一種復(fù)合偽碼調(diào)相連續(xù)波動爆測試技術(shù)

侯建強,韓壯志,王　震

(1.軍械工程學院 電子與光學工程系,石家莊 050003;2.北京跟蹤通信技術(shù)研究所,北京 100094)

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一種復(fù)合偽碼調(diào)相連續(xù)波動爆測試技術(shù)

侯建強1,韓壯志1,王震2

(1.軍械工程學院 電子與光學工程系,石家莊 050003;2.北京跟蹤通信技術(shù)研究所,北京 100094)

摘要:戰(zhàn)斗部破片的初速以及初速分布是武器總體計算引戰(zhàn)配合和殺傷概率時的必需參數(shù)。動爆測量是獲得戰(zhàn)斗部破片初速及初速分布的重要手段之一。對戰(zhàn)斗部動爆破片特性進行了分析，針對動爆測量中破片數(shù)量多、距離和速度分辨率因破片密集程度而隨時間變化的情況，設(shè)計了一種復(fù)合偽碼調(diào)相信號，詳細給出了信號的設(shè)計思路。分析結(jié)果表明，該信號具有多分辨率的特性，滿足了動爆測量中分辨率可變的要求，保證了破片在飛行過程中具有較好的速度——距離二維分辨能力。理論數(shù)據(jù)分析表明，該信號能夠用于戰(zhàn)斗部動爆破片測量對雷達可變分辨率的要求，研究結(jié)果對動爆測量技術(shù)和群目標分辨技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞:復(fù)合偽碼;連續(xù)波;破片

所謂的破片測量就是對彈丸爆炸后產(chǎn)生的大量碎片的飛行距離、速度、分布等參數(shù)進行測量。戰(zhàn)斗部破片的初速以及初速分布是武器總體計算引戰(zhàn)配合和殺傷概率時的必需參數(shù)。通常,采用靜爆測量的方法實現(xiàn)對破片的測量。然而,由于作戰(zhàn)過程中彈丸處于高速運動狀態(tài),采用靜爆測量的方法不能準確地對戰(zhàn)斗部威力進行評估,還需要結(jié)合彈丸的運動狀態(tài),對測試結(jié)果進行分析。其測量和分析結(jié)果與實際情況難免會存在一些偏差。因此,得到運動狀態(tài)下彈丸爆炸產(chǎn)生的破片的參數(shù)(即動爆測量參數(shù))對武器系統(tǒng)的效能分析、定型設(shè)計、靶場試驗等具有更加重要的意義。利用雷達測量運動狀態(tài)下的彈丸爆炸產(chǎn)生的破片是常用的動爆測量方法之一。

在戰(zhàn)斗部動爆測量方面,國外起步較早。國外靶場已有采用多普勒雷達測量破片速度的動爆測量法:如丹麥BS250雷達能測初速,還能得到阻力系數(shù)曲線、速度-距離曲線、速度-時間曲線;美國陸軍白沙導(dǎo)彈靶場裝備的靶場測試雷達,工作在X波段,能跟蹤速度為30~3 000 m/s的目標,測速精度為0.3 m/s。

國內(nèi)關(guān)于破片的測量,主要是依靠靜爆測量的方法進行測試,文獻[3~6]等提到的都屬于國內(nèi)發(fā)展較快的靜爆測量方法。國內(nèi)動爆測量技術(shù)發(fā)展相對緩慢。文獻雖然提到了采用雷達回波實現(xiàn)對彈片和沖擊波速度進行測量,但該文側(cè)重尋找加速階段與減速階段分界點的方法研究,并未介紹戰(zhàn)斗部破片動爆測量的具體實現(xiàn)方法。

目前,關(guān)于動爆測量技術(shù)的文獻鮮有報道。本文針對破片動爆測量技術(shù)存在破片數(shù)量多,密集程度隨時間變化,距離、速度分辨率要求較高等問題,受通信系統(tǒng)中碼分多址(CDMA)[8-10]信號的啟發(fā),設(shè)計了一種利用低分辨雷達實現(xiàn)動爆測量的復(fù)合偽碼調(diào)相信號。該信號具有多分辨率的特點,能夠滿足測量中距離、速度分辨率可變的要求,保證了破片在飛行過程中具有較好的速度——距離二維分辨能力,相對于單一一種信號具有更好的分辨特性。

1動爆破片特性分析

戰(zhàn)斗部破片初速主要受到炸藥性能、裝藥與殼體質(zhì)量比、裝藥長徑比、起爆位置、殼體材料、裝藥約束條件等因素的綜合影響,十分復(fù)雜[11]。一般情況下,破片分布是以彈藥中心呈軸對稱分布,部分呈定向爆炸分布。對破片進行測量時可由對稱軸上某一個方向或幾個方向的速度、散布來表征彈藥軸對稱上的爆炸特性。在非對稱方向上進行多方向測量,即可表征彈藥爆炸空間的分布特性。

對某型動爆破片運動軌跡的仿真結(jié)果如圖1和圖2所示。圖1為破片球形分散且分散角為0~360°的仿真結(jié)果;圖2為破片分散運動軌跡,時間較長,包含破片下落過程,分散角為0~360°。圖1和圖2中x、y、z分別表示相對雷達的水平、垂直和豎直距離。基本上可以了解破片運動的過程。

在上述條件下,-0.6°~0.6°雷達波束內(nèi)破片數(shù)量n的變化情況如圖3所示。

由上述分析可以看出,運動狀態(tài)下彈丸爆炸產(chǎn)生的破片動態(tài)很大,破片整體上呈從密集變稀疏的趨勢,破片數(shù)量是由多到少的變化趨勢(當然實際過程中由于破片存在出入波束的情況,數(shù)量變化可能會存在波動,但整體趨勢不變),破片速度的變化范圍也很大。要想實現(xiàn)對破片的動爆測量,首先要實現(xiàn)破片密集情況下的分辨問題,即高距離分辨率,其次要保證測量中速度參數(shù)的準確性,即高速度分辨率,但二者是矛盾的,無法同時滿足。在密集程度隨時間變化的動爆測量中,可通過距離和速度分辨率可變來實現(xiàn)。

圖1　破片0~360°球形分散時的飛散軌跡

圖2　破片0~360°分散時的運動軌跡

圖3　-0.6°~0.6°波束內(nèi)破片數(shù)量隨時間的變化曲線

2破片動爆測量中復(fù)合偽碼調(diào)相信號的設(shè)計

2.1基礎(chǔ)信號波形的選擇

圖4　偽隨機碼調(diào)相信號的模糊圖

圖5　偽隨機碼及調(diào)制后的發(fā)射波形

2.2復(fù)合偽碼調(diào)相信號的形成思路

根據(jù)上文分析,破片存在開始密集后期稀疏、破片速度的變化范圍較大等特點。利用偽碼調(diào)相連續(xù)波信號,完成整個過程中的高速度分辨率和高距離分辨率的測量時,要求測量起始階段選取較窄的距離門(即距離分辨率要盡可能高)以保證在破片比較密集的情況下完成破片的區(qū)分。隨著時間的推移,破片逐漸變得稀疏,數(shù)量也逐漸變少,為更好地完成測量,應(yīng)該適當放寬距離門,增大破片飛躍距離門的時間,以便提高速度分辨率。因此,采用單一一種偽碼調(diào)相連續(xù)波信號是不能滿足要求的。測量時,需要根據(jù)彈丸爆炸后破片飛行的時間來具體選擇參數(shù),完成分時測量。

由于破片飛行過程中,由密集變稀疏分時測量的時間點難以估算,不能準確得到,因此不能采用時分調(diào)制的信號形式進行測量。針對這一情況,本文結(jié)合通信理論中的碼分多址(CDMA)信號的特點,將其應(yīng)用到戰(zhàn)斗部動爆測量中,設(shè)計了一種復(fù)合偽碼調(diào)相連續(xù)波信號,以實現(xiàn)測量。

在通信系統(tǒng)中,CDMA利用不同的碼序列實現(xiàn)多址通信,區(qū)分不同用戶。如果從頻域或時域來觀察,多個CDMA信號是互相重疊的,接收機用相關(guān)器可以在多個CDMA信號中選出其中使用預(yù)定碼型的信號。與預(yù)定碼型不同的信號不能被解調(diào)。

與通信系統(tǒng)中的CDMA信號應(yīng)用類似,在進行破片動爆測量時,發(fā)射機同時發(fā)射不同序列調(diào)制的偽碼連續(xù)波信號,在接收端分別用相應(yīng)的本地碼對回波信號進行解調(diào)。對解調(diào)結(jié)果進行分析,將每一種解調(diào)結(jié)果分成若干個時間段,并從各個時間段內(nèi)選取解調(diào)效果較好的結(jié)果作為有效值,然后通過其他測量值對有效值做進一步修正和分析,從而得到距離分辨率和速度分辨率都比較滿意的結(jié)果。發(fā)射端發(fā)射的不同序列調(diào)制的偽碼連續(xù)波信號具有不同的距離門和碼鐘,其參數(shù)是根據(jù)理論分析和工程經(jīng)驗得到的,能夠較好地滿足對破片距離分辨率和速度分辨率的要求。

2.3復(fù)合偽碼調(diào)相信號的設(shè)計

發(fā)射信號的整體形式如下:

式中:M為參與調(diào)制的偽碼序列的個數(shù),Ti為偽碼序列的碼元寬度,Pi為偽碼序列的碼長位數(shù),f0為發(fā)射信號的載頻,ui為偽碼序列的包絡(luò)。ui有如下關(guān)系:

該信號需要具有如下特點:

①正交性。在選擇偽碼序列時,要求各個序列之間正交或者準正交,以便降低多址干擾,這與通信系統(tǒng)中的要求一樣。

②所選信號的作用威力要保證測量中無模糊。由于動爆測量中,破片速度分布較大,為避免速度和距離同時模糊,本文在設(shè)計信號時,首先考慮無距離模糊,以便容易進行解模糊運算。為滿足這一要求,有如下關(guān)系式:

PiTi≥Rmax

式中:Rmax為破片分散的最大距離。

③所選信號要具有滿足各個時間段要求的距離分辨率Δd和多普勒分辨率Δf(速度分辨率)的要求。其計算過程為

Δd=cTi/2, Δf=vt/Δd

式中:vt為相應(yīng)時刻的破片速度,c為光速。

3復(fù)合偽碼調(diào)相信號動爆測量分析

為了方便,本文以3種信號為例進行分析。3種偽碼信號的選取如下:碼鐘分別為37.5M,50M,75M,相應(yīng)的碼長為127,255,511。3種信號對應(yīng)的距離門長度分別為4 m,3 m,2 m。假設(shè)0~t1時刻破片非常密集,破片速度的最大值為3 000 m/s;t1~t2時刻破片較為密集,破片速度的最大值為2 000 m/s;t2~t3時刻破片比較分散,破片速度的最大值為1 000 m/s。

根據(jù)本文分析,在測量0~t1時刻,可以采用75M、511位碼長信號的測量結(jié)果,距離分辨率為2 m,多普勒分辨率為1.5 kHz;t1~t2時刻可以采用75M、511位碼長信號與50M、255位碼長信號的綜合測量結(jié)果,距離分辨率約為2 m,多普勒分辨率為667 Hz;在t2~t3時刻可以采用75M、511位碼長信號與37.5M、127位碼長信號的綜合測量結(jié)果,距離分辨率約為2 m,多普勒分辨率為250 Hz。如果采用單一的信號進行測量只能選取75M、511位碼長的信號,才能保證在破片比較密集的情況下完成破片的分辨,繼而完成測量。其多普勒分辨能力明顯不如采用復(fù)合偽碼調(diào)相這種信號波形的分辨能力,在對速度精度要求比較高的破片群目標的測量中,是明顯不滿足要求的。因此,單一一種信號是不能完成測量的。根據(jù)上述對復(fù)合偽碼調(diào)相信號和單一一種信號的分析,可以得到表1的對比結(jié)果。

從表1中可以看出,復(fù)合偽碼調(diào)相信號在測量過程中具有更高的速度分辨率。采用單一一種信號雖然有較高的距離分辨率,但是在破片測量中更注重速度分辨率,這種信號明顯不能滿足要求。同時,采用復(fù)合偽碼調(diào)相信號進行測量,通過綜合各個子信號的測量結(jié)果,也能保證很好的距離分辨率。這種多次測量還具有降低測量誤差的優(yōu)勢。

表1　分辨率對比表

4結(jié)束語

本文從信號選擇、距離分辨率、速度分辨率的角度分析了戰(zhàn)斗部破片動爆測量這一復(fù)雜群目標分辨的問題。文中針對動爆測量中距離和速度分辨率因破片的密集程度而隨時間變化的要求,設(shè)計了一種利用低分辨雷達實現(xiàn)測量的復(fù)合偽碼調(diào)相連續(xù)波信號,實現(xiàn)了測量過程中很好的距離和速度分辨率要求,對動爆測量技術(shù)和群目標分辨技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

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A Test Technology of Warhead Dynamic-fragments Based on

Composite Pseudorandom-code Continuous-wave-signal

HOU Jian-qiang1,HAN Zhuang-zhi1,WANG Zhen2

(1.Department of Electronics and Optics Engineering,Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China)

(2.Beijing Institute of Tracking and Communication Technology,Beijing 100094,China)

Abstract:The velocity and velocity distribution of warhead fragments are necessary parameters for calculating the overall coordination and kill probability of weapon.Dynamic test is one of the important techniques to acquire them.The characteristic of dynamic fragments of warhead was analyzed.The number of fragments is large,and the range and velocity vary with time because of the intensive degree of fragments.Aiming at this problem,a composite PN code continuous-wave-signal was designed to realize dynamic fragments test,and the design thought of signal was given in detail.The signal provides multi-resolution and has a good two-dimensional resolution with range and velocity.Theoretical data analysis indicates that the signal can meet the reqirments of variable resolution of measurement-radar for measuring warhead dynamic-fragments.The results are important for the development of the technology of dynamic burst measurement and technology of the group targets distinguish.

Key words:composite PN code;continuous wave;fragment

中圖分類號:TN95;TJ160

文獻標識碼:A

文章編號:1004-499X(2015)04-0042-05

作者簡介:侯建強(1990- ),男,碩士研究生,研究方向為雷達信號處理和靶場測量。E-mail:877784427@qq.com。

收稿日期:2015-04-15