调频多普勒引信静动态干扰信号响应差异性研究

覃 朗,闫晓鹏,代 健

(北京理工大学机电动态控制重点实验室,北京 100081)

0 引言

在引信抗干扰静动态等效试验方法的研究中,需要明晰模拟过程中应考虑的影响因素,以及各种因素的影响程度,才能对干扰信号进行合理设置。为此进行引信静动态干扰信号响应差异性研究,在内场构造干扰场景以求模拟出真实的外场动态干扰场景,建立引信静动态干扰信号响应模型。目前的研究中,引信抗干扰静动态等效试验方法常常依托经验,缺乏完整有效的理论支撑。文献[1—2]通过对正弦调幅干扰信号进行增幅处理的方法得到了引信抗干扰等效试验实测结果,研究结果表明:在增幅调幅正弦波干扰信号作用下,引信检波信号具有明显的增幅特性,能一定程度上模拟出引信动态接近过程中对干扰信号的响应变化。但是该等效试验方法过于简单,既没有考虑引信与干扰机的实际交会场景,也未能获得引信静动态条件下对干扰信号的响应变化规律。

调频多普勒引信由于具有炸点散布小、定距精度高、抗干扰性能好等优点,在常规弹药中得到广泛应用[3-4]。文献[5]研究了调幅干扰对调频多普勒引信作用机理,研究结果表明:调频多普勒引信抗正弦波调幅、方波调幅和三角波调幅干扰能力相当;文献[6]研究了扫频式干扰对调频多普勒引信作用机理,研究结果表明:通过合理设置扫频参数,可以对谐波定距调频多普勒引信进行干扰。上述研究结果对调频多普勒引信静动态抗干扰试验场景的构造提供了依据,但相关研究均没有充分考虑引信静动态干扰信号响应差异性的问题。

本文基于推板试验实现引信低速运动来构建引信静态抗干扰试验场景,设定122 mm 9M22U火箭弹引信受干扰的实际场景来构造引信动态抗干扰试验场景,并分析对地调频多普勒引信静动态条件下对干扰信号的响应规律,进行引信静动态干扰信号响应差异性研究,为引信抗干扰静动态等效试验方法的建立提供技术支撑。

1 调频引信对典型干扰信号响应特性

典型谐波定距对地调频多普勒无线电引信的工作原理如图1所示。图中m为引信谐波次数,fm为引信调制信号频率,fd为引信回波信号多普勒频率。系统工作过程为:经过三角波线性频率调制的发射信号遇到目标反射后由收发共用天线接收,回波信号与参考调频信号混频后输出包含目标距离信息的差频信号;差频信号经过带通滤波器,滤出包含第m次谐波的中频信号,然后与预定频率为mfm的参考信号进行2次混频和多普勒滤波;输出的多普勒信号经过信号识别与逻辑判断后输出起爆信号。

图1 调频多普勒无线电引信原理框图

以扫频干扰信号为例,干扰机在对引信进行干扰时,扫频带宽通常覆盖引信的工作频带,扫频信号的载频会在一定频率范围内按一定规律来回摆动。设干扰机的扫频起始频率为fj0,扫频终止频率为fjN,扫频步长为Δfj,第n个扫频点的干扰信号载频为fjn,扫频总点数为N+1。则

fjn=fj0+nΔfj,n=0,1,…,N。

(1)

因为干扰机所发射的扫频干扰信号的载频是离散变化的,所以引信接收到的干扰信号表达式是一个分段函数,可以将其写成与门函数相乘的形式。引信所接收到的扫频式干扰信号可表示为

Sj(t)=[Aj+f(t)]cos(2πfjnt+φjn)gn(t),(n=0,1,…),

(2)

以正弦波调幅扫频干扰信号为例。扫频式干扰信号被引信接收后,经过两次混频后,对应的多普勒滤波器输出检波信号为[6]

(3)

式(3)中,am是引信发射信号的傅里叶系数,A表示引信发射信号幅度,AjM为干扰调制信号幅值,fΔ=fj0-fc为初始频率差,m表示引信发射信号的谐波次数,m0为谐波定距调频多普勒引信所选取的定距谐波次数。

2 引信静动态干扰信号响应差异性

由引信运动引起的瞬时频率调制:

(4)

式(4)中,fjd是干扰信号到达引信接收机处多普勒频率,θ是弹-干扰机连线与弹-目连线的夹角,λ是引信工作波长。

由引信和干扰机之间距离和方向系数变化引起的瞬时幅度调制[1-2]:

(5)

式(5)中,k为混频系数,λ为引信工作波长,D(θ,φ)为引信天线方向性系数,Dj(θ,φ)为干扰机天线方向性系数,φ为方位角(弹目连线与弹-干扰机连线夹角),H为引信-干扰机距离。

可以看出由式(4)、式(5)得到的多普勒信号的幅度和频率参量包含了引信与目标之间的距离(或者高度)、引信与干扰机的相对运动速度、引信的相对方向系数(天线方向系数和干扰机方向系数)等信息。因此,引信内场静态对干扰信号的响应和外场动态对干扰信号响应必然会形成显著差异。而距离和速度是由运动弹道确定的,天线相对方向系数则是由运动弹道和对抗双方的天线特性共同确定的。对于运动弹道,典型场景下的弹道模型是确定的。对于天线特性,引信和干扰机确定,其相对的方向图特性也是确定的。以S波段为例,该波段的调频多普勒无线电引信常采用矩形微带天线,而在该频段干扰机多采用喇叭天线[7]。

基于此,本文首先结合典型122 mm 9M22U火箭弹末弹道模型构造动态干扰场景,再构造经过等效缩比的静态干扰场景,随后建立引信和干扰机作用模型。接着通过插值的方法,将引信动态场景下得到的受距离变化调制和方向图相对增益变化调制的检波信号进行拟合,仿真得到引信动态条件下对干扰信号响应曲线。此外,根据距离与功率衰减关系进行缩比,设置静态场景等效干扰信号功率实测得到静态条件下引信对干扰信号的响应曲线。最后,将结果进行对比,可定量得到引信静动态干扰信号响应差异性。具体流程如图2所示。

图2 引信静动态干扰信号响应差异性分析流程图

3 试验验证分析

3.1 引信动态场景干扰信号响应仿真实验

建立引信动态干扰场景如图3所示。其中弹道轨迹仿真距离设为末端1 000 m,干扰机方位设为垂直于弹-目平面距离炮弹落地区100 m的位置,干扰中心设为在x上投影坐标原点800 m左右的位置。以下所有仿真结果水平距离均表示距离弹道起点的横向距离(在图3中x轴上投影距离)。

图3 引信动态干扰场景示意图

典型122 mm 9M22U火箭弹在发射状态的仿真参数设置如表1所示[8],结合弹道学典型场景进行仿真,末弹道仿真结果如图4—图6所示。

表1 典型火箭弹发射参数

图4 火箭弹飞行轨迹示意图

图5 落角变化示意图

图6 速度变化示意图

由以上仿真数据处理结果可知,火箭弹末弹道飞行轨迹近似为匀速直线运动,速度倾角会有小幅度摆动,其速度呈增大的趋势。这符合实际发射时122 mm 9M22U火箭弹的变化趋势[9]。

在建立调频多普勒引信和干扰信号模型时,引信和干扰信号进行相应参数设置如表2—表3所示[10]。根据图3所示干扰机与引信对抗场景,参照SPR-2干扰系统的相关性能指标,干扰机的有效辐射功率设置为50 dBm[11-12]。

表2 引信参数

表3 干扰机参数

引信、干扰机模型如图7—图8所示。

图7 三角波调频多普勒引信模型

图8 正弦波调幅扫频式干扰模型

由图3的布设可以看到,在火箭弹穿越干扰区域时引信具有受干扰机天线旁瓣作用到主瓣作用的过程。引信微带天线和干扰机用喇叭天线的三维天线方向图如图9—图10所示。图10喇叭天线波瓣宽度在50°左右,这符合实际使用需求[13]。

图9 引信微带天线三维方向图

图10 干扰喇叭天线三维方向图

结合图5—图6的火箭弹引信落角、速度与距离关系,可得到特定距离下的天线方向系数,并通过插值的方法,在建立的引信和干扰机作用模型的基础上,拟合出了引信动态条件下对干扰信号响应曲线,结果如图11所示[14-15]。可以看到动态干扰场景下,在距离坐标原点600 m之内引信响应的干扰信号较小,但在600 m距离之外的响应信号会急剧增加。形成该结果的原因有两点:一是引信在初始运动阶段和干扰机旁瓣相对,此时方向系数对引信输出的检波信号幅度存在较大影响;二是依据雷达方程,引信响应信号幅度随距离的增加是指数级衰减的。

图11 引信动态场景下干扰信号响应输出

3.2 引信静态场景干扰信号响应试验

在引信对干扰信号的静态响应研究中,为了更直观地对比引信静动态干扰信号响应差异性,目标与引信移动距离范围取10 m,速度取4 m/s,这样得到的引信静动态干扰信号响应时间几乎一样。利用距离与功率衰减关系进行干扰功率设置,静态干扰场景示意图如图12所示。

图12 引信静态干扰场景示意图

采集测试结果,在静态干扰场景下引信响应干扰信号时检波输出信号随距离变化的结果如图13所示,可以看到静态干扰场景下的输出基本是均匀增大的。

图13 静态干扰场景下引信输出检波信号

为了更直观地体现差异性,将静动态干扰场景下引信响应干扰信号的检波输出放在同一时间维度进行观察,结果如图14所示。检波包络1、2表示在动态和静态干扰场景下引信响应干扰信号的输出变化情况。

图14 静动态干扰场景下引信输出检波信号包络

可见,在典型122 mm 9M22U火箭弹末端运动的速度范围内(390～405 m/s),引信在未进入干扰机天线主瓣干扰范围时(运动的前1.5 s,距离目标水平距离400～1 000 m范围内),得到的动态干扰信号响应检波包络幅度比静态干扰信号的小1～2个数量级;而在进入干扰机天线主瓣干扰范围时(运动的1.5～2.5 s,距离目标水平距离0～400 m范围内),得到的动态干扰信号响应检波包络幅度和静态干扰信号在同一个数量级。因此,在进行引信静态抗干扰试验场景构建时应对干扰环境信号进行相应的幅度补偿,以逼真的模拟引信动态场景下对干扰信号的响应过程。

4 结论

本文开展了引信抗干扰静动态等效试验中的干扰信号响应差异性研究,分析了造成引信静动态干扰信号响应差异的主要影响因素,获得了各种影响因素在末弹道不同弹道区间对干扰信号响应的影响程度。本文的研究结果为构造不同场景下的引信抗干扰静动态等效试验方法提供了技术支撑。实际情况下还会有许多需要进一步考虑的影响因素,例如干扰机布设方式、天线极化特性等对引信静动态干扰信号响应的差异性影响,后续将对相关问题进行深入的研究。