基于超低空工作的無線電引信建模與仿真*

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基于超低空工作的無線電引信建模與仿真*

時宇若，趙琦，張弫

(北京電子工程總體研究所，北京100854)

摘要：以超低空掠海飛行的導彈為研究背景，給出了引信數學模型，并通過嵌入海雜波數學模型，實現對已有引信仿真系統的完善。仿真結果表明，完善后的引信仿真系統，能夠仿真目標與海面的混合回波，評估引信的超低空性能。

關鍵詞：超低空；無線電引信；信號處理；引信仿真

0引言

未來一段時間，我國主要威脅目標常利用低空和超低空飛行來實施突防。艦空導彈在進行掠海低空超低空飛行時，引信不僅能夠探測到目標的回波信號，也會探測到不需要的海面回波信號。為了能夠準確有效地攔截低空超低空飛行的目標，并防止由于海雜波引起的引信誤爆，這就要求引信具有抵抗強海雜波干擾的能力[1-2]。如何使得引信只對目標可靠起爆，而不會因海面回波信號導致引信的誤啟動，是引戰系統超低空作戰領域研究的熱點問題。

本文對超低空掠海引信的工作過程進行仿真，給出了引信的數學模型，在模型中利用波門自適應調整技術與頻率識別技術相結合的方法，實現在混有背景信息的回波信號中檢測目標。本文將海雜波模型嵌入到已有的仿真平臺系統中，實現海背景下的目標檢測仿真。完善后的引信仿真系統能夠對引信工作的動態過程進行仿真[3-6]。

1引信數學模型

建立引信的數學模型是對引信進行仿真的基礎，引信數學模型的主要內容包括引信的天線模型、發射機與接收機簡化模型、信號處理模型。

1.1天線模型

天線模型用來計算天線增益。天線增益表征的是引信天線在發射探測信號時，輻射能量在方位上的差別，利用引信探測到的目標散射中心與天線坐標系各坐標軸的方位角，對天線增益進行劃分。首先根據目標散射中心與天線坐標系xf軸的夾角θx，得到目標散射中心在天線軸向面內的增益值Ga；然后，根據測得目標散射中心在天線坐標系內的坐標在天線坐標系Oyfzf平面內的投影與天線坐標系yf軸的夾角θy，得到目標散射中心在天線滾動面內的增益值Gr；由此可以得到目標散射中心的增益為

Gi=GaGr.

(1)

1.2發射機與接收機簡化模型

引信仿真系統不是從發射機與接收機的電路特性角度，而是從回波能量的強弱角度，利用靈敏度曲線建立發射機與接收機簡化模型。靈敏度曲線表征的是不同距離處目標回波能量的差別。因此，利用引信探測到的目標散射中心與天線坐標系原點間的距離，得到目標散射中心所處位置對應的靈敏度值。靈敏度曲線與距離的對應關系如圖1所示。

圖1　靈敏度曲線與距離的對應關系Fig.1　Relationship between sensitivity curve　　　 and distance

當目標散射中心與天線坐標系原點間的距離在a，b之間時：

(2)

式中：DPA為目標散射中心與天線坐標系原點間的距離；Da為a點對應的目標散射中心與天線坐標系原點間的距離；Db為b點對應的目標散射中心與天線坐標系原點間的距離；S2為當目標散射中心與天線坐標系原點間的距離是Da時，發射機與接收機的靈敏度值；S為被探測目標散射中心對應的靈敏度值。

當目標散射中心與天線間的距離在b，c之間時：S=S1；

當目標散射中心與天線間的距離在c，d之間時：

(3)

式中：Dc為c點對應的目標散射中心與天線坐標系原點間的距離；Dd為d點對應的目標散射中心與天線坐標系原點間的距離。

1.3信號處理模型

當目標位于導彈下方，并與導彈做相向運動時，可以利用距離波門壓縮和頻率識別相結合的方法[7-8]，提高無線電引信抗海雜波干擾的能力。

1.3.1引信距離波門壓縮

彈目交會時，導彈由高處向目標和海面接近。通常海面回波信號會先于目標信號進入引信的檢測范圍，如果引信距離波門的作用距離保持不變，當海面回波信號進入引信距離波門對應的探測范圍時，引信就會輸出起爆信號，引爆戰斗部；而此時，目標并沒有進入戰斗部的有效殺傷區，導致引信早炸。

為了避免脈沖無線電引信由于海雜波干擾導致的引信誤動作，在彈目交會過程中，引信實時跟蹤海面回波信號。根據海面回波信號對應的引信距離波門，實時調整引信探測目標的距離波門，使引信探測目標的作用距離與海面始終保持一定的安全高度。這樣，既可以使海雜波不進入引信探測目標的距離波門，又可以保證引信能夠探測到目標信號。

在圖2中，灰色物體為導彈，綠色物體為目標，導彈做掠海超低空飛行。當導彈引信探測到海面回波時，引信探測波束留出一定的安全距離，如圖中的紫色范圍。隨著導彈海拔高度的下降，引信檢測目標的探測波束始終留出紫色區域的安全距離，在橘黃色區域內探測目標信號。這樣即能抑制海面回波對引信探測目標信號的影響，又能保證引信探測到目標回波信號。

圖2　引信距離通道壓縮示意圖Fig.2　Sketch map of fuse distance channel compaction

1.3.2頻率識別

當導彈采用迎頭攻擊方式，并且導彈速度矢量與目標速度矢量反方向的夾角較小的情況下，彈目相對速度大于導彈與海面間的相對速度，目標回波的多普勒頻率大于海面回波的多普勒頻率。

利用上述特點，在采用距離波門壓縮方法的基礎上，對目標和海面分別設置不同的頻率檢測窗口，將兩者進行區分。如果回波信號的頻率落入檢測海雜波的頻率窗口內，則認為是海雜波信號；反之，認為是目標信號。

將上述2種方法相結合，就能夠將目標信號從混有海雜波的回波信號中提取出來，將目標信號與海面回波信號進行區分。綜上，距離波門壓縮和頻率識別相結合方法的整體思想為：海面和目標在同一距離通道內對應不同的頻率檢測窗口，當某一距離通道探測到有信號能量超過該通道的門限值，并且過門限的頻率處在探測海雜波的頻率窗口內，則認為引信探測到海雜波信號。此時，將該距離通道對應的探測范圍保留一定的安全距離作為引信探測目標的截止距離。如果在截止距離范圍內，有信號超過門限值，并且過門限信號的頻率處在探測目標的頻率窗口內，則認為引信探測到了目標信號。

2海雜波數學模型

將海雜波仿真模塊嵌入到已有的仿真系統中，實現對引信工作背景環境的模擬。

當導彈在海面上進行超低空掠海飛行，其上的無線電引信對海面進行探測時，如果將被照射的海面作為整體計算海面的回波能量，那么整個照射區域上各點的海面散射系數，與天線的距離，入射余角，多普勒頻率這些與海面回波有關的參數分別為一定值。顯然，這樣計算得到的海面回波能量結果很不準確。因此需要將引信照射的海面進行劃分，分別對每一個面元進行回波計算。各面元間與海面回波有關的參數跟隨每一面元在參考坐標系內相對位置的不同而變化，而每一個小面元內各點的海面散射系數，與天線的距離，入射余角，多普勒頻率這些與海面回波有關的參數分別為一常值。如此仿真得到的海面回波信號更接近實際情況。

本文利用距離環單元劃分方法對引信照射的海面范圍進行劃分，利用TSC修正模型來表征海面的散射特性[9-11]。

距離環單元劃分方法的基本思想為：由于導彈進行超低空掠海飛行時，其飛行的海拔高度很低，所以引信天線發射的波束與海面的相交面可以近似認為是圓形。照射區的圓心為導彈中心在海面上的投影，最大圓半徑Rmax通過導彈的海拔高度和引信的探測距離確定，先按照步長ΔR沿圓半徑將照射平面劃分成等距離環，再將距離環按照步長Δθ劃分為等方位角的多個細小面元。對單個的面元來說，其散射系數，面元與天線的距離，入射角，多普勒頻率這些與海面回波有關的參數均為一常數。劃分海面的示意圖如圖3所示。

圖3　海面劃分示意圖Fig.3　Sketch map of gridding partition　　　of the sea surface

(4)

(5)

式中：GA，σz為擦地角因子；GW為風速因子；GU為風向因子；λ為雷達波長；φ為擦地角。

3目標及海面回波模型

在引信的仿真中，目標回波信號作為引信的輸入，是仿真系統重要的組成部分。本仿真系統的輸入包括引信探測的目標回波和海面回波2部分。

3.1目標回波模型

目前，國外普遍采用亮點法[12]計算目標回波。所謂亮點，是當電磁波從線尺寸遠遠大于波長的目標散射出來時，目標表面存在不多的強反射段，將這些強散射段進行歸納就能得到多個強散射點，而這些強散射點就稱作亮點。任何復雜體目標都可以通過幾個亮點來模擬，并且被觀測物體表面亮點的數量和位置都是非常固定的，其反射強度僅與照射和接收的視線有關。

在計算目標的回波時，首先根據目標不同部位的形狀特點拆解等效為不同的幾何形狀；其次確定亮點，亮點位于等效幾何形狀的鏡面點上，并且認為目標的所有回波均來自這些亮點；最后，將各亮點的回波信號進行迭加，作為目標的整體回波：

(6)

式中：I(t-τi)為探測選通脈沖，τi為目標上第i個亮點信號的延遲時間；Pri為根據雷達方程得到的接收機輸出端第i個亮點的信號功率；f0為載波頻率，fdi為目標上第i個亮點的多普勒頻率；φi為目標上第i個亮點的回波相位;n為亮點總數。

3.2海面回波模型

實際引信接收到的回波信號中，混有海面回波信號。因此，在引信仿真中，海面回波也應作為引信輸入的一部分。

由雷達方程可以得到整個照射海面的回波計算公式：

(7)

式中:σ0i為第i個面元的后向散射系數；Ai為第i個面元的面積；Dt1表示引信探測RCS為1 m2的目標時，引信的最大探測距離；DPAi為第i個面元與天線坐標系原點之間的距離；Gi為天線增益；Si為靈敏度值；φPMi為第i個面元中心與導彈之間的相位；N為海面劃分的面元總數。

4引信數學仿真

利用上述建立的引信模型，海雜波模型和目標回波模型對引信的工作過程進行仿真，整個仿真過程的流程圖如圖4所示。

圖4　仿真流程圖Fig.4　Simulation flow figure

引信仿真系統對20個空域點進行了仿真，仿真結果如表1所示。

表1　空域點仿真結果

下面將某次仿真結果顯示如下。仿真所用的彈目交會條件為：

——彈目相對速度1 783.26 m/s；

——脫靶量24.591 2 m；

——目標海拔高度15 m；

——導彈在脫靶平面的海拔高度為24.143 m。

圖5給出的是高度探測支路，在引信整個工作過程中距離通道的壓縮情況。其中，橫坐標為幀號，表示時間；縱坐標表示探測距離。黑線表示導彈飛行的絕對高度；綠線表示引信探測到海雜波所在的距離通道；紅線為根據引信探測到的海面回波信號所在距離通道，經距離通道的壓縮變換得到的引信該支路探測目標信號的安全通道范圍，即引信在紅線的下方范圍進行目標信號的探測；藍線表示目標信號所在的距離通道。通過將導彈的絕對飛行高度與海雜波通道和安全通道進行對比可知，引信的距離波門壓縮邏輯正確。由圖5還可以得出，引信探測目標的距離通道始終與海雜波所在的距離通道保持一定的安全距離，并且目標信號確實出現在引信探測目標信號的范圍之內。

圖5　高度探測支路距離通道壓縮結果Fig.5　Result of high detection branch distance　　　channel compaction

此外，通過仿真計算還可以得到海面和目標的回波頻率，以及海雜波和目標信號所在距離通道的結果。

在圖6中，橫坐標為幀號，縱坐標為回波頻率值。黑線表示目標的回波頻率，藍線表示海面的回波頻率，紅線表示引信探測到海雜波所在距離通道對應的目標檢測范圍。

圖6　高度探測支路目標與海雜波頻率顯示結果Fig.6　Result of high detection branch target　　　and sea clutter frequency

由圖6可以看出，海面回波頻率呈周期性變化，并且變化周期與海雜波距離通道的變化相一致。每個距離通道內，隨著導彈海拔高度的降低，引信照射海面的范圍變大，彈目視線與海面夾角變小，導致在一個距離通道內海面回波頻率由小到大變化。

在圖7中，橫坐標為幀號，縱坐標表示距離通道。橘黃色的部分表示引信探測到海雜波信號的距離通道；藍色部分表示引信探測到目標信號的距離通道。由圖7可知，檢測到海面回波信號的距離通道數量大于檢測到目標信號的距離通道數量；可以明顯看出引信由遠及近地探測到海面和目標信號。

圖5~7顯示的均為引信動態仿真結果，最后由圖8給出戰斗部破片對目標的毀傷效果圖，證明引信對目標起爆并且戰斗部對目標具有一定的毀傷效果。

圖7　高度探測支路目標與海雜波距離通道顯示結果Fig.7　Result of high detection branch target　　　and sea clutter distance channel

圖8　戰斗部破片對目標毀傷效果示意圖Fig.8　Sketch map of warhead fragment　　　damage effects on target

在圖8中，綠線表示沒有命中目標的破片飛散軌跡，紅線表示命中目標的破片飛散軌跡。

5結束語

本文結合無線電引信的工作特點，通過嵌入海雜波仿真模塊對已有的仿真系統進行完善，給出了引信的數學模型，實現了對引信工作過程的動態仿真。仿真結果表明，對于采用迎頭攻擊方式的導彈，在導彈速度矢量與目標速度矢量反方向的夾角較小的情況下，采用距離波門壓縮和頻率識別相結合的方法能夠將目標信號從混有海雜波的回波信號中提取出來，從而有效抑制了海雜波對引信探測目標的影響。

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Modeling and Simulation of Radio Fuse Working on Extreme Low-Altitude

SHI Yu-ruo, ZHAO Qi, ZHANG Zhen

(Beijing Institute of Electronic System Engineering,Beijing 100854,China)

Abstract:Based on the missile flying above the very low sea surface, the fuse mathematical model is proposed. Byembedding sea clutter model, the existing simulation system is perfected.The simulation shows that the perfected simulation system can simulate the mixed echoes of target and sea surface. It can be used to evaluate the low-altitude ability of fuse.

Key words:extremelow-altitude; radio fuse; signal processing; fuse simulation

中圖分類號：TJ760.3+19;TP391.9

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-02-0203-07

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.02.033

通信地址：100854北京142信箱30分箱E-mail：syr13.student@sina.com

作者簡介：時宇若(1989-)，女，北京人。碩士生，主要研究方向為引戰系統總體設計。

基金項目：有

* 收稿日期：2014-02-25；
修回日期：2014-03-10