超低空導彈掠海試驗技術概述

王家鑫, 薛正國, 張元, 姜毅

（1.海軍駐上海地區航天系統軍事代表室,上海 201105；2.上海無線電設備研究所,上海 200090）

超低空導彈掠海試驗技術概述

王家鑫1, 薛正國2, 張元2, 姜毅2

（1.海軍駐上海地區航天系統軍事代表室,上海 201105；2.上海無線電設備研究所,上海 200090）

隨著武器技術的發展,現代戰場交戰雙方的對抗早己由陸地擴展到陸海空天電一體化的多維空間,由于以海環境為背景的戰場環境復雜多變,及低空/超低空突防技術的迅猛發展,使得超低空導彈掠海試驗技術成為武器系統研制中的一項關鍵技術。介紹了三種超低空導彈掠海試驗技術,對其中造波池內模擬彈目交會試驗系統的組成和原理進行了詳細介紹,并列舉了掠海試驗技術的一些成功應用案例。

超低空；海環境；掠海試驗；彈目交會；導彈

0 引言

隨著武器技術的發展,現代戰場交戰雙方的對抗早己由陸地擴展到陸海空天電一體化的多維空間。以海環境為背景的戰場環境不同于自由空間,自由空間中的主要散射回波是目標散射,而在海環境下,電磁散射回波是目標散射、海面散射以及海面與目標多次散射的合成[1],目標散射回波有時完全被淹沒在海雜波信號中,遠比自由空間復雜。此外,隨著低空/超低空突防技術的迅猛發展[2],武器制導與引信系統必須具有探測和抑制海雜波的能力,也使得從海雜波環境中迅速提取目標成為一個挑戰。因此,作為檢驗超低空武器性能的重要手段,超低空導彈掠海試驗技術得到了越來越多的重視。

1 超低空導彈掠海試驗技術

1.1 直升機掛飛試驗

直升機掛飛試驗的主要目的是檢驗超低空引信抗海雜波干擾能力,檢驗引信跟蹤海面和壓縮目標通道接收波門的性能。掛飛試驗采用速度縮比原理,試驗時,直升機攜帶引信產品按照規劃的飛行軌跡自上而下作俯沖飛行,模擬載有引信的導彈攻擊低空目標情況,引信接收到的回波信號由數據采集器進行采集。直升機開始俯沖高度一般不低于500 m,結束俯沖高度不高于10 m,俯沖角為-10°左右,俯沖飛行速度約為30 m/s,圖1為試驗示意圖。直升機掛飛試驗可驗證各階段引信抗模糊距離區內海面回波干擾的能力、超低空海面跟蹤和波門壓縮工作情況。

圖1 直升機掛飛試驗示意圖

1.2 船載掠海飛行試驗

船載掠海飛行試驗系統包括運動船本體、升降軌道、旋轉平臺及運動控制系統、試驗數據采集及處理計算機系統等,如圖2所示。運動船本體一般選用較長的鐵殼散貨船,避免運動過程中船頭上下劇烈運動,船頭距吃水線10 m以上,便于軌道能夠安裝。升降軌道中有兩條圓柱導軌,用于安裝試驗平臺,傳動裝置選用O型一體皮帶齒輪,通過電機齒輪帶動試驗平臺上下運動,掠海角由船行速度和導彈下降速度之比決定。高速旋轉平臺及運動控制系統固定在試驗平臺上,核心是旋轉關節,它是探測器供電、數據交換的樞紐。同時,高速旋轉平臺可以做俯仰動作,模擬飛行中彈體的真實姿態。信號采集處理系統由計算機、路由器、基于LXI總線技術的數據采集器等設備組成。

船載掠海飛行試驗時,將超低空導彈安裝在船頭豎立的升降軌道上快速下降,船舶以一定的速度向前運動,通過控制不同運行速度和探測器下降速度比來調節掠海飛行角度,同時根據需求可以將探測器安裝在旋轉平臺上,通過旋轉關節將信號線和控制線引出,模擬探測器真實飛行過程中的彈旋。在真實海環境下,用船前進速度、引信下落速度以及引信旋轉速度合成探測器的超低空俯沖彈道速度特性,在此準動態超低空俯沖飛行過程中,測試引信以不同的模式、不同俯沖角情況下,超低空波門壓縮以及超低空無雜波虛警高度等性能。

1.3 造波池內模擬彈目交會試驗

直升機掛飛、船載等室外測試費用昂貴,且易受自然條件和時間的限制。隨著實驗室內造波池的興建,在造波池內開展精確可控的模擬彈目交會試驗成為一種新的解決途徑。造波池內模擬彈目交會試驗系統主要由實驗室內海浪模擬系統、交會運動設施、信號采集處理系統和目標裝訂設施等組成,如圖3所示。

實驗室內海浪模擬系統可在造波池模擬不同的海情,包括規則波和不規則海譜；交會運動設施由交會動力裝置、彈體姿態裝訂設備和運動位標裝置組成,用來模擬導彈掠過海面的狀態；信號采集處理系統可完成對信號的分析處理,包括定標處理、靜態散射系數計算、分段式頻譜分析等,獲取海雜波模擬測量數據；目標裝訂設施由目標吊掛裝置（塔吊）、目標姿態控制設備和小目標模擬發射設備組成,目標采用塔吊、低反射尼龍繩完成對目標全脫靶方位的吊裝,小目標模擬發射器可模擬小目標的快速運動,完成彈目同時交會運動。

圖2 船載掠海飛行試驗系統框圖

圖3 造波池內模擬彈目交會試驗系統

2 造波池內模擬彈目交會試驗系統

在造波池內開展模擬彈目交會試驗安全可控且費用較低,可滿足型號研制開展大量試驗的需求,為武器系統提供關鍵參數設計依據和性能指標驗證手段,本文詳細介紹一下造波池內模擬彈目交會試驗系統組成和工作原理。

2.1 實驗室內海浪模擬系統

實驗室內海浪模擬系統原理是通過造波部件的受控機械運動,擾動水體產生波動,生成所需的模擬海浪。整個系統主要由造波池、造波設備和消波裝置等硬件和波浪產生及迭代程序、波浪特征統計分析、波譜分析程序和實驗儀表標定模塊等軟件組成,可模擬1～3級海情的規則波和不規則波。

實驗室內海浪模擬系統硬件核心為造波設備,一般采用液壓伺服搖板式造波機。液壓伺服式搖板造波機實際是一個位移控制系統,如圖4所示,計算機發出指令經伺服放大器、伺服閥、伺服缸以及位移反饋裝置形成一個閉環系統。根據信號的連續變化,油缸帶動搖板連續運動,產生各種類型的波浪[3]。

圖4 液壓伺服系統框圖

實驗室內海浪模擬系統軟件可以控制產生規則波、不規則波和海上實時歷程,并通過浪高儀,瞬時記錄模擬海面高度,作為造波系統的反饋信號。海浪模擬時,造波軟件首先根據需要模擬的海情,由測控計算機選擇對應的海譜,并將輸入的頻域波能譜換算成一個時域隨機序列,以此序列來控制搖板運動。輸入時間序列V（t）和輸出時間序列H（t）的波能譜之間存在以下關系：

式中：SV（ω）為輸入電壓譜；G（iω）為系統傳遞函數；SH（ω）輸出電壓譜。由SV（ω）求得輸入電壓信號的時間序列V（t）,送至電液伺服系統控制造波,由浪高儀將測得的波高參數（電壓信號）經A/D轉換,進行反饋修正,其流程框圖如圖5所示。

圖5 造波軟件流程框圖

2.2 基于LXI總線的分布式測控平臺

在超低空導彈掠海試驗過程中,測試總線在自動測試系統中起著重要的作用,它負責控制指令和測試數據的傳送,相當于中樞神經系統。在自動測試領域,伴隨著計算機技術的滲透與發展,總線技術主要經歷了GPIB、VXI、PXI幾個階段[4]。在超低空導彈掠海試驗中,如圖6所示,基于LXI總線技術,可構成分布式控制系統。

LXI網把單個分散的測量控制設備連接成可以相互溝通、共同完成自動化測控任務的網絡終端,并可提供與遠程局域網的遠程監控、數據處理及存儲服務。

圖6 基于LXI總線的分布式測控平臺結構圖

3 超低空導彈掠海試驗技術的應用

超低空導彈掠海試驗技術主要應用在主動無線電引信、激光引信等超低空性能驗證研究中。

3.1 無線電引信超低空試驗

無線電引信超低空試驗主要包括波門壓縮技術驗證試驗、頻譜識別試驗等。

3.1.1 波門壓縮技術驗證試驗

壓縮引信距離波門即波門壓縮技術,引信波門壓縮示意圖如圖7所示,大圓表示導彈脫靶區,兩個小圓分別表示目標和導彈引信,引信右上方的虛線箭頭表示引信向海面俯沖運動軌跡,r表示目標和引信的距離,h表示引信到海面的距離。

圖7 波門壓縮示意圖

在超低空掠海試驗中,模擬導彈高度的降低,引信中的高度計開始探測到海面,海面回波進入高度計波門且回波能量超過門限后,高度計波門的前沿和引信視頻接收波門的后沿同步向左移動,使海雜波不能進入引信視頻接收波門,從而抑制了海雜波干擾,防止了引信誤爆。超低空導彈掠海試驗現已成為超低空無線電引信研制過程中不可缺少的試驗驗證環節[5]。

3.1.2 頻譜識別試驗

超低空導彈攻擊掠海飛行的反艦導彈時,一般采用迎頭攻擊的方式。在這種情況下,彈目相對速度大于導彈相對于海面的速度,目標回波的多普勒頻率大于海雜波的多普勒頻率,根據目前的頻率分辨技術,可分辨出目標回波和主雜波（進入天線主瓣窄帶的海雜波）。

利用造波池內模擬彈目交會試驗系統,可開展頻譜識別試驗。探測器以海環境為背景與模擬高速小目標作交會運動,采集的海雜波多普勒信號和目標多普勒信號略有不同,如圖8所示,通過頻譜分析可將目標信號從雜波信號中清楚地分辨出來。

圖8 頻譜識別試驗

3.2 激光引信超低空試驗

激光引信可以工作在超低空,且相對無線電引信有其獨特之處,具有方向性好、高亮度、單色性、高相干性等特點。

利用船載掠海飛行試驗系統可以模擬引信在真實海背景下超低空掠海飛行[6],由于探測器前置安裝和自旋轉平臺的使用,使得引信能夠慢速模擬真實戰場環境,考核探測器全通道抗海雜波性能及距離截止特性等指標。

4 結束語

隨著高科技武器系統的發展,低空突防與防御技術要求武器系統具有低空、超低空作戰能力。本文介紹了幾種常用的導彈超低空掠海試驗技術,從模擬環境試驗和真實環境試驗兩方面滿足超低空導彈研制和定型的需求,為導彈的研制提供了試驗服務和技術保障。

[1] K.Y.e.al.Thermal Radiative and Reflective Characteristics of a Wind Roughened Water Surface[J].JOSA,1994,11（6）：1186-1993.

[2] 劉躍龍,張艷.超低空引信技術綜述[J].制導與引信,2010,31（4）：1-7.

[3] 俞聿修.隨機波浪及其工程應用[M].大連：大連理工大學出版社,2003.

[4] 徐昕.LXI總線接口的設計及其在軍用測試系統中的應用[J].計算機與控制,2009,17（10）.

[5] 路明,林濤.無線電引信抗海雜波干擾技術分析[J].探測與控制學報,2007,29（2）.

[6] 張蔭錫,張好軍.激光引信抗環境干擾技術分析[J].制導與引信,2002,23（3）.

A Summary of Skimming Sea Measurement Technologies for Over-low Altitude Missiles

WANG Jia-xin1, XUE Zheng-guo2, ZHANG Yuan2, JIANG Yi2
（1.The Navy of Millitary Representative Office in SAST,Shanghai 201105；2.Shanghai Radio Equipment Research Institute,Shanghai 200090,China）

With the development of weapon technologies,the battlefield confrontation between both sides has been extended from the ground to multidimensional space including the necessary parts of ground,sea,air,sky and electromagnetism.The skimming sea measurement technology for over-low altitude missile has been the key technology on the developing process of weapon systems due to the complexity of battlefield with sea environment as well as the rapid development of over-low altitude and over-low altitude penetration techniques.Three kinds of skimming sea measurements of over-low altitude missiles were introduced in this paper.The setup and mechanism of missile target encounter testing in the wave basin were described in details.Moreover,several examples with successful applications of skimming sea measurements were presented.

over-low altitude；sea environment；missile target encounter；missile

TN011

A

1671-0576（2014）02-0034-05

2014-05-16

王家鑫（1971-）,男,工程師,主要從事武器系統技術的研究。