基于軟件仿真獲取引信啟動特性研究

劉 亮， 程妹華

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

0 引言

引信研制過程中，需對引信進行啟動數據獲取試驗，驗證啟動特性是否滿足總體要求。根據試驗數據中啟動距離和啟動角數據，可以進行引戰(zhàn)配合設計。

傳統的滑軌試驗方法：引信面對標準金屬球作高速運動，模擬彈目交會過程，并且記錄產品對標準小球的啟動數據。根據數據中方位信息與動作信息，計算出產品對目標的啟動距離和啟動角。試驗過程中，方位信息的獲取是關鍵因素，若獲取方位信息有較大誤差，則獲取的試驗數據無效。傳統的滑軌試驗對試驗場提出了較為嚴酷的條件，試驗過程中影響的因素較多，并且獲取的試驗數據有限，對引戰(zhàn)配合設計帶來難度。

本文提出采用基于軟件仿真方式獲取引信啟動數據。獲取的啟動特性數據豐富，并可通過簡單的靜態(tài)多普勒調制滑軌試驗進行仿真數據驗證。此方法與傳統的滑軌試驗相比，具有方便快捷、安全可靠等優(yōu)點。

1 傳統滑軌試驗方法

傳統滑軌試驗方法：采用滑車攜帶試驗艙的方式進行試驗，滑車上安裝有引信及天線試驗艙、試驗供電設備（電池）、信號記錄儀、附加器、控制盒和遙控電源開關。滑軌試驗的示意圖見圖1。

滑車在動力系統作用下，向吊掛在滑軌上方指定高度的目標下方滑行，模擬彈目交會過程，記錄引信的相關輸出信號?？紤]到試驗場地周邊地物的復雜性，在距試驗艙體兩側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對引信的干擾。根據試驗數據中方位信息與動作信息，計算出產品對目標的啟動距離和啟動角，進而獲取引信的啟動數據。

2 軟件仿真獲取啟動數據

2.1 軟件設計原理

根據引信工作原理可知［1，2］，引信啟動數據主要取決于目標雷達散射截面積RCS、彈目距離變化引起的回波強度變化、距離變化引起的信號處理增益變化、引信靈敏度、引信收發(fā)天線H面方向圖。根據以上因素，可建立啟動距離與啟動角的關系，數學模型為

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

根據計算得到的ΔG1G2，通過查找收發(fā)天線H面方向圖，可以獲得某一脫靶量下的啟動角。

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

由圖1可得

由式（2）、（3）、（4）可得

由式（5）可知，當脫靶量已知時，發(fā)射傾角θ1和接收傾角θ2具有確定關系。根據ΔG1G2查收發(fā)天線方向圖就可獲得發(fā)射傾角θ2，即啟動角。

下面討論距離引起的回波強度變化的影響。

雷達目標回波的反射功率為［1］

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

由式（6），可以導出當目標距離由R0變?yōu)镽1時，回波強度增益變化量為

根據式（6），可以推導出當目標RCS由σ0變?yōu)棣?時，回波強度增益變化量為

當發(fā)射碼元數為m1時，對應啟動距離門為L1收到的回波信號碼元數為L（L≤m1）或2m1—L（L＞m1），噪聲碼元數為m1，若通過滑軌試驗得到了引信對某一目標的啟動距離門和啟動角時發(fā)射碼元數為m0，對應收到的回波信號碼元數為n0，噪聲碼元數為m0，則啟動距離門為L1（發(fā)射碼元數為m1）相對于啟動距離門為L0的回波信號相關檢測損失為［3］

2.2 軟件設計流程

根據計算模型，以靜態(tài)滑軌試驗得到的一組啟動數據為基準數據，通過設計仿真計算軟件來推算各啟動距離門對應的啟動角，設計的仿真計算軟件應用模型如圖3所示。

2.3 仿真結果

根據引信的實際靈敏度與軟件設計時的基準靈敏度的差值，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曲線。某占空比下引信對RCS為25 m2標準金屬球的啟動曲線如圖4所示。

3 靜態(tài)滑軌試驗驗證

3.1 靜態(tài)滑軌試驗原理

采用靜態(tài)調制方式的滑軌試驗，可模擬多普勒對信號的調制，試驗原理圖如圖5所示。

調制信號發(fā)生器產生多普勒信號，可設置不同的多普勒頻率檔位。單邊帶調制器對回波信號進行不同的多普勒調制。由于信號在單邊帶調制器中有8 dB以上的衰減，為達到模擬真實試驗的效果，可采用對回波多普勒信號進行放大的處理，來免補因單邊帶調制損耗的信號強度。

3.2 啟動數據獲取

靜態(tài)滑軌試驗時，將引信安裝在小車上，推動小車向目標移動，觀察小車在向目標移動的過程中引信動作情況。在引信動作時，記錄引信的位置。通過計算引信與目標的幾何關系，計算引信的啟動距離和啟動角。

4 啟動數據有效性分析

4.1 靜態(tài)滑軌試驗數據有效性分析

傳統滑軌試驗采用使引信相對固定目標運動產生多普勒效應。靜態(tài)滑軌試驗則采用調制信號對引信的回波信號進行調制產生多普勒效應。靜態(tài)滑軌試驗與傳統滑軌試驗在理論上等效。以某引信試驗為例，在進行傳統滑軌試驗前，都進行了靜態(tài)滑軌試驗，靜態(tài)滑軌試驗試驗結果與傳統滑軌試驗數據相吻合，可見靜態(tài)滑軌試驗數據有效。

4.2 軟件仿真獲取引信啟動特性有效性分析

在某引信中進行仿真獲取引信啟動數據，將仿真結果與傳統滑軌試驗數據進行對比可知，仿真的結果與試驗數據的偏差基本在1°以內，最大不超過2°。圖6為某狀態(tài)下啟動特性仿真曲線與傳統滑軌試驗數據所得曲線的對比，可以看出兩條曲線的偏差最大不超過1°［2］。

數據出現偏差的原因：

滑軌試驗耗時耗力，試驗的狀態(tài)多，每個狀態(tài)下的試驗次數較少，統計樣本少，試驗誤差對統計結果影響較大；由引信的工作機制決定，在各距離門的交會處相關性較小時，此時的目標回波較弱，甚至加大了目標的閃爍效應，造成滑軌試驗數據起伏較大；因滑軌試驗持續(xù)時間較長，在整個試驗過程中產品靈敏度測試結果也有變動，而啟動特性曲線的仿真計算是以基于靈敏度固定為前提的，1 dB的靈敏度差異會引起近1°的偏差。

5 以靜態(tài)滑軌試驗與軟件仿真獲取啟動數據的優(yōu)勢

軟件仿真與靜態(tài)滑軌試驗驗證獲取啟動數據方式，較動態(tài)速度調制方式在安全性、可靠性、經濟性和便利性上都具有優(yōu)勢。

由于動態(tài)滑軌試驗采用高臺作業(yè)，在試驗準備期間對試驗人員和設備安全調試都具有較嚴格的要求。試驗過程中多普勒頻率是由火工品助推產生的速度提供，涉及到火工品，對試驗安全性提出更苛刻的條件。采用靜態(tài)調制的方法將可避免上面的兩個問題，對試驗的安全性有很大的提升。采用動態(tài)調制方法產生的多普勒頻率不可能很大，要保證試驗成功，必須下調產品的多普勒頻率下限，此措施會影響試驗數據獲取的可靠性；采用靜態(tài)調制的方法，產生的多普勒頻段范圍可以做得很寬，并且可以根據試驗的需要進行調節(jié)，避免了假擊發(fā)和不動作的風險。采用動態(tài)調制方式，對試驗各方面要求都比較高，試驗過程中一點小的疏忽就會導致試驗的失敗，進而造成較大的經濟損失，而靜態(tài)方式所需的費用很低，不會有大的經濟損失。

另外，動態(tài)方式在試驗過程中，因速度太快而使試驗危險不受控制，而靜態(tài)方式則不受速度的限制，可由試驗隊員自行控制試驗過程，能更加方便、便利的進行數據采集和分析。

6 結論

傳統滑軌試驗獲取的引信啟動數據有限，試驗實施較復雜，對滑軌試驗場的硬件條件要求較高。靜態(tài)滑軌試驗對滑軌試驗場硬件條件要求不高，試驗簡單、經濟安全。采用靜態(tài)滑軌試驗數據為軟件仿真啟動特性的參照點，以天線方向圖和滑軌試驗軟件仿真方式獲取引信的啟動特性。此方法使實踐和理論很好結合，仿真引用的數據可以根據產品的實際參數設定和修改，可擴展性好。這種軟件仿真結合靜態(tài)滑軌試驗獲取引信啟動特性的方法，尚未在型號產品中實際應用，驗證數據量還不夠充分。若要將此方法得以推廣應用，需進行更多的驗證。