齐射高炮引信电磁兼容性分析:失效机理与应用建议

熊久良，武占成，孙永卫，高乐南

(1.军械工程学院 静电与电磁防护研究所，河北 石家庄050003;2.防空兵指挥学院，河南 郑州450052)

0 引言

某高炮防空旅使用某型榴弹引信进行了实弹射击，在单炮射击过程中，未发生早炸情况;改为连齐射，引信发生早炸，早炸率约为引信设计早炸率的数倍。从实弹射击情况可知，引信间存在相互干扰，即所谓的电磁兼容问题［1-2］。目前在引信电磁兼容方面已有大量研究成果，这些研究成果大都基于非引信的外部干扰［3-6］，而针对引信间相互干扰的研究却鲜见报道。文献［1］在分析自差收发机的电磁兼容性中指出，引信齐射或连射过程中理论上会存在电磁兼容问题。然而，由于缺乏实弹打靶验证，引信间的电磁兼容问题并没有引起太大关注。目前，实验室中对引信间电磁兼容问题的系统研究尚未见到公开报道。为分析部队实弹打靶引信早炸率过高原因，解决该引信实战使用难题，提出了实验室内引信互扰效应试验方法，开展了引信互扰效应试验，确定了引信失效机理，并提出了引信的战场使用建议。

1 试验方法

从实弹打靶情况来看，引信齐射过程中互扰效应与引信间的相对状态有关，而与每发引信的绝对状态无关。因此，构建两引信互扰效应试验系统，如图1所示。控制系统用来调整试验参数、发送控制指令并显示部分受试设备状态参数。状态调整装置接收控制指令，调整两受试引信的相对状态。信号监测系统用来实时测试和记录受试引信工作参数和响应信号变化情况。为保证试验的准确性，整个试验系统放置于屏蔽室中。为保证试验的安全性和可靠性，按照文献［4］的方法对引信进行改装，并将引信测试线引出以方便测试。以引信是否输出发火信号为判断标准，来评判引信间是否产生了互扰效应。

图1 试验配置图Fig.1 Experimental setup

为定量评价引信互扰效应程度，定义引信临界互扰距离为:两引信间产生相互干扰而导致引信意外起爆的最大距离。考虑到两引信相对状态的影响因素主要包括:相对速度、相对姿态、相对高度、辐射能量、辐射频率等，因此，进行两引信互扰效应试验时，需要研究以上因素对引信互扰效应规律的影响。具体试验方法:1)试验前利用接收天线、频谱仪和示波器等，在相同辐射条件和测试条件下测试并记录引信辐射能量、辐射频率等基本性能参数;2)受试引信以最强能量耦合姿态［7］处于同一水平面内，一发引信固定，另一发引信移动，采用直流稳压源为两发受试引信供电。调整两受试引信的相对状态，研究不同因素对引信临界互扰距离的影响;3)试验过程中实时监测引信辐射参数及发火信号，记录引信的试验状态和结果。

2 试验结果与分析

2.1 不同条件下引信互扰试验结果与分析

2.1.1 不同相对速度和相对高度试验结果与分析

为分析相对速度对互扰效应的影响，取两组试验引信，每组引信经摸底试验发现都能产生互扰效应。试验过程中，两引信处于同一水平面内，一发引信固定放置，另一发运动。两引信全部采用竖直放置方式，以不同速度、最强能量耦合姿态接近。对于相对高度对引信互扰效应的影响，取一组可以产生互扰效应的试验引信，一发引信固定竖直放置，另一发引信以不同相对高度、相同速度靠近固定引信。试验中，利用直流稳压源对两引信同时加电，观察引信发火情况，记录不同条件下引信意外发火瞬间引信临界互扰距离。试验结果如图2、图3所示。

图2 不同相对速度下互扰临界距离Fig.2 Threshold interactional distances at different relative velocities

图3 不同相对高度下互扰临界距离Fig.3 Threshold interactional distance at different relative height

从图2中可以看出，两引信无论在相对静止状态下(即相对速度为0)还是在相对运动状态下，在试验条件下都会出现意外发火。相对运动状态下临界互扰距离要大于静止状态，并且随着相对速度的增大，临界互扰距离也存在增大趋势，但是增加的绝对量较小。可见，引信临界互扰距离与相对速度有关，但是当相对速度高于一定值时，相对速度对临界互扰距离影响不大。考虑到测试误差，第1 组引信的临界互扰距离约为50 cm，第2 组引信的临界互扰距离约为135 cm. 从试验结果中还可以看出，同为0.8 m/s 的相对速度，第1 组引信的临界互扰距离约为47 cm，而第2 组引信约为134 cm. 可见，相同速度不同引信组合下引信临界互扰距离不同。可知引信临界互扰距离不仅与相对速度有关，还受其他因素的影响。

从图3中可以看出，引信临界互扰距离受相对高度的影响，相对高度越低，引信临界互扰距离越大。在其他因素不变、只改变相对高度的试验条件下，当相对高度约为40 cm 时，引信间不再产生互扰效应。另外，试验中发现，当引信发生互扰效应时两引信同时意外发火，并且发火瞬间引信辐射频率和能量变为同一数值。

2.1.2 不同夹角和射角试验结果与分析

选取一组可以产生互扰效应的引信，固定引信能量耦合方向、相对高度，分别调整引信夹角和射角，使引信处于不同姿态，以相同速度使两发引信靠近，研究不同夹角、不同射角对引信互扰效应的影响。试验中同时对受试引信加电，观察受试引信发火情况，记录不同姿态下引信意外发火瞬间引信临界互扰距离。试验结果如图4、图5所示。

图4 不同相对姿态下互扰临界距离Fig.4 Threshold interactional distances in different relative poses

图5 不同射角下互扰临界距离Fig.5 Threshold interactional distances at different firing angles

从图4中可以看出，不同姿态下引信的临界互扰距离不同，即引信临界互扰距离与两引信的夹角有关。两引信竖直向上姿态时(夹角为0°)，引信临界互扰距离最大约为50 cm;引信头部相对时(夹角为180°)，引信临界互扰距离最小，约为9 cm. 从试验结果中还可以看出，在其他条件不变的情况下，随着夹角的增大，引信临界互扰距离逐渐减小。这主要是因为受试引信为弹体天线，其天线方向图呈横“8”字型，辐射能力两边最强，中间最弱。可以看出，引信姿态的改变实际上是改变了引信的辐射(或接收)的能力，从而影响了引信的相互干扰能力。

从图5中可以看出，不同射角下引信临界互扰距离基本没有变化。实质上，由于射角与火炮和目标的位置有关，当火炮位置固定后，射角就只决定于目标的垂直高度。对于两门火炮而言，不管目标的垂直距离如何变化，3 个坐标点在同一个平面内，即目标垂直距离变化时，两引信的射角同时变化。可见，射角变化时，两引信的相对状态并没有产生任何改变。试验中也发现引信发生互扰效应时两引信同时意外发火，并且发火瞬间引信辐射频率和能量变为同一数值。

2.1.3 不同辐射频率和能量试验结果与分析

为研究不同辐射参数对引信互扰效应的影响，试验中分别采用频差相同而辐射能量不同以及辐射能量相近而频差不同的引信组合进行对比试验。两引信以最强能量耦合姿态放置，以相同速度、相同高度、固定姿态接近，利用直流稳压源对引信同时加电，观察受试引信发火情况，记录不同速度下引信意外起爆瞬间引信临界互扰距离。试验结果如图6、图7所示。

图6 不同辐射频率下互扰临界距离Fig.6 Threshold interactional distances at different radiation frequencies

图7 不同辐射能量下互扰临界距离Fig.7 Threshold interactional distances in different radiation energies

从图6中可以看出，不同频差下，引信临界互扰距离不同。频差越小，临界互扰距离越大，即引信相互间越容易干扰。可见，要产生引信互扰效应必须满足一定的频差范围。对比图6中不同引信组合试验结果可知，不同引信组合即便有相同的频差，引信临界互扰距离仍然有很大差别。这从一个侧面证明了引信辐射能量对引信互扰距离存在影响。

从图7中可以看出，相同频差不同辐射能量下，引信临界互扰距离不同。可见，引信互扰效应受到引信辐射能量大小的影响。另外，试验中也发现引信发生互扰效应时两引信同时意外发火，并且发火瞬间引信辐射频率和能量变为同一数值。

2.2 失效机理分析

2.2.1 理论分析

从实际打靶场景可知，两引信在产生互扰效应的时刻，对于其中一发引信而言，另外一发引信可以看成有源干扰。文献［8］研究表明，当外加干扰信号频率与引信自差机工作频率接近时，可以产生牵引振荡，使得引信检波端输出信号波动导致引信意外发火。可以推测，引信发火的原因是由于在互扰时刻两引信的状态参数(频率和能量)达到了牵引振荡的需求，产生频率牵引导致了引信意外发火。

对于牵引振荡而言，只要频率和能量满足牵引的要求，就能产生有效的干扰，这种干扰是和相对运动速度无关的。然而，试验中发现，不同相对速度下引信的临界互扰距离并不完全相同，特别是运动状态和静止状态结果有较大差距。可见，引信能否意外发火是和相对速度有关的。也就是说，相对速度的存在提供了引信牵引需要的条件。可见，虽然在互扰时刻两引信由于频率牵引而意外发火，但是在互扰以前两引信的工作状态参数并不能满足频率牵引条件。换句话说，由于相对运动速度的存在，使得引信工作参数发生变化，在临界互扰距离内都满足频率牵引条件，从而导致了引信意外发火。

从自差机振荡理论可知［8］，其振荡电路是一个变参量的电路，即其电路中的分布参数受外界影响比较大。假定振荡回路的振荡频率f 为

式中:L、C 分别为振荡电路的参数。

当各种因素使L、C 的变化量分别为ΔL、ΔC时，振荡频率的变化量可表示为

(2)式和(3)式表征的是振荡电路频率稳定程度。可见，振荡器的振荡频率主要取决于振荡电路的L、C，任何改变参数值的因素都会影响振荡电路工作状态。

在试验中发现，引信互扰效应只有在临界距离内才能发生。由于频率牵引只有在满足频率和能量要求时才能发生，可以得到临界互扰距离与引信辐射参数的关系如(4)式所示。

式中:f1为引信1 辐射频率;f2为引信2 辐射频率;E1为引信1 辐射能量;E2为引信2 辐射能量。

只要f1、f2、E1、E2中有参数变化，那么引信临界互扰距离λ 就会改变。从试验结果可知，相对速度、夹角、相对高度等因素都会影响上述参数。根据天线互易定理和文献［9 -12］的研究结论可知，引信自身的辐射能力(辐射频率和能量)以及对外在信号的接收能力与引信方向图、天线体制、相对极化方向、相对距离等参数特性有关，任何影响上述参数的因素，都会影响引信的实际辐射能力和对干扰信号的实际接收效果。试验中相对速度、加电方式的不同改变了两引信振荡电路的参数，从而使得f1、f2发生变化;而相对夹角和相对高度实际上是改变了引信的姿态，即改变了引信天线方向图，引信辐射信号的能力和接收能量的能力都会随之改变，从而使得引信接收到的E1、E2发生变化。

从振荡电路的分析中可以看出，只要能够影响引信振荡电路的电容或电感参数就能造成引信辐射参数的改变。对于受试引信而言，其自差机振荡器由集中参数元件和分布参数元件构成，其等效的电容三点式振荡回路中的电感和电容分别由天线的等效电感和晶体三极管的极间电容来担任。从两引信的作用过程来看，在两引信靠近过程中，其姿态在不断变化，引信振荡回路的分布参数产生了变化，使得引信辐射参数不断变化，产生类似扫频的效果。当两引信辐射参量变化到满足频率牵引条件时，就会导致引信意外发火。

2.2.2 试验验证

为验证理论分析结论，在试验过程中，利用美国Tektronix 公司生产的RSA3408A 实时频谱分析仪(DC ～8 GHz)实时观察和记录引信辐射参数变化情况，利用示波器对引信互扰瞬间检波电压信号和发火信号进行测试，结果如图8～图10 所示。

从图8和图9中可以看出，只有在一定距离范围内引信才能发生互扰效应，并且不论是静止状态还是运动状态，在互扰发生时刻两引信的频率和能量都在不断变化。从图8和图9中也可以明显地看出，互扰时刻发生了频率牵引，两引信的辐射频率变为同一频率，这一结论与文献［1］的结论相同。对比图8和图9还可以看出，运动状态下，引信辐射参数变化要比静止放置下变化更剧烈。可见，引信的相对运动状态对引信互扰条件有着一定的影响。从图10 中可以看出，产生互扰效应瞬间，引信检波电压产生了波动，电压波动峰值约为2.5 V. 根据引信信号处理特点，该检波电压信号完全能够导致引信误动作。

图8 不同距离固定放置条件下两引信辐射频率及能量变化情况Fig.8 Changing results of radiation frequency and energy when fuzes are fixed at different distances

综上可以得出打靶引信互扰机理为:引信接近互扰过程中，由于引信相对状态的影响，使得两引信辐射参数处于不断变化中;两引信同时进行类似于扫频模式的干扰;当两引信辐射参数满足牵引需求时，就会产生频率牵引，导致引信检波电压出现波动，从而使引信意外发火。

3 引信战场应用建议

图9 0.5 m/s 相对速度下引信辐射频率及能量变化情况Fig.9 Changing results of radiation frequency and energy at relative velocity of 0.5 m/s

图10 引信互扰时刻信号测试结果Fig.10 Signal test in interaction time

从以上分析可知，在安全距离外，受引信设计技术原因，在进行连齐射时，早炸问题无法避免。考虑到部队的实际作战应用需求，在不设计新型引信的前提下，通过战术应用来降低引信的早炸率是最直接有效的途径。从互扰效应规律可以看出，只有在一定距离范围内，引信才能产生互扰。因此，根据引信的特点，合理调整阵地上的火炮布局，以降低相邻引信产生干扰的概率是较为可行的方法。

从引信工作特点可知，从炮目垂直面上看，引信弹着点对散布中心的综合偏差服从二维正态分布，其平面误差是由方向和高低两个相互独立的分误差合成的，且都符合正态分布，其概率密度函数可表示为

二维平面随机误差的概率密度函数可表示为

(5)式～(7)式中:X、Y 分别为方位误差和高低误差;分别为x、y 的数学期望;Ex、Ey分别为x、y 的公算偏差;ρ 为炮兵常数。

以两门火炮为例，引信在飞行过程中产生互扰效应时的状态如图11 所示。图中:O 为火炮阵地中心;P1、P2为两火炮位置;R 为火炮间距;M 为目标;M'为目标投影坐标点;H 为目标高度;ε1、ε2为两火炮的射角;d1、d2为引信的实际飞行距离;D1、D2为炮目斜距离;O1、O2分别为引信在距离d1、d2上的散布区域的中心;O1X'Y'为炮目垂直面上以O1为原点建立的坐标系;Q1、Q2分别为临界互扰距离在散布区域中与X'轴的交点。考虑炮目斜距离远大于火炮间距，可认为两炮目斜距离D、实际飞行距离d以及散布区域相同。从图中的三角关系可知:

即

图11 两引信互扰状态图Fig.11 Interaction state of the fuzes

值得注意的是，实际散布通常是表定散布的2 ～3 倍，计算时取2.5 倍的中间偏差，这样更符合实际情况。以实弹打靶中的“二四二”布局为例，在综合标定情况下8 门火炮的坐标P1～P8依次为(-R/2，R)、(R/2，R)、(-3R/2，0)、(- R/2，0)、(R/2，0)、(3R/2，0)、(- R/2，- R)、(R/2，- R)。记Pi、Pi+1，i=1，2，…，7，引信在距离d 处在牵引距离λ 内的概率为Pij，则8 门火炮中任意两发引信在距离d 处在牵引距离内的概率为

将(10)式代入(11)式可知:

假定开火距离为1 500 m，高度为400 m，平均临界牵引距离为0.5 m，根据不同引信实际飞行距离，通过查火炮射表得到公算偏差，数学期望取4 倍公算偏差。从而可以计算得到不同火炮配置距离R，不同引信实际飞行距离d 处，两引信处于牵引距离内的概率。计算结果如图12 所示。

图12 不同火炮间距和飞行距离下的引信牵引概率Fig.12 Pulling rates at different flying distances

从图12 中可以看出，在火炮配置间距R 不变的情况下，任意两发引信在牵引距离内的概率随着引信飞行距离d 的增加而增大;在一定飞行距离d 下，进入牵引距离的概率随着火炮配置间距的增加而减小。从而可知，适当增加火炮间距可有效减小引信早炸率。

4 结论

针对打靶引信早炸率过高的问题，研究了引信的互扰效应规律和失效机理，并提出了打靶引信战场使用建议。研究发现，引信相对速度、相对姿态、相对高度、辐射能量、辐射频率等因素都会对引信临界互扰距离产生影响;齐射条件下引信早炸率过高的原因为:各种因素使得相互靠近中的引信辐射参数不断变化，当辐射参数满足频率牵引需求时，将发生频率牵引效应，导致引信意外起爆;另外，由于引信生产过程中频率的散布性使得齐射条件下靶试引信互扰问题无法避免。虽然合理火炮布局可以有效地降低引信早炸率，但无法根本解决此问题。使用比较成熟的技术研制新的无线电引信或进行靶试引信彻底改造是解决此问题的根本所在。

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