調(diào)頻多普勒引信靜動態(tài)干擾信號響應(yīng)差異性研究

覃 朗,閆曉鵬,代 健

(北京理工大學(xué)機電動態(tài)控制重點實驗室,北京 100081)

0 引言

在引信抗干擾靜動態(tài)等效試驗方法的研究中,需要明晰模擬過程中應(yīng)考慮的影響因素,以及各種因素的影響程度,才能對干擾信號進行合理設(shè)置。為此進行引信靜動態(tài)干擾信號響應(yīng)差異性研究,在內(nèi)場構(gòu)造干擾場景以求模擬出真實的外場動態(tài)干擾場景,建立引信靜動態(tài)干擾信號響應(yīng)模型。目前的研究中,引信抗干擾靜動態(tài)等效試驗方法常常依托經(jīng)驗,缺乏完整有效的理論支撐。文獻[1—2]通過對正弦調(diào)幅干擾信號進行增幅處理的方法得到了引信抗干擾等效試驗實測結(jié)果,研究結(jié)果表明:在增幅調(diào)幅正弦波干擾信號作用下,引信檢波信號具有明顯的增幅特性,能一定程度上模擬出引信動態(tài)接近過程中對干擾信號的響應(yīng)變化。但是該等效試驗方法過于簡單,既沒有考慮引信與干擾機的實際交會場景,也未能獲得引信靜動態(tài)條件下對干擾信號的響應(yīng)變化規(guī)律。

調(diào)頻多普勒引信由于具有炸點散布小、定距精度高、抗干擾性能好等優(yōu)點,在常規(guī)彈藥中得到廣泛應(yīng)用[3-4]。文獻[5]研究了調(diào)幅干擾對調(diào)頻多普勒引信作用機理,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[6]研究了掃頻式干擾對調(diào)頻多普勒引信作用機理,研究結(jié)果表明:通過合理設(shè)置掃頻參數(shù),可以對諧波定距調(diào)頻多普勒引信進行干擾。上述研究結(jié)果對調(diào)頻多普勒引信靜動態(tài)抗干擾試驗場景的構(gòu)造提供了依據(jù),但相關(guān)研究均沒有充分考慮引信靜動態(tài)干擾信號響應(yīng)差異性的問題。

本文基于推板試驗實現(xiàn)引信低速運動來構(gòu)建引信靜態(tài)抗干擾試驗場景,設(shè)定122 mm 9M22U火箭彈引信受干擾的實際場景來構(gòu)造引信動態(tài)抗干擾試驗場景,并分析對地調(diào)頻多普勒引信靜動態(tài)條件下對干擾信號的響應(yīng)規(guī)律,進行引信靜動態(tài)干擾信號響應(yīng)差異性研究,為引信抗干擾靜動態(tài)等效試驗方法的建立提供技術(shù)支撐。

1 調(diào)頻引信對典型干擾信號響應(yīng)特性

典型諧波定距對地調(diào)頻多普勒無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)制信號頻率,fd為引信回波信號多普勒頻率。系統(tǒng)工作過程為:經(jīng)過三角波線性頻率調(diào)制的發(fā)射信號遇到目標(biāo)反射后由收發(fā)共用天線接收,回波信號與參考調(diào)頻信號混頻后輸出包含目標(biāo)距離信息的差頻信號;差頻信號經(jīng)過帶通濾波器,濾出包含第m次諧波的中頻信號,然后與預(yù)定頻率為mfm的參考信號進行2次混頻和多普勒濾波;輸出的多普勒信號經(jīng)過信號識別與邏輯判斷后輸出起爆信號。

圖1 調(diào)頻多普勒無線電引信原理框圖

以掃頻干擾信號為例,干擾機在對引信進行干擾時,掃頻帶寬通常覆蓋引信的工作頻帶,掃頻信號的載頻會在一定頻率范圍內(nèi)按一定規(guī)律來回擺動。設(shè)干擾機的掃頻起始頻率為fj0,掃頻終止頻率為fjN,掃頻步長為Δfj,第n個掃頻點的干擾信號載頻為fjn,掃頻總點數(shù)為N+1。則

fjn=fj0+nΔfj,n=0,1,…,N。

(1)

因為干擾機所發(fā)射的掃頻干擾信號的載頻是離散變化的,所以引信接收到的干擾信號表達(dá)式是一個分段函數(shù),可以將其寫成與門函數(shù)相乘的形式。引信所接收到的掃頻式干擾信號可表示為

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

(2)

以正弦波調(diào)幅掃頻干擾信號為例。掃頻式干擾信號被引信接收后,經(jīng)過兩次混頻后,對應(yīng)的多普勒濾波器輸出檢波信號為[6]

(3)

式(3)中,am是引信發(fā)射信號的傅里葉系數(shù),A表示引信發(fā)射信號幅度,AjM為干擾調(diào)制信號幅值,fΔ=fj0-fc為初始頻率差,m表示引信發(fā)射信號的諧波次數(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 引信靜動態(tài)干擾信號響應(yīng)差異性

由引信運動引起的瞬時頻率調(diào)制:

(4)

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

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

(5)

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

可以看出由式(4)、式(5)得到的多普勒信號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)、引信與干擾機的相對運動速度、引信的相對方向系數(shù)(天線方向系數(shù)和干擾機方向系數(shù))等信息。因此,引信內(nèi)場靜態(tài)對干擾信號的響應(yīng)和外場動態(tài)對干擾信號響應(yīng)必然會形成顯著差異。而距離和速度是由運動彈道確定的,天線相對方向系數(shù)則是由運動彈道和對抗雙方的天線特性共同確定的。對于運動彈道,典型場景下的彈道模型是確定的。對于天線特性,引信和干擾機確定,其相對的方向圖特性也是確定的。以S波段為例,該波段的調(diào)頻多普勒無線電引信常采用矩形微帶天線,而在該頻段干擾機多采用喇叭天線[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)造動態(tài)干擾場景,再構(gòu)造經(jīng)過等效縮比的靜態(tài)干擾場景,隨后建立引信和干擾機作用模型。接著通過插值的方法,將引信動態(tài)場景下得到的受距離變化調(diào)制和方向圖相對增益變化調(diào)制的檢波信號進行擬合,仿真得到引信動態(tài)條件下對干擾信號響應(yīng)曲線。此外,根據(jù)距離與功率衰減關(guān)系進行縮比,設(shè)置靜態(tài)場景等效干擾信號功率實測得到靜態(tài)條件下引信對干擾信號的響應(yīng)曲線。最后,將結(jié)果進行對比,可定量得到引信靜動態(tài)干擾信號響應(yīng)差異性。具體流程如圖2所示。

圖2 引信靜動態(tài)干擾信號響應(yīng)差異性分析流程圖

3 試驗驗證分析

3.1 引信動態(tài)場景干擾信號響應(yīng)仿真實驗

建立引信動態(tài)干擾場景如圖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的橫向距離(在圖3中x軸上投影距離)。

圖3 引信動態(tài)干擾場景示意圖

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)典型場景進行仿真,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動,速度傾角會有小幅度擺動,其速度呈增大的趨勢。這符合實際發(fā)射時122 mm 9M22U火箭彈的變化趨勢[9]。

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

表2 引信參數(shù)

表3 干擾機參數(shù)

引信、干擾機模型如圖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)域時引信具有受干擾機天線旁瓣作用到主瓣作用的過程。引信微帶天線和干擾機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),并通過插值的方法,在建立的引信和干擾機作用模型的基礎(chǔ)上,擬合出了引信動態(tài)條件下對干擾信號響應(yīng)曲線,結(jié)果如圖11所示[14-15]?？梢钥吹絼討B(tài)干擾場景下,在距離坐標(biāo)原點600 m之內(nèi)引信響應(yīng)的干擾信號較小,但在600 m距離之外的響應(yīng)信號會急劇增加。形成該結(jié)果的原因有兩點:一是引信在初始運動階段和干擾機旁瓣相對,此時方向系數(shù)對引信輸出的檢波信號幅度存在較大影響;二是依據(jù)雷達(dá)方程,引信響應(yīng)信號幅度隨距離的增加是指數(shù)級衰減的。

圖11 引信動態(tài)場景下干擾信號響應(yīng)輸出

3.2 引信靜態(tài)場景干擾信號響應(yīng)試驗

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

圖12 引信靜態(tài)干擾場景示意圖

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

圖13 靜態(tài)干擾場景下引信輸出檢波信號

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

圖14 靜動態(tài)干擾場景下引信輸出檢波信號包絡(luò)

可見,在典型122 mm 9M22U火箭彈末端運動的速度范圍內(nèi)(390～405 m/s),引信在未進入干擾機天線主瓣干擾范圍時(運動的前1.5 s,距離目標(biāo)水平距離400～1 000 m范圍內(nèi)),得到的動態(tài)干擾信號響應(yīng)檢波包絡(luò)幅度比靜態(tài)干擾信號的小1～2個數(shù)量級;而在進入干擾機天線主瓣干擾范圍時(運動的1.5～2.5 s,距離目標(biāo)水平距離0～400 m范圍內(nèi)),得到的動態(tài)干擾信號響應(yīng)檢波包絡(luò)幅度和靜態(tài)干擾信號在同一個數(shù)量級。因此,在進行引信靜態(tài)抗干擾試驗場景構(gòu)建時應(yīng)對干擾環(huán)境信號進行相應(yīng)的幅度補償,以逼真的模擬引信動態(tài)場景下對干擾信號的響應(yīng)過程。

4 結(jié)論

本文開展了引信抗干擾靜動態(tài)等效試驗中的干擾信號響應(yīng)差異性研究,分析了造成引信靜動態(tài)干擾信號響應(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)間對干擾信號響應(yīng)的影響程度。本文的研究結(jié)果為構(gòu)造不同場景下的引信抗干擾靜動態(tài)等效試驗方法提供了技術(shù)支撐。實際情況下還會有許多需要進一步考慮的影響因素,例如干擾機布設(shè)方式、天線極化特性等對引信靜動態(tài)干擾信號響應(yīng)的差異性影響,后續(xù)將對相關(guān)問題進行深入的研究。