測速雷達使用新方法研究

李元生,陳禮國

(中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院,北京　100094)

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測速雷達使用新方法研究

李元生,陳禮國

(中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院,北京100094)

摘要:通過艦炮武器系統(tǒng)測速雷達作戰(zhàn)使用分析,提出初速預測新模型、修正量新模型等測速雷達使用新方法。分別對使用新方法前后效能進行比較仿真, 仿真證明, 本方法極大地提高了艦炮武器系統(tǒng)對海作戰(zhàn)時首群命中效能。所提出的方法對于提高艦炮武器作戰(zhàn)效能具有理論和實際意義。

關鍵詞:艦炮武器系統(tǒng);測速雷達;初速預測

艦炮對目標射擊時,彈丸初速是解命中問題的一個關鍵參數(shù),初速修正量誤差對艦炮系統(tǒng)射擊精度影響較大,初速的準確與否直接影響艦炮的命中精度[1],尤其對首發(fā)命中概率影響更大。為了減小初速修正量誤差對射擊的影響和提高射擊精度,目前世界上中大口徑艦炮武器系統(tǒng)都配備了彈丸測速雷達[2],用于測量彈丸炮口初速,求取初速修正量進行射擊修正。本文針對測速雷達使用條件下,如何確定首發(fā)初速進行研究,為作戰(zhàn)使用提供依據(jù)。

1測速雷達工作原理

測速雷達利用多普勒效應對彈丸初速進行測量[3]。電磁波照射到運動物體上反射回來,其頻率會發(fā)生變化,這種效應稱為多普勒效應,變化頻率與原頻率的差頻,稱多普勒頻率。測速雷達由終端機、高頻頭和紅外啟動器及模擬信號源組成,火炮射擊時,炮架上紅外啟動器探測火炮發(fā)射的火光,為測速雷達提供時間零點[4]。雷測速達發(fā)射機產(chǎn)生的高穩(wěn)定連續(xù)波信號通過雙工器和天線向空間定向發(fā)射高頻電磁波信號。該信號照射到出炮口的彈丸上,反射回帶有彈丸速度的多普勒信號回波信號。該回波信號被天線接收后,進入混頻器,與發(fā)射機振蕩器信號進行混頻,得到多普勒信號。多普勒信號經(jīng)放大濾波后,在信號數(shù)據(jù)處理部分進行A/D變換,再進行FFT等信號處理計算,得到彈丸多普勒頻率fd值,再經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得彈丸實測初速。測速雷達發(fā)射機與接收機共用一個天線的情況下,根據(jù)多普勒效應,彈丸相對測速雷達之間的彈道切向速度V0、徑向速度Vr表示為[5]

(1)

艦炮連續(xù)發(fā)射時,炮口附近始終存在著電磁波無法穿透的氣體電離、煙焰區(qū),因此測速雷達不能對彈丸出炮口瞬間初速V0直接測量。測速雷達通過測量彈丸在火炮發(fā)射后效期結(jié)束后飛行軌道上的N點徑向速度值Vri(i為測速數(shù)據(jù)的序號,i=1,2,3…N),再轉(zhuǎn)換為彈道切向速度序列V0i。然后進行剔除野值、濾波等運算得到最佳速度序列,采用最小二乘多項式擬合法外推初速V0,雷達初速外推原理見圖1。

(2)

式中,N為雷達測速的總點數(shù);i為測速數(shù)據(jù)的序號;Vi是彈丸切向速度;Wi是多項式權系數(shù);V0為火炮彈丸的初速。

圖1　測速雷達初速外推原理

2初速預測和修正量新模型

發(fā)射首發(fā)彈丸需要初速初值,以便解算射擊諸元。在首發(fā)彈丸沒有發(fā)射測速雷達無實測值情況下,如何向測速雷達提供初值,下面建立初速預測和修正量新模型。

2.1首發(fā)初速預測和修正量模型

艦炮的實際初速與表定初速不符的主要原因有四個:一是受到發(fā)射時高溫高壓氣體對炮膛金屬的熱作用、化學作用和沖擊作用,以及彈帶對炮膛陽線的機械作用,逐漸使膛壁燒蝕和陽線剝落,使炮膛直徑和藥室容積增大、藥室增長和彈帶密封不嚴使膛壓降低,從而使彈丸初速變小,即膛蝕引起的初速偏差;二是彈藥溫度隨儲存環(huán)境溫度的變化,高于或低于標準藥溫15℃時,引起初速增大或減小,即藥溫引起初速偏差;三是彈重非標準使初速變化,彈重差引起的初速偏差;四是首發(fā)炮膛常溫與正常發(fā)射中膛溫差造成初速偏差,即冷膛引起的初速偏差[6]。所以,首發(fā)炮彈綜合初速偏差為

ΔV0Z=ΔV0s+ΔV0y+ΔV0q+ΔVn

(3)

式中，ΔV0z為綜合初速偏差量;ΔV0s為膛蝕引起的初速偏差;ΔVn為冷膛引起的首發(fā)初速偏差;ΔV0y為藥溫差引起的初速偏差;ΔV0q為彈重差引起的初速偏差。其中ΔV0s、ΔVn為該門炮統(tǒng)計值,ΔV0y、ΔV0q按系統(tǒng)作戰(zhàn)時氣溫和裝定的彈種符號進行計算。

首發(fā)彈初速預測按下式求解:

Vy/1′=V0-ΔV0Z

(4)

使用式(3)計算綜合初速偏差,求取初速修正量,解算首發(fā)射擊諸元,其精度最高。

2.1.1初速冷膛修正量統(tǒng)計模型

設火炮已有n次射擊過程,每次射擊過程首發(fā)、第2發(fā)實測初速分別為Vnc/1、Vnc/2,則初速冷膛修正量為

(5)

每次射擊,將每次射擊中第1、2發(fā)彈丸實測初速登記在火炮履歷簿中,在射擊預先準備時,按式(5)求出初速冷膛修正量統(tǒng)計值。

2.1.2膛蝕修正量統(tǒng)計模型

1)統(tǒng)計模型

由于炮彈發(fā)射磨損膛線,造成隨著發(fā)射數(shù)增大,初速降低。膛蝕引起的初速偏差量(ΔV0s),設取最近1次射擊中各發(fā)彈丸實測初速列表如表1所示，其中記錄了除首發(fā)外的各次射擊中各發(fā)實測初速。

表1　射擊實測初速、彈種符號、藥溫記錄表

根據(jù)測速雷達實測彈丸初速和射擊中藥溫、彈種符號,統(tǒng)計膛蝕(ΔV0s)模型如下:

(6)

式中，V0為彈藥表定標準初速；ΔV0y為藥溫差引起的初速偏差;ΔVoq為彈重差引起的初速偏差。

若有不同射擊過程求取膛蝕數(shù)據(jù),取近2次射擊過程統(tǒng)計膛蝕取平均。

2)藥溫差引起的初速偏差量ΔVoy計算模型

標準藥溫15℃,發(fā)射藥溫度與標準藥溫不同時,初速將會發(fā)生變化。由資料可得,藥溫每變化9～10℃(具體數(shù)值見基本射表)相當于初速變化1%。因此,實際藥溫偏離標準藥溫引起的初速偏差為

(7)

式中，T為實際藥溫,通常為彈藥庫溫度(若運出彈藥放在艙面時間較長時則為氣溫)。

3)彈重差引起的初速偏差量ΔVoq計算模型

在同一裝藥的情況下,彈丸重量增加,發(fā)射時彈丸運動的加速度減小,比標準彈重的彈丸初速就小,輕彈則相反。

彈重偏差由彈上的彈重符號標記。標準彈重為“±”或“H”;重彈以“+”、“++”、…表示,輕彈則以“-”、“--”、…表示。根據(jù)外彈道學理論,彈重偏差引起的初速偏差可按式(8)計算:

(8)

式中，Kq為換算系數(shù),一般取Kq=0.4V0。

2.2第2發(fā)及以后初速預測和修正量模型

由于冷膛影響,首發(fā)實測初速V1c/1中含有冷膛誤差ΔV0s,因此,第2發(fā)以后預測模型如下:

Vy/2`=V1c/1-ΔVn

(9)

第i發(fā)(2

Vy/i`=(V1c/1-ΔVn+V1c/2+…+V1c/i-1)/(i-1)

(10)

第i+1發(fā)(i≥5) 射擊諸元計算預測初速:

(11)

則第i發(fā)(i≥2)及以后各發(fā)初速修正量為

ΔV0i=Vy/i-V0

(12)

式中，V0為標準初速值;Vy/i為第i發(fā)(i≥2)預測初速。

3仿真結(jié)果分析

為了驗證新方法的正確性和有效性,特對使用新方法和不使用新方法做精度對比仿真試驗,采用某型艦炮射擊對海射擊進行仿真,標準初速值為860m/s,測速雷達測量精度為2.0‰,取冷膛引起的首發(fā)初速偏差ΔVn=5m/s,膛蝕引起的初速偏差=0.5m/s, 彈重差引起的初速偏差ΔV0q=0。射擊航路如表2所示。

在以上航路條件下,在捷徑處開火,射擊彈數(shù)為6發(fā),采用2X2校射,系統(tǒng)的對海統(tǒng)計精度如表3所示。

在以上航路條件下,在捷徑處開火,射擊彈數(shù)為10發(fā),采用2X2校射,系統(tǒng)的對海統(tǒng)計精度如表4。

表2　航路條件表

表3　射擊6發(fā)時系統(tǒng)打擊水面艦艇目標時的主要性能指標

表4　射擊10發(fā)時系統(tǒng)打擊水面艦艇目標時的主要性能指標

通過表3和表4可以看出,使用新方法后艦炮武器系統(tǒng)對海打擊效能明顯提高,特別是在上一次射擊氣溫與本次氣溫不同的情況下,系統(tǒng)前幾發(fā)的命中概率有了很大的提高,從而驗證了本文提出的測速雷達使用新方法的優(yōu)越性、先進性。

4結(jié)束語

本文在分析測速雷達作戰(zhàn)使用的基礎上,提出初速預測新模型、修正量模型等測速雷達使用新方法,極大地提高了艦炮武器系統(tǒng)對海作戰(zhàn)時首群命中效能,具有重要的現(xiàn)實軍事意義,而且,艦炮武器系統(tǒng)測速雷達使用新方法無需硬件改動,只需對控制計算軟件進行升級,實施簡便,具有廣闊的應用前景。

參考文獻:

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[3]劉海林.測速雷達在艦炮武器系統(tǒng)中的應用[J].無線電工程，2008，38(3):61-64.

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[5]楊蓉. 多普勒雷達測速系統(tǒng)設計及信號處理方法研究[D].武漢:華中科技大學,2012.

[6]汪德虎, 譚周壽,王建明. 艦炮射擊基礎理論[M].北京:海潮出版社, 1998.

Research on New Method of Velocity Radar

LI Yuan-sheng, CHEN Li-guo

(Systems Enjineering Research Institute of CSSC,Beijing 100094, China)

Abstract:By naval gun weapon system velocity radar combat use analysis, put forward velocity prediction model, modified new model using the new method. Then it is proved by simulation that this method can greatly improve the naval gun weapon system in front of the hit probability for sea battle. The conclusion of this paper is valuable in both theory and practice of improving the efficiency of naval gun weapon system.

Key words:naval gun weapon system; velocity radar; velocity prediction

中圖分類號:TN953.1；TJ391

文獻標志碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.02.026

作者簡介：李元生(1976-),男,湖南永順人,碩士,高級工程師,研究方向為艦炮武器系統(tǒng)。陳禮國(1978-),男,高級工程師。

收稿日期：2015-12-31

文章編號：1673-3819(2016)02-0123-04

修回日期： 2016-01-13