí)應(yīng)對(duì)干擾環(huán)境信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的幅度補(bǔ)償,以逼真的模擬引信動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下對(duì)干擾信號(hào)的響應(yīng)過(guò)程。

4 結(jié)論

本文開(kāi)展了引信抗干擾靜動(dòng)態(tài)等效試驗(yàn)中的干擾信號(hào)響應(yīng)差異性研究,分析了造成引信靜動(dòng)態(tài)干擾信號(hào)響應(yīng)差異的主要影響因素,獲得了各種影響因素在末彈道不同彈道區(qū)間對(duì)干擾信號(hào)響應(yīng)的影響程度。本文的研究結(jié)果為構(gòu)造不同場(chǎng)景下的引信抗干擾靜動(dòng)態(tài)等效試驗(yàn)方法提供了技術(shù)支撐。實(shí)際情況下還會(huì)有許多需要進(jìn)一步考慮的影響因素,例如干擾機(jī)布設(shè)方式、天線極化特性等對(duì)引信靜動(dòng)態(tài)干擾信號(hào)響應(yīng)的差異性影響,后續(xù)將對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行深入的研究。