彈目相對運動特性加載技術框架初探*

(92941部隊93分隊 葫蘆島 125000)

彈目相對運動特性加載技術框架初探*

何洋馮楠

(92941部隊93分隊 葫蘆島 125000)

目前在靶場如何開展導引頭抗干擾內外場聯合試驗已經成為急需解決的課題,其中彈目相對運動加載技術是制約該課題發展的瓶頸。針對這個問題,研究了彈目相對運動特性加載技術,提出了彈目相對運動加載方案。目標模擬器產生的模擬目標與導引頭在俯仰和方位上角度的相對運動,采用X-Y軸掃描器的方式來實現,模擬目標與導引頭在距離上的相對運動采用距離拖引,外加多普勒頻移的方式來實現。并介紹了一種目標模擬器的實現方法,上述探討的方法對靶場進行彈目相對運動特性加載工作具有一定的指導意義。

彈目相對運動;抗干擾;X-Y軸掃描器;目標模擬器

ClassNumberTN973

1 引言

目前導引頭的仿真試驗大多屬于純數字仿真試驗,對于目標海背景環境一般通過目標模擬器的海雜波模擬來實現,但模擬出來的海雜波不夠真實,很難滿足試驗結論的置信度水平,并且每進行一次彈載導引頭飛行試驗將耗費大量的資源和經費,嚴重加大了導引頭的研制時間和費用。所以需要在靶場建設一個內外場聯合試驗平臺,可以實現用真的導引頭模擬進行飛行試驗[1],敏感真實海背景下的模擬目標或真實目標,并能將試驗數據實時傳回到內場實驗室進行處理。其中為解決導彈的模擬飛行及導引頭與模擬目標的相對運動,彈目相對運動特性加載技術成為該試驗平臺的一項關鍵技術。國防科技大學已成熟掌握了該關鍵技術,成功設計出彈目相對運動特性加載系統并應用于各項仿真試驗中,本文在學習國防科技大學的設計基礎上,研究分析如何在靶場實現彈目相對運動特性加載。

2 彈目相對運動特性加載方案

彈目相對運動特性加載通過以下兩個方面共同來實現:

1)通過三軸轉臺來模擬導引頭載體(導彈)的飛行姿態;

2)通過導引頭與目標模擬器之間的相對運動,來模擬導彈的飛行和彈目的相對運動:

(1)目標模擬器產生的模擬目標與導引頭在縱向(俯仰)和橫向(方位)上角度的相對運動,采用X-Y軸掃描器的方式來實現。

(2)目標模擬器產生的模擬目標與導引頭在距離上的相對運動采用距離拖引,外加多普勒頻移的方式來實現。

3 彈目相對運動特性加載系統

3.1 系統設計原理

圖1為彈目相對運動特性加載系統的主要框架,現對此框架進行分析。

圖1 彈目相對運動特性加載系統框架

該系統在真實海背景下放置于導引頭正前方,目標模擬器通過自身的收發共用天線接收導引頭的發射信號,從中提取載波信號并將此載波信號作為回波信號的載波,進行相關的信號處理后產生假目標回波信號。最后通過收發共用天線將目標回波信號發射給導引頭,此過程中可在時域上通過有規律地改變目標回波信號的延遲時間(即距離拖引),并在頻域上外加多普勒頻率來實現假目標與導引頭距離上的相對運動。X-Y軸掃描器中X軸導軌與Y軸導軌呈十字型放置,支撐柱固定于地面,X軸導軌大約8m長固定于支撐柱上,Y軸導軌大約2m長,置于X軸導軌的軌道上并通過伺服控制系統實現橫向(方位)的左右快速移動,角速度ωx≥2°/s;目標模擬器的收發共用天線置于Y軸導軌的軌道上并通過伺服控制系統實現縱向(俯仰)的上下快速移動,ωy≥2°/s。以此來實現導彈的模擬飛行和彈目在角度上的相對運動。

3.2 X-Y軸掃描器放置位置

X-Y軸掃描器與導引頭之間的距離取決于以下兩個因素:

1)導引頭方位跟蹤范圍的最大角度θ;

2)掃描器X軸的長度。

X-Y軸掃描器與導引頭之間的位置關系如圖2所示,距離L的計算公式如式(1)所示。

圖2 掃描器與導引頭之間的位置關系

(1)

式中:LX為X軸導軌全長的二分之一;θ為導引頭方位跟蹤范圍的最大角度;L為X-Y軸掃描器與導引頭之間的距離。

4 目標模擬器

目標模擬器的主要功能是產生一個包含目標特征信息的回波信號,并且能夠對回波信號的延遲時間、功率幅度[2]和頻率進行實時控制,以此來模擬真實環境中雷達導引頭所接收到的目標的回波信號。模擬器能夠實現的幾個具體功能是[3]:

1)模擬彈目相對速度的變化;

2)模擬目標距離的變化;

3)模擬目標回波功率的變化;

4)模擬目標角度信息[4]的變化。

4.1 彈目距離上的相對運動

導引頭與模擬目標之間的距離可通過導引頭雷達發射和接收波形之間的延遲時間來計算,計算公式如式(2)所示:

(2)

式中:c為光速;tR為目標模擬器每次發射回波信號的延遲時間。

可通過有規律地改變目標模擬器每次發射回波信號的延遲時間來實現距離上的變化即距離拖引,從而達到彈目距離上相對運動的目的,這個距離上的變化量計算公式如式(3)所示:

(3)

式中:ΔR為距離變化量;ΔtR為目標模擬器前后兩次回波脈沖延遲時間的變化量。

4.2 多普勒頻移

在實際中彈目在距離上的相對運動會產生多普勒效應,所以目標模擬器發射假回波的發射頻率必須加上這個多普勒頻移,才能貼近實際情況。此過程的數學表達式如式(4)所示,取“加”號時表示模擬目標在靠近導引頭;取“減”號時表示模擬目標在遠離導引頭。

f目=f導±fd

(4)

式中:f目為目標模擬器的發射頻率;f導為導引頭發射機發射頻率;fd為多普勒頻率:

(5)

式中:vr為導引頭與模擬目標之間距離上的徑向速度;λ為導引頭發射信號的載波波長。

4.3 目標模擬器的具體實現

雷達目標回波信息可以從載頻信息、速度信息、距離信息、功率信息、干擾信息等五個特征進行模擬。下面簡單介紹一種目標模擬器的實現方法,其整體構成如圖3所示。

圖3 目標模擬器整體框圖

4.3.1 載頻信息實現

導引頭目標模擬器產生的回波信號必須與發射信號保持良好的相干性,這就要求系統首先能夠從發射信號中準確地提取載波信號,并將此載波信號作為回波信號的載波,為此,系統采用鎖相環路設計。

1)鎖相接收機前端配置有AGC(自動增益控制)模塊,有效防止功率漂移對頻率標定的影響,用于抑制接收信號電平的波動,為后級電路提一個比較穩定的電平,保證了系統內信號的穩定性。

2)鎖相環(PLL)可以實現對中頻信號頻率的自動跟蹤,并將其作為參考信號控制環路內部振蕩信號的頻率和相位,此設計可以使系統內信號頻率和導引頭發射頻率保持一致。

3)主控電路通過控制電壓改變壓控振蕩器(VCO)中電容的電容量,進而改變振蕩回路諧振頻率。壓控振蕩器一般具有極高的諧波抑制比和極低的信號雜散,產生的回波信號具備純凈的頻譜特性,信號諧波與雜散一般小于-80dB。

4)頻率標定部分是鎖相環路設計的重點。它接收中頻信號,測量該信號載波頻率,根據測量結果確定反饋調整量,通過串口調節頻率合成信號源輸出頻率。頻率標定部分標定的頻率精度,將影響鎖相接收機最終能否鎖定。

4.3.2 速度信息實現

對目標信號的多普勒頻率及其變化進行模擬時,不僅要保證頻率的靈活變化還要保證其變化過程中相位連續性。在實際工程中,常常用直接數字式頻率綜合器(DDS)來產生目標回波信號的多普勒頻率,它所產生的回波信號的多普勒頻率的穩定度好、相位噪聲小而且精度很高,能夠完全滿足多普勒頻率模擬的需要。DDS基本原理如圖4所示。

圖4 DDS原理圖

圖4中,相位累加器的作用是在系統時鐘的控制下,把瞬時頻率和相位的增量進行累加;然后,通過查詢波形存儲器ROM構成的正弦查找表,把由相位累加器輸出的相位值轉化成數字化輸出的正弦波形幅度數據,再通過D/A變換轉化成模擬信號,形成正弦信號的模擬輸出波形。系統選用DDS芯片AD9854,AD9854是AD公司推出的一款高速高性能數字頻率合成器件,內部集成了48Bit頻率累加器、48Bit相位累加器、正余弦波形表、高速、高性能的正交D/A轉換器以及調制和控制電路,能夠在單片上完成頻率調制、相位調制、幅度調制和IQ正交調制等多種功能[5]。在高穩定度時鐘驅動下,能夠計算出的多普勒頻率值與頻率變化率,產生正交雙通道的基帶多普勒信號。參考時鐘選擇100M高穩定度晶振[6]。另外,AD9854的相噪和雜散性能都較高。在模擬動目標徑向加速度時,DDS能夠很好地輸出相位連續的線性調頻信號。

4.3.3 距離信息實現

目標回波的距離信息通過時間延遲來體現,因此,本系統用數字射頻存儲器(DRFM)來模擬目標回波的距離延遲。DRFM在模數、數模變換過程中的信號損耗較小,并且體積小,價格適中;因此,能夠滿足目標模擬信號的質量要求。輸入的射頻信號先下變頻到存儲器工作的基帶工作頻帶上,然后用高速的ADC對它進行采樣,得到由二進制表示的離散量化數據,將這些采樣數據按照控制器的安排存入到存儲器中相應的存儲單元,采集數據的長度受存儲器的存儲容量限制。當原始信號重放時,可按相反的過程進行,控制器按照以前存儲時的順序選擇存儲單元的地址,讀出所需的數據流,再通過DAC轉換成模擬信號,經過適當的濾波便可以獲得原始的基帶信號,然后用與下變頻時同樣的本振上變頻到原來的射頻,從而完成對原始輸入信號的相參復制[7]。DRFM的工作原理如圖5所示。

圖5 DRFM原理圖

4.3.4 DRFM在系統中的應用

系統中主控電路通過控制DRFM[8]中的RAM將接收的中頻信號無失真地拷貝下來,產生的輸出信號除加入時間延時外和輸入信號保持一致。為了保持最終輸出與輸入信號間的高度相參性,在上下變頻后用具有雙端口輸出的直接數字頻率合成器(DDS)進行頻率調制,使輸出的射頻信號最終能夠獲得和原輸入射頻信號具有良好相參性的多普勒頻移參數fd的調制。DRFM輸出信號和DDS的輸出信號進行混頻,產生包含距離延時和多普勒頻移的正交雙通道多普勒信號。輸出信號再經帶通濾波和功率放大進行上變頻,從而達到模擬視頻信息的帶寬。DRFM可用于對復雜寬帶相參雷達信號的存儲轉發,因此對于頻率跳變、脈沖壓縮等復雜的雷達回波信號也是非常有利的。此設計中的關鍵問題是鏡像抑制和載波抑制,抑制比的大小取決于信號正交性的好壞,因此,在兩路正交視頻通道后面都增加有信號調理電路,最終實現的載波抑制比和鏡像抑制比都在35dB以上。

4.3.5 功率信息實現

在仿真試驗前,根據被試品的具體型號來確定雷達發射功率、天線增益。在仿真試驗中,系統中采用動態程控衰減器控制信號幅度來模擬目標功率的變化。

4.3.6 干擾信息實現

實際中很多應用不要求復雜的雜波模型,所以此系統沒有采用增加射頻通道來產生干擾信息,而是采用主控計算機產生干擾序列,儲存在DRFM中的RAM中,再經過DA變換完成。產生干擾信息的數據運算都在DSP上完成,使系統設計更加簡化。

5 結語

為實現靶場導引頭內外場聯合試驗閉合回路,本文針對其中的彈目相對運動特性加載技術進行了框架研究,采用X-Y軸掃描器和目標模擬器距離拖引外加多普勒頻移的方式對彈目相對運動特性進行加載,來模擬導引頭載飛過程中與目標的相對運動,同時介紹了一種目標模擬器的實現方法。該框架對靶場開展彈目相對運動特性加載工作具有一定的指導意義,但詳細的設計方案還需進一步研究。

[1]單家元,孟秀云,丁艷,等.半實物仿真[M].北京:國防工業出版社,2009.

[2]張崇斌,白云.導引頭目標模擬器設計與實現[J].火力與指揮控制,2012,10(37).

[3]陶益凡,唐慧強,黃勛.基于AD9854的信號發生器設計口[J].電子設計,2006,19(22):241-243.

[4]曹玉林,吳嗣亮,李家琪.一種通用PD導引頭目標模擬器的設計[J].軍民兩用技術與產品,2006,23(4).

[5]王江展,白雪.DRFM在機載PD雷達寬帶目標模擬器設計中的應用研究[J].信息化研究,2010,27(12):6-19.

[6]GJB1298-91,通用雷達、指揮儀維修性評審與試驗方法[S].北京:中國標準出版社,1991.

[7]曹玉林,吳嗣亮,李家琪.一種通用PD導引頭目標模擬器的設計[J].軍民兩用技術與產品,2006,23(4).

[8]王江民,白雪.DRFM在機載PD雷達寬帶目標模擬器設計中的應用研究[J].信息化研究,2010,27(2):6-19.

OnPropertyLoadingTechnologyforRelativeMovementofMissileandTarget

HE Yang FENG Nan

(Unit 93, No.92941 Troops of PLA, Huludao 125000)

At present, how to carry out the seeker antijam test inside and outside range has become an important subject, among which the relative movement of missile target is a bottleneck that restricts the subject development. Aiming at this problem, property loading technology for relative movement of missile and target is studied. The relative movement of missile and target plan is proposed. X-Y axis scanner is used to achieve the relative movement in the elevation and azimuth angle. Moreover, distance pull-off and doppler frequency shift are used to realize relative movement in the distance. One target simulator is introduced at last. The discussion shows some guiding significance to the property loading technology for relative movement of missile and target in the range.

relative movement of missile and target, antijam, X-Y axis scanner, target simulator

2013年11月7日,

:2013年12月29日

何洋,男,碩士,助理工程師,研究方向:導彈發射控制。

TN973DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.013