基于軟件仿真獲取引信啟動(dòng)特性研究

劉 亮， 程妹華

（1.貴州航天電子科技有限公司，貴州 貴陽(yáng)550000；2.上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

引信研制過(guò)程中，需對(duì)引信進(jìn)行啟動(dòng)數(shù)據(jù)獲取試驗(yàn)，驗(yàn)證啟動(dòng)特性是否滿(mǎn)足總體要求。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中啟動(dòng)距離和啟動(dòng)角數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行引戰(zhàn)配合設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)的滑軌試驗(yàn)方法：引信面對(duì)標(biāo)準(zhǔn)金屬球作高速運(yùn)動(dòng)，模擬彈目交會(huì)過(guò)程，并且記錄產(chǎn)品對(duì)標(biāo)準(zhǔn)小球的啟動(dòng)數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)中方位信息與動(dòng)作信息，計(jì)算出產(chǎn)品對(duì)目標(biāo)的啟動(dòng)距離和啟動(dòng)角。試驗(yàn)過(guò)程中，方位信息的獲取是關(guān)鍵因素，若獲取方位信息有較大誤差，則獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)效。傳統(tǒng)的滑軌試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)提出了較為嚴(yán)酷的條件，試驗(yàn)過(guò)程中影響的因素較多，并且獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，對(duì)引戰(zhàn)配合設(shè)計(jì)帶來(lái)難度。

本文提出采用基于軟件仿真方式獲取引信啟動(dòng)數(shù)據(jù)。獲取的啟動(dòng)特性數(shù)據(jù)豐富，并可通過(guò)簡(jiǎn)單的靜態(tài)多普勒調(diào)制滑軌試驗(yàn)進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證。此方法與傳統(tǒng)的滑軌試驗(yàn)相比，具有方便快捷、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

1 傳統(tǒng)滑軌試驗(yàn)方法

傳統(tǒng)滑軌試驗(yàn)方法：采用滑車(chē)攜帶試驗(yàn)艙的方式進(jìn)行試驗(yàn)，滑車(chē)上安裝有引信及天線試驗(yàn)艙、試驗(yàn)供電設(shè)備（電池）、信號(hào)記錄儀、附加器、控制盒和遙控電源開(kāi)關(guān)。滑軌試驗(yàn)的示意圖見(jiàn)圖1。

滑車(chē)在動(dòng)力系統(tǒng)作用下，向吊掛在滑軌上方指定高度的目標(biāo)下方滑行，模擬彈目交會(huì)過(guò)程，記錄引信的相關(guān)輸出信號(hào)。考慮到試驗(yàn)場(chǎng)地周邊地物的復(fù)雜性，在距試驗(yàn)艙體兩側(cè)一定距離處安裝貼有吸波材料的擋板，以屏蔽周邊地物回波信號(hào)對(duì)引信的干擾。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中方位信息與動(dòng)作信息，計(jì)算出產(chǎn)品對(duì)目標(biāo)的啟動(dòng)距離和啟動(dòng)角，進(jìn)而獲取引信的啟動(dòng)數(shù)據(jù)。

2 軟件仿真獲取啟動(dòng)數(shù)據(jù)

2.1 軟件設(shè)計(jì)原理

根據(jù)引信工作原理可知［1，2］，引信啟動(dòng)數(shù)據(jù)主要取決于目標(biāo)雷達(dá)散射截面積RCS、彈目距離變化引起的回波強(qiáng)度變化、距離變化引起的信號(hào)處理增益變化、引信靈敏度、引信收發(fā)天線H面方向圖。根據(jù)以上因素，可建立啟動(dòng)距離與啟動(dòng)角的關(guān)系，數(shù)學(xué)模型為

式中：ΔG1G2為相對(duì)已知啟動(dòng)角收發(fā)天線增益總變化量；Y1為距離引起的回波強(qiáng)度增益變化量；Y2為相關(guān)檢測(cè)增益變化量；Y4為RCS引起的增益變化量；ΔS為靈敏度的變化量。

根據(jù)計(jì)算得到的ΔG1G2，通過(guò)查找收發(fā)天線H面方向圖，可以獲得某一脫靶量下的啟動(dòng)角。

引信彈目交會(huì)示意圖如圖2所示。圖中：θ1為發(fā)射天線到目標(biāo)的連線與天線口面的夾角；θ2為接收天線到目標(biāo)的連線與天線口面的夾角；R1為發(fā)射天線到目標(biāo)的連線距離；R2為接收天線到目標(biāo)的連線距離；ρ為目標(biāo)距天線口面的垂直距離；r為接收天線與發(fā)射天線間距（設(shè)為1 m）。

由圖1可得

由式（2）、（3）、（4）可得

由式（5）可知，當(dāng)脫靶量已知時(shí)，發(fā)射傾角θ1和接收傾角θ2具有確定關(guān)系。根據(jù)ΔG1G2查收發(fā)天線方向圖就可獲得發(fā)射傾角θ2，即啟動(dòng)角。

下面討論距離引起的回波強(qiáng)度變化的影響。

雷達(dá)目標(biāo)回波的反射功率為［1］

式中：Pr為接收的回波功率；Pt為雷達(dá)發(fā)射功率；G為天線增益；σ為目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積；R為目標(biāo)距離；λ為波長(zhǎng)。

由式（6），可以導(dǎo)出當(dāng)目標(biāo)距離由R0變?yōu)镽1時(shí)，回波強(qiáng)度增益變化量為

根據(jù)式（6），可以推導(dǎo)出當(dāng)目標(biāo)RCS由σ0變?yōu)棣?時(shí)，回波強(qiáng)度增益變化量為

當(dāng)發(fā)射碼元數(shù)為m1時(shí)，對(duì)應(yīng)啟動(dòng)距離門(mén)為L(zhǎng)1收到的回波信號(hào)碼元數(shù)為L(zhǎng)（L≤m1）或2m1—L（L＞m1），噪聲碼元數(shù)為m1，若通過(guò)滑軌試驗(yàn)得到了引信對(duì)某一目標(biāo)的啟動(dòng)距離門(mén)和啟動(dòng)角時(shí)發(fā)射碼元數(shù)為m0，對(duì)應(yīng)收到的回波信號(hào)碼元數(shù)為n0，噪聲碼元數(shù)為m0，則啟動(dòng)距離門(mén)為L(zhǎng)1（發(fā)射碼元數(shù)為m1）相對(duì)于啟動(dòng)距離門(mén)為L(zhǎng)0的回波信號(hào)相關(guān)檢測(cè)損失為［3］

2.2 軟件設(shè)計(jì)流程

根據(jù)計(jì)算模型，以靜態(tài)滑軌試驗(yàn)得到的一組啟動(dòng)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)計(jì)仿真計(jì)算軟件來(lái)推算各啟動(dòng)距離門(mén)對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)角，設(shè)計(jì)的仿真計(jì)算軟件應(yīng)用模型如圖3所示。

2.3 仿真結(jié)果

根據(jù)引信的實(shí)際靈敏度與軟件設(shè)計(jì)時(shí)的基準(zhǔn)靈敏度的差值，將差值輸入仿真軟件，RCS分別輸入25 m2、15 m2。輸入不同占空比值，即得到各占空比條件下的啟動(dòng)曲線。某占空比下引信對(duì)RCS為25 m2標(biāo)準(zhǔn)金屬球的啟動(dòng)曲線如圖4所示。

3 靜態(tài)滑軌試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 靜態(tài)滑軌試驗(yàn)原理

采用靜態(tài)調(diào)制方式的滑軌試驗(yàn)，可模擬多普勒對(duì)信號(hào)的調(diào)制，試驗(yàn)原理圖如圖5所示。

調(diào)制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生多普勒信號(hào)，可設(shè)置不同的多普勒頻率檔位。單邊帶調(diào)制器對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行不同的多普勒調(diào)制。由于信號(hào)在單邊帶調(diào)制器中有8 dB以上的衰減，為達(dá)到模擬真實(shí)試驗(yàn)的效果，可采用對(duì)回波多普勒信號(hào)進(jìn)行放大的處理，來(lái)免補(bǔ)因單邊帶調(diào)制損耗的信號(hào)強(qiáng)度。

3.2 啟動(dòng)數(shù)據(jù)獲取

靜態(tài)滑軌試驗(yàn)時(shí)，將引信安裝在小車(chē)上，推動(dòng)小車(chē)向目標(biāo)移動(dòng)，觀察小車(chē)在向目標(biāo)移動(dòng)的過(guò)程中引信動(dòng)作情況。在引信動(dòng)作時(shí)，記錄引信的位置。通過(guò)計(jì)算引信與目標(biāo)的幾何關(guān)系，計(jì)算引信的啟動(dòng)距離和啟動(dòng)角。

4 啟動(dòng)數(shù)據(jù)有效性分析

4.1 靜態(tài)滑軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性分析

傳統(tǒng)滑軌試驗(yàn)采用使引信相對(duì)固定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。靜態(tài)滑軌試驗(yàn)則采用調(diào)制信號(hào)對(duì)引信的回波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。靜態(tài)滑軌試驗(yàn)與傳統(tǒng)滑軌試驗(yàn)在理論上等效。以某引信試驗(yàn)為例，在進(jìn)行傳統(tǒng)滑軌試驗(yàn)前，都進(jìn)行了靜態(tài)滑軌試驗(yàn)，靜態(tài)滑軌試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)滑軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合，可見(jiàn)靜態(tài)滑軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效。

4.2 軟件仿真獲取引信啟動(dòng)特性有效性分析

在某引信中進(jìn)行仿真獲取引信啟動(dòng)數(shù)據(jù)，將仿真結(jié)果與傳統(tǒng)滑軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可知，仿真的結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差基本在1°以?xún)?nèi)，最大不超過(guò)2°。圖6為某狀態(tài)下啟動(dòng)特性仿真曲線與傳統(tǒng)滑軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)所得曲線的對(duì)比，可以看出兩條曲線的偏差最大不超過(guò)1°［2］。

數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差的原因：

滑軌試驗(yàn)耗時(shí)耗力，試驗(yàn)的狀態(tài)多，每個(gè)狀態(tài)下的試驗(yàn)次數(shù)較少，統(tǒng)計(jì)樣本少，試驗(yàn)誤差對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果影響較大；由引信的工作機(jī)制決定，在各距離門(mén)的交會(huì)處相關(guān)性較小時(shí)，此時(shí)的目標(biāo)回波較弱，甚至加大了目標(biāo)的閃爍效應(yīng)，造成滑軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)起伏較大；因滑軌試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)品靈敏度測(cè)試結(jié)果也有變動(dòng)，而啟動(dòng)特性曲線的仿真計(jì)算是以基于靈敏度固定為前提的，1 dB的靈敏度差異會(huì)引起近1°的偏差。

5 以靜態(tài)滑軌試驗(yàn)與軟件仿真獲取啟動(dòng)數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)

軟件仿真與靜態(tài)滑軌試驗(yàn)驗(yàn)證獲取啟動(dòng)數(shù)據(jù)方式，較動(dòng)態(tài)速度調(diào)制方式在安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和便利性上都具有優(yōu)勢(shì)。

由于動(dòng)態(tài)滑軌試驗(yàn)采用高臺(tái)作業(yè)，在試驗(yàn)準(zhǔn)備期間對(duì)試驗(yàn)人員和設(shè)備安全調(diào)試都具有較嚴(yán)格的要求。試驗(yàn)過(guò)程中多普勒頻率是由火工品助推產(chǎn)生的速度提供，涉及到火工品，對(duì)試驗(yàn)安全性提出更苛刻的條件。采用靜態(tài)調(diào)制的方法將可避免上面的兩個(gè)問(wèn)題，對(duì)試驗(yàn)的安全性有很大的提升。采用動(dòng)態(tài)調(diào)制方法產(chǎn)生的多普勒頻率不可能很大，要保證試驗(yàn)成功，必須下調(diào)產(chǎn)品的多普勒頻率下限，此措施會(huì)影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取的可靠性；采用靜態(tài)調(diào)制的方法，產(chǎn)生的多普勒頻段范圍可以做得很寬，并且可以根據(jù)試驗(yàn)的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免了假擊發(fā)和不動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)。采用動(dòng)態(tài)調(diào)制方式，對(duì)試驗(yàn)各方面要求都比較高，試驗(yàn)過(guò)程中一點(diǎn)小的疏忽就會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)的失敗，進(jìn)而造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，而靜態(tài)方式所需的費(fèi)用很低，不會(huì)有大的經(jīng)濟(jì)損失。

另外，動(dòng)態(tài)方式在試驗(yàn)過(guò)程中，因速度太快而使試驗(yàn)危險(xiǎn)不受控制，而靜態(tài)方式則不受速度的限制，可由試驗(yàn)隊(duì)員自行控制試驗(yàn)過(guò)程，能更加方便、便利的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。

6 結(jié)論

傳統(tǒng)滑軌試驗(yàn)獲取的引信啟動(dòng)數(shù)據(jù)有限，試驗(yàn)實(shí)施較復(fù)雜，對(duì)滑軌試驗(yàn)場(chǎng)的硬件條件要求較高。靜態(tài)滑軌試驗(yàn)對(duì)滑軌試驗(yàn)場(chǎng)硬件條件要求不高，試驗(yàn)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)安全。采用靜態(tài)滑軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)為軟件仿真啟動(dòng)特性的參照點(diǎn)，以天線方向圖和滑軌試驗(yàn)軟件仿真方式獲取引信的啟動(dòng)特性。此方法使實(shí)踐和理論很好結(jié)合，仿真引用的數(shù)據(jù)可以根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際參數(shù)設(shè)定和修改，可擴(kuò)展性好。這種軟件仿真結(jié)合靜態(tài)滑軌試驗(yàn)獲取引信啟動(dòng)特性的方法，尚未在型號(hào)產(chǎn)品中實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證數(shù)據(jù)量還不夠充分。若要將此方法得以推廣應(yīng)用，需進(jìn)行更多的驗(yàn)證。