偏心安裝的導(dǎo)引頭隔離度測(cè)量值的修正*

楊 勇

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

偏心安裝的導(dǎo)引頭隔離度測(cè)量值的修正*

楊 勇**

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

針對(duì)偏心安裝條件下導(dǎo)引頭隔離度的測(cè)量偏差問題，介紹了一種導(dǎo)引頭隔離度測(cè)量值的修正方法。構(gòu)建了導(dǎo)引頭在轉(zhuǎn)臺(tái)上偏心安裝條件下的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了偏心安裝引起的導(dǎo)引頭輸出角速度偏差，分析了這種偏差對(duì)導(dǎo)引頭隔離度測(cè)量的影響，最后給出了一種導(dǎo)引頭隔離度測(cè)量值的修正方法。仿真和測(cè)試證明了該方法的可行性，這對(duì)解決雷達(dá)導(dǎo)引頭高精度指標(biāo)測(cè)量問題具有重要指導(dǎo)意義。

雷達(dá)導(dǎo)引頭；偏心安裝；隔離度測(cè)量值修正；擾動(dòng)頻率；角速度誤差

1 引 言

雷達(dá)導(dǎo)引頭是引導(dǎo)導(dǎo)彈跟蹤和捕獲目標(biāo)的高精度傳感器，但是由于導(dǎo)彈在飛行中會(huì)受到空氣阻力，引起彈體劇烈振蕩，從而導(dǎo)致雷達(dá)波束發(fā)生偏移和擺動(dòng)，甚至丟失目標(biāo)。為克服彈體擾動(dòng)影響，通常的雷達(dá)導(dǎo)引頭穩(wěn)定方法采用二軸兩框架穩(wěn)定方法，利用陀螺的慣性速率測(cè)量功能構(gòu)成穩(wěn)定回路來去除彈體擾動(dòng)并跟蹤目標(biāo)。因此，導(dǎo)引頭對(duì)彈體擾動(dòng)的去耦能力是導(dǎo)引頭的重要指標(biāo)之一，它將直接影響導(dǎo)引頭角速度測(cè)量精度[1-2]。常規(guī)的隔離度測(cè)量方法是利用雷達(dá)導(dǎo)引頭、轉(zhuǎn)臺(tái)、目標(biāo)模擬器和暗室環(huán)境構(gòu)成系統(tǒng)跟蹤回路，采用轉(zhuǎn)臺(tái)模擬彈體擾動(dòng)進(jìn)行測(cè)試[3-5]。這種方法需要將雷達(dá)導(dǎo)引頭通過結(jié)構(gòu)工裝安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，由于轉(zhuǎn)臺(tái)模擬的彈體擾動(dòng)角速度較大，因此，結(jié)構(gòu)工裝一般將導(dǎo)引頭的質(zhì)心設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)臺(tái)中心上，從而滿足轉(zhuǎn)臺(tái)在高速擺動(dòng)過程中保持力矩穩(wěn)定，這就產(chǎn)生了一個(gè)雷達(dá)導(dǎo)引頭天線旋轉(zhuǎn)中心與轉(zhuǎn)臺(tái)中心的安裝偏差，即偏心距。由于暗室中目標(biāo)模擬器到雷達(dá)導(dǎo)引頭的距離一般遠(yuǎn)大于偏心距，因此在導(dǎo)引頭的隔離度指標(biāo)要求不高的條件下，這種測(cè)試方法可滿足指標(biāo)要求。但是，隨著導(dǎo)引頭精度的提升，對(duì)隔離度的要求也越來越高，上述不考慮安裝偏心距的常規(guī)測(cè)試方法已經(jīng)無法滿足隔離度測(cè)量精度的要求。為此，本文構(gòu)建了雷達(dá)導(dǎo)引頭在轉(zhuǎn)臺(tái)上偏心安裝條件下的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了偏心距所引起的雷達(dá)導(dǎo)引頭輸出角速度誤差，并分析了該角速度偏差對(duì)導(dǎo)引頭隔離度的影響,最后給出了導(dǎo)引頭隔離度的補(bǔ)償方法。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明該方法補(bǔ)償了偏心距對(duì)系統(tǒng)隔離度的影響，可以滿足當(dāng)前導(dǎo)引頭隔離度的高精度測(cè)量要求。

2 隔離度定義及其測(cè)試系統(tǒng)

隔離度γ定義為天線電軸指向轉(zhuǎn)動(dòng)角速度與彈體轉(zhuǎn)動(dòng)角速度之比，隔離度越小，表明穩(wěn)定系統(tǒng)對(duì)彈體擾動(dòng)的隔離能力越強(qiáng)。由于介紹隔離度的理論模型及定義文章較多[6-7]，這里就不再贅述，本文主要從測(cè)試系統(tǒng)角度對(duì)隔離度進(jìn)行定義和分析。

理想隔離度測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，由雷達(dá)信號(hào)模擬源、擾動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)、導(dǎo)引頭、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和暗室環(huán)境組成。雷達(dá)信號(hào)源產(chǎn)生目標(biāo)模擬信號(hào)，導(dǎo)引頭接收該輻射信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行信號(hào)處理并通過隨動(dòng)系統(tǒng)使電軸始終保持指向目標(biāo)；擾動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)模擬彈體擾動(dòng)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄轉(zhuǎn)臺(tái)和導(dǎo)引頭輸出角速度數(shù)據(jù)；暗室環(huán)境為雷達(dá)信號(hào)模擬器向?qū)б^輻射模擬信號(hào)電磁波傳播的空間，同時(shí)屏蔽外界的干擾，為導(dǎo)引頭提供一個(gè)靜區(qū)空間。導(dǎo)引頭安裝在擾動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)上，且導(dǎo)引頭的天線轉(zhuǎn)動(dòng)中心與擾動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心重合。

圖1 理想隔離度測(cè)試系統(tǒng)

Fig.1 The ideal system for isolation test

隔離度的測(cè)試方法是：擾動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)模擬彈體在飛行狀態(tài)的擾動(dòng)，擾動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)在水平方向作正弦擺動(dòng)；目標(biāo)不動(dòng)，導(dǎo)引頭處于目標(biāo)跟蹤狀態(tài)；啟動(dòng)擾動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，在水平方向以規(guī)定的頻率和擺幅擺動(dòng)，導(dǎo)引頭穩(wěn)定回路對(duì)擾動(dòng)起去耦作用，角跟蹤回路保持電軸始終指向目標(biāo)。隔離度γ(f)按下式計(jì)算[8]：

(1)

擾動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的模擬原理是通過控制擾動(dòng)頻率和擾動(dòng)幅度的方法來達(dá)到彈體角擾動(dòng)模擬的目的。擾動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)模擬方法較為簡(jiǎn)單，通常是由超低頻正弦信號(hào)發(fā)生器經(jīng)隨動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)擾動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。通過調(diào)節(jié)正弦信號(hào)的頻率和幅度，可以模擬導(dǎo)引頭承受導(dǎo)彈彈體擾動(dòng)。假設(shè)θ(t,f)為擾動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角，b(t,f)為導(dǎo)引頭天線轉(zhuǎn)動(dòng)角，θ(t,f)和b(t,f)可分別表示為

θ(t,f)=Asin(2πft+φ)，

(2)

b(t,f)=Bsin(2πft+φ)。

(3)

(4)

(5)

由式(1)隔離度定義，可知最大隔離度ζ為

(6)

3 考慮偏心距的隔離度模型

實(shí)際隔離度測(cè)試系統(tǒng)必須考慮偏心距安裝誤差(如圖2所示)，根據(jù)在實(shí)際系統(tǒng)中導(dǎo)引頭、雷達(dá)信號(hào)模擬源以及擾動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)形成的三角幾何關(guān)系可知若不存在安裝偏心距，則導(dǎo)引頭的理想隔離效果應(yīng)使得在轉(zhuǎn)臺(tái)擾動(dòng)過程中導(dǎo)引頭天線指向始終保持初始天線指向方向。圖2中R為雷達(dá)信號(hào)模擬源到導(dǎo)引頭天線面的距離，r為導(dǎo)引頭在擾動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)上的安裝偏心距。

圖2 考慮偏心距誤差的隔離度測(cè)試系統(tǒng)

Fig.2 The isolation test system with a centroid offset

但由于安裝偏心距r的存在，使得在理想隔離條件下，導(dǎo)引頭也必然產(chǎn)生一個(gè)天線指向偏差角度b(t,f)。令k=R/r，?=2πf，其可表示為

(7)

式(7)兩邊對(duì)t求導(dǎo)，可得

(8)

其中：

(9)

(10)

(11)

由式(8)可知，這種偏心距引起的擾動(dòng)角速度可由雷達(dá)信號(hào)模擬源到導(dǎo)引頭天線面的距離R、偏心距r和轉(zhuǎn)臺(tái)頻率f等已知的測(cè)試常量表示，并唯一確定。因此，只要利用式(8)對(duì)測(cè)試獲得的導(dǎo)引頭角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，就可得到真實(shí)的隔離度測(cè)試結(jié)果。

4 仿真、試驗(yàn)結(jié)果及分析

假設(shè)雷達(dá)系統(tǒng)隔離度測(cè)試的仿真環(huán)境如圖2所示，其中R=7.6 m，偏心距r=0.01 m，擾動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率f=1 Hz，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)最大幅度A=14°，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣時(shí)間Ts=1 ms。上述仿真環(huán)境和參數(shù)均為常規(guī)導(dǎo)引頭測(cè)試環(huán)境及參數(shù)。

導(dǎo)引頭隔離度仿真結(jié)果如圖3～5所示。圖3和圖4分別為轉(zhuǎn)臺(tái)角速度和偏心距引起的導(dǎo)引頭角速度，由兩圖曲線對(duì)比可知后者在相位上滯后于前者180。圖5為偏心距引起的導(dǎo)引頭隔離度結(jié)果，最大隔離度值為0.131 6%，且該極值出現(xiàn)在擾動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)和導(dǎo)引頭角速度輸出曲線波峰或波谷處。

圖3 轉(zhuǎn)臺(tái)角速度

Fig.3 The angle-velocity of turntable

圖4 偏心距引起的導(dǎo)引頭角速度(仿真)

Fig.4 The simulated angle-velocity of seeker installed with a centroid offset

圖5 偏心距引起的導(dǎo)引頭隔離度

Fig.5 The isolation of seeker caused by the centroid offset

針對(duì)上述隔離度仿真系統(tǒng)，令導(dǎo)引頭安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上的偏心距r=0.01 m保持不變，轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率由1 Hz開始，按1 Hz步進(jìn)遞增到10 Hz，則導(dǎo)引頭隔離度仿真結(jié)果如圖6～8所示。圖6和圖7分別為轉(zhuǎn)臺(tái)和偏心距引起的輸出角速度最大值隨頻率的變化結(jié)果，圖8為偏心距引起的導(dǎo)引頭隔離度隨頻率的變化結(jié)果。由圖6和圖7可以看出，雖然轉(zhuǎn)臺(tái)和導(dǎo)引頭的角速度最大值均隨頻率的增大而增大，但是其隔離度輸出則始終保持不變(ζ=0.131 6%)。由此可知，偏心距引起的導(dǎo)引頭隔離度最大值與轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率無關(guān)。

圖6 轉(zhuǎn)臺(tái)角速度最大值隨頻率的變化

Fig.6 The angle-velocity maximum value of turntable with frequency variation

圖7 偏心距引起的角速度最大值隨頻率的變化

Fig.7 The angle-velocity maximum value caused by the centroid offset with frequency variation

圖8 偏心距引起的隔離度隨頻率的變化

Fig.8 The isolation caused by the centroid offset with frequency variation

同樣，令轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率f=1 Hz保持不變，導(dǎo)引頭安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上的偏心距由r=0.01 m開始，按0.01 m步進(jìn)遞增到0.1 m，則導(dǎo)引頭隔離度仿真結(jié)果如圖9所示。從圖9可知，安裝偏心距越大，則其引入的導(dǎo)引頭隔離度偏差越大，偏差值在0.131 6%～1.31 6%之間，又因?yàn)槌Ｒ?guī)導(dǎo)引頭的隔離度指標(biāo)要求為2%～3%，因此，如果不嚴(yán)格控制偏心距，將會(huì)極大影響導(dǎo)引頭隔離度指標(biāo)的測(cè)試精度。必要時(shí)，需要針對(duì)偏心距引起的導(dǎo)引頭隔離度進(jìn)行補(bǔ)償。

圖9 導(dǎo)引頭隔離度隨偏心距的變化

Fig.9 The isolation of seeker with centroid offset variation

采用上述方法對(duì)某雷達(dá)導(dǎo)引頭樣機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)隔離度測(cè)試，測(cè)試參數(shù)如下：R=7.6 m，偏心距r=0.01 m，擾動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率f=1 Hz，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)最大幅度A=14°，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣時(shí)間Ts=1 ms。導(dǎo)引頭隔離度測(cè)試結(jié)果如圖10所示，其中導(dǎo)引頭輸出角速度測(cè)試曲線存在大量噪聲和毛刺，經(jīng)低通濾波處理后可得導(dǎo)引頭系統(tǒng)隔離度測(cè)試結(jié)果為2.59 5%。利用本文提出的偏心距模型可得偏心距引起的角速度輸出曲線如圖11所示，通過計(jì)算可得偏心距所引起的隔離度為0.134 1%。由圖10和11可知，在實(shí)際測(cè)試過程中，由于真實(shí)測(cè)試設(shè)備與理論仿真存在一定誤差，實(shí)際偏心距引起的角速度與轉(zhuǎn)臺(tái)角速度在相位上基本不存在滯后，因此，可以認(rèn)為偏心距引起的角速度均正向疊加到導(dǎo)引頭輸出角速度上，從而導(dǎo)致導(dǎo)引頭的輸出角速度偏大，隔離度指標(biāo)變差。由于這里得到的偏心距引起的角速度為復(fù)數(shù)，并與導(dǎo)引頭角速度存在明確的幅度和相位關(guān)系，因此可在時(shí)域直接相減進(jìn)行補(bǔ)償。圖12所示為轉(zhuǎn)臺(tái)和補(bǔ)償后的導(dǎo)引頭輸出角速度，在補(bǔ)償偏心距引起的角速度后，導(dǎo)引頭隔離度為2.517%。由此可知，采用本文提出的偏心距模型可有效補(bǔ)償導(dǎo)引頭輸出角速度偏差，提高導(dǎo)引頭隔離度測(cè)試指標(biāo)精度。

圖10 導(dǎo)引頭和轉(zhuǎn)臺(tái)的角速度

Fig.10 The angle-velocities of turntable and seeker

圖11 偏心距引起的導(dǎo)引頭角速度(實(shí)測(cè))

Fig.11 The measured angle-velocity of seeker caused by the centroid offset

圖12 轉(zhuǎn)臺(tái)角速度和補(bǔ)償后的導(dǎo)引頭角速度

Fig.12 The angle-velocity of turntable and angle-velocity by compensating of seeker

5 結(jié) 論

本文介紹了一種在雷達(dá)導(dǎo)引頭隔離度測(cè)試過程中的測(cè)量值補(bǔ)償方法。該方法構(gòu)建了雷達(dá)導(dǎo)引頭在轉(zhuǎn)臺(tái)上偏心安裝條件下的數(shù)學(xué)模型，定量分析了偏心距對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭隔離度測(cè)試的影響。從仿真和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果來看，該方法可有效補(bǔ)償偏心距引起的角速度偏差，提高導(dǎo)引頭隔離度測(cè)量精度，這對(duì)解決雷達(dá)導(dǎo)引頭高精度指標(biāo)測(cè)量問題具有重要指導(dǎo)意義。

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YANG Yong was born in Fushun,Liaoning Province,in 1978. He received the Ph.D. degree from Wuhan University in 2006. He is now a senior engineer. His research concerns radar signal processing and image processing technology.

Email：25600073@qq.com

Revising of Measurement Isolation Value of Seeker Installed with a Centroid Offset

YANG Yong

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

The measured values from the isolation of seeker installed with a centroid offset commonly have bias. A data correcting method of the measurement isolation values of seeker is presented.The mathematical model of seeker installed on the turntable with a centroid offset is established. The angle-velocity errors caused by the centroid offset installation are derived for analyzing the influence of the angle-velocity errors on the measurement values of seeker. Finally,a revising method is given. Computer simulation and test result verify the feasibility of the proposed method. It is instructive for practical project in which missile tracks surface targets.

radar seeker;centroid offset installation；measurement isolation value revising；disturbance frequency；angle-velocity error

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.12.006

楊勇.偏心安裝的導(dǎo)引頭隔離度測(cè)量值的修正[J].電訊技術(shù)，2016,56(12):1335-1339.[YANG Yong.Revising of measurement isolation value of seeker installed with a centroid offset[J].Telecommunication Engineering,2016,56(12):1335-1339.]

2016-03-02；

2016-08-10 Received date:2016-03-02；Revised date：2016-08-10

TN953

A

1001-893X(2016)12-1335-05

楊 勇(1978—)，男，遼寧撫順人，2006年于武漢大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)信號(hào)處理、圖像處理等方面的研究工作。

**通信作者：25600073@qq.com Corresponding author：25600073@qq.com