基于超低空工作的无线电引信建模与仿真*



基于超低空工作的无线电引信建模与仿真*

时宇若，赵琦，张弫

(北京电子工程总体研究所，北京100854)

摘要：以超低空掠海飞行的导弹为研究背景，给出了引信数学模型，并通过嵌入海杂波数学模型，实现对已有引信仿真系统的完善。仿真结果表明，完善后的引信仿真系统，能够仿真目标与海面的混合回波，评估引信的超低空性能。

关键词：超低空；无线电引信；信号处理；引信仿真

0引言

未来一段时间，我国主要威胁目标常利用低空和超低空飞行来实施突防。舰空导弹在进行掠海低空超低空飞行时，引信不仅能够探测到目标的回波信号，也会探测到不需要的海面回波信号。为了能够准确有效地拦截低空超低空飞行的目标，并防止由于海杂波引起的引信误爆，这就要求引信具有抵抗强海杂波干扰的能力[1-2]。如何使得引信只对目标可靠起爆，而不会因海面回波信号导致引信的误启动，是引战系统超低空作战领域研究的热点问题。

本文对超低空掠海引信的工作过程进行仿真，给出了引信的数学模型，在模型中利用波门自适应调整技术与频率识别技术相结合的方法，实现在混有背景信息的回波信号中检测目标。本文将海杂波模型嵌入到已有的仿真平台系统中，实现海背景下的目标检测仿真。完善后的引信仿真系统能够对引信工作的动态过程进行仿真[3-6]。

1引信数学模型

建立引信的数学模型是对引信进行仿真的基础，引信数学模型的主要内容包括引信的天线模型、发射机与接收机简化模型、信号处理模型。

1.1天线模型

天线模型用来计算天线增益。天线增益表征的是引信天线在发射探测信号时，辐射能量在方位上的差别，利用引信探测到的目标散射中心与天线坐标系各坐标轴的方位角，对天线增益进行划分。首先根据目标散射中心与天线坐标系xf轴的夹角θx，得到目标散射中心在天线轴向面内的增益值Ga；然后，根据测得目标散射中心在天线坐标系内的坐标在天线坐标系Oyfzf平面内的投影与天线坐标系yf轴的夹角θy，得到目标散射中心在天线滚动面内的增益值Gr；由此可以得到目标散射中心的增益为

Gi=GaGr.

(1)

1.2发射机与接收机简化模型

引信仿真系统不是从发射机与接收机的电路特性角度，而是从回波能量的强弱角度，利用灵敏度曲线建立发射机与接收机简化模型。灵敏度曲线表征的是不同距离处目标回波能量的差别。因此，利用引信探测到的目标散射中心与天线坐标系原点间的距离，得到目标散射中心所处位置对应的灵敏度值。灵敏度曲线与距离的对应关系如图1所示。

图1　灵敏度曲线与距离的对应关系Fig.1　Relationship between sensitivity curve　　　 and distance

当目标散射中心与天线坐标系原点间的距离在a，b之间时：

(2)

式中：DPA为目标散射中心与天线坐标系原点间的距离；Da为a点对应的目标散射中心与天线坐标系原点间的距离；Db为b点对应的目标散射中心与天线坐标系原点间的距离；S2为当目标散射中心与天线坐标系原点间的距离是Da时，发射机与接收机的灵敏度值；S为被探测目标散射中心对应的灵敏度值。

当目标散射中心与天线间的距离在b，c之间时：S=S1；

当目标散射中心与天线间的距离在c，d之间时：

(3)

式中：Dc为c点对应的目标散射中心与天线坐标系原点间的距离；Dd为d点对应的目标散射中心与天线坐标系原点间的距离。

1.3信号处理模型

当目标位于导弹下方，并与导弹做相向运动时，可以利用距离波门压缩和频率识别相结合的方法[7-8]，提高无线电引信抗海杂波干扰的能力。

1.3.1引信距离波门压缩

弹目交会时，导弹由高处向目标和海面接近。通常海面回波信号会先于目标信号进入引信的检测范围，如果引信距离波门的作用距离保持不变，当海面回波信号进入引信距离波门对应的探测范围时，引信就会输出起爆信号，引爆战斗部；而此时，目标并没有进入战斗部的有效杀伤区，导致引信早炸。

为了避免脉冲无线电引信由于海杂波干扰导致的引信误动作，在弹目交会过程中，引信实时跟踪海面回波信号。根据海面回波信号对应的引信距离波门，实时调整引信探测目标的距离波门，使引信探测目标的作用距离与海面始终保持一定的安全高度。这样，既可以使海杂波不进入引信探测目标的距离波门，又可以保证引信能够探测到目标信号。

在图2中，灰色物体为导弹，绿色物体为目标，导弹做掠海超低空飞行。当导弹引信探测到海面回波时，引信探测波束留出一定的安全距离，如图中的紫色范围。随着导弹海拔高度的下降，引信检测目标的探测波束始终留出紫色区域的安全距离，在橘黄色区域内探测目标信号。这样即能抑制海面回波对引信探测目标信号的影响，又能保证引信探测到目标回波信号。

图2　引信距离通道压缩示意图Fig.2　Sketch map of fuse distance channel compaction

1.3.2频率识别

当导弹采用迎头攻击方式，并且导弹速度矢量与目标速度矢量反方向的夹角较小的情况下，弹目相对速度大于导弹与海面间的相对速度，目标回波的多普勒频率大于海面回波的多普勒频率。

利用上述特点，在采用距离波门压缩方法的基础上，对目标和海面分别设置不同的频率检测窗口，将两者进行区分。如果回波信号的频率落入检测海杂波的频率窗口内，则认为是海杂波信号；反之，认为是目标信号。

将上述2种方法相结合，就能够将目标信号从混有海杂波的回波信号中提取出来，将目标信号与海面回波信号进行区分。综上，距离波门压缩和频率识别相结合方法的整体思想为：海面和目标在同一距离通道内对应不同的频率检测窗口，当某一距离通道探测到有信号能量超过该通道的门限值，并且过门限的频率处在探测海杂波的频率窗口内，则认为引信探测到海杂波信号。此时，将该距离通道对应的探测范围保留一定的安全距离作为引信探测目标的截止距离。如果在截止距离范围内，有信号超过门限值，并且过门限信号的频率处在探测目标的频率窗口内，则认为引信探测到了目标信号。

2海杂波数学模型

将海杂波仿真模块嵌入到已有的仿真系统中，实现对引信工作背景环境的模拟。

当导弹在海面上进行超低空掠海飞行，其上的无线电引信对海面进行探测时，如果将被照射的海面作为整体计算海面的回波能量，那么整个照射区域上各点的海面散射系数，与天线的距离，入射余角，多普勒频率这些与海面回波有关的参数分别为一定值。显然，这样计算得到的海面回波能量结果很不准确。因此需要将引信照射的海面进行划分，分别对每一个面元进行回波计算。各面元间与海面回波有关的参数跟随每一面元在参考坐标系内相对位置的不同而变化，而每一个小面元内各点的海面散射系数，与天线的距离，入射余角，多普勒频率这些与海面回波有关的参数分别为一常值。如此仿真得到的海面回波信号更接近实际情况。

本文利用距离环单元划分方法对引信照射的海面范围进行划分，利用TSC修正模型来表征海面的散射特性[9-11]。

距离环单元划分方法的基本思想为：由于导弹进行超低空掠海飞行时，其飞行的海拔高度很低，所以引信天线发射的波束与海面的相交面可以近似认为是圆形。照射区的圆心为导弹中心在海面上的投影，最大圆半径Rmax通过导弹的海拔高度和引信的探测距离确定，先按照步长ΔR沿圆半径将照射平面划分成等距离环，再将距离环按照步长Δθ划分为等方位角的多个细小面元。对单个的面元来说，其散射系数，面元与天线的距离，入射角，多普勒频率这些与海面回波有关的参数均为一常数。划分海面的示意图如图3所示。

图3　海面划分示意图Fig.3　Sketch map of gridding partition　　　of the sea surface

(4)

(5)

式中：GA，σz为擦地角因子；GW为风速因子；GU为风向因子；λ为雷达波长；φ为擦地角。

3目标及海面回波模型

在引信的仿真中，目标回波信号作为引信的输入，是仿真系统重要的组成部分。本仿真系统的输入包括引信探测的目标回波和海面回波2部分。

3.1目标回波模型

目前，国外普遍采用亮点法[12]计算目标回波。所谓亮点，是当电磁波从线尺寸远远大于波长的目标散射出来时，目标表面存在不多的强反射段，将这些强散射段进行归纳就能得到多个强散射点，而这些强散射点就称作亮点。任何复杂体目标都可以通过几个亮点来模拟，并且被观测物体表面亮点的数量和位置都是非常固定的，其反射强度仅与照射和接收的视线有关。

在计算目标的回波时，首先根据目标不同部位的形状特点拆解等效为不同的几何形状；其次确定亮点，亮点位于等效几何形状的镜面点上，并且认为目标的所有回波均来自这些亮点；最后，将各亮点的回波信号进行迭加，作为目标的整体回波：

(6)

式中：I(t-τi)为探测选通脉冲，τi为目标上第i个亮点信号的延迟时间；Pri为根据雷达方程得到的接收机输出端第i个亮点的信号功率；f0为载波频率，fdi为目标上第i个亮点的多普勒频率；φi为目标上第i个亮点的回波相位;n为亮点总数。

3.2海面回波模型

实际引信接收到的回波信号中，混有海面回波信号。因此，在引信仿真中，海面回波也应作为引信输入的一部分。

由雷达方程可以得到整个照射海面的回波计算公式：

(7)

式中:σ0i为第i个面元的后向散射系数；Ai为第i个面元的面积；Dt1表示引信探测RCS为1 m2的目标时，引信的最大探测距离；DPAi为第i个面元与天线坐标系原点之间的距离；Gi为天线增益；Si为灵敏度值；φPMi为第i个面元中心与导弹之间的相位；N为海面划分的面元总数。

4引信数学仿真

利用上述建立的引信模型，海杂波模型和目标回波模型对引信的工作过程进行仿真，整个仿真过程的流程图如图4所示。

图4　仿真流程图Fig.4　Simulation flow figure

引信仿真系统对20个空域点进行了仿真，仿真结果如表1所示。

表1　空域点仿真结果

下面将某次仿真结果显示如下。仿真所用的弹目交会条件为：

——弹目相对速度1 783.26 m/s；

——脱靶量24.591 2 m；

——目标海拔高度15 m；

——导弹在脱靶平面的海拔高度为24.143 m。

图5给出的是高度探测支路，在引信整个工作过程中距离通道的压缩情况。其中，横坐标为帧号，表示时间；纵坐标表示探测距离。黑线表示导弹飞行的绝对高度；绿线表示引信探测到海杂波所在的距离通道；红线为根据引信探测到的海面回波信号所在距离通道，经距离通道的压缩变换得到的引信该支路探测目标信号的安全通道范围，即引信在红线的下方范围进行目标信号的探测；蓝线表示目标信号所在的距离通道。通过将导弹的绝对飞行高度与海杂波通道和安全通道进行对比可知，引信的距离波门压缩逻辑正确。由图5还可以得出，引信探测目标的距离通道始终与海杂波所在的距离通道保持一定的安全距离，并且目标信号确实出现在引信探测目标信号的范围之内。

图5　高度探测支路距离通道压缩结果Fig.5　Result of high detection branch distance　　　channel compaction

此外，通过仿真计算还可以得到海面和目标的回波频率，以及海杂波和目标信号所在距离通道的结果。

在图6中，横坐标为帧号，纵坐标为回波频率值。黑线表示目标的回波频率，蓝线表示海面的回波频率，红线表示引信探测到海杂波所在距离通道对应的目标检测范围。

图6　高度探测支路目标与海杂波频率显示结果Fig.6　Result of high detection branch target　　　and sea clutter frequency

由图6可以看出，海面回波频率呈周期性变化，并且变化周期与海杂波距离通道的变化相一致。每个距离通道内，随着导弹海拔高度的降低，引信照射海面的范围变大，弹目视线与海面夹角变小，导致在一个距离通道内海面回波频率由小到大变化。

在图7中，横坐标为帧号，纵坐标表示距离通道。橘黄色的部分表示引信探测到海杂波信号的距离通道；蓝色部分表示引信探测到目标信号的距离通道。由图7可知，检测到海面回波信号的距离通道数量大于检测到目标信号的距离通道数量；可以明显看出引信由远及近地探测到海面和目标信号。

图5~7显示的均为引信动态仿真结果，最后由图8给出战斗部破片对目标的毁伤效果图，证明引信对目标起爆并且战斗部对目标具有一定的毁伤效果。

图7　高度探测支路目标与海杂波距离通道显示结果Fig.7　Result of high detection branch target　　　and sea clutter distance channel

图8　战斗部破片对目标毁伤效果示意图Fig.8　Sketch map of warhead fragment　　　damage effects on target

在图8中，绿线表示没有命中目标的破片飞散轨迹，红线表示命中目标的破片飞散轨迹。

5结束语

本文结合无线电引信的工作特点，通过嵌入海杂波仿真模块对已有的仿真系统进行完善，给出了引信的数学模型，实现了对引信工作过程的动态仿真。仿真结果表明，对于采用迎头攻击方式的导弹，在导弹速度矢量与目标速度矢量反方向的夹角较小的情况下，采用距离波门压缩和频率识别相结合的方法能够将目标信号从混有海杂波的回波信号中提取出来，从而有效抑制了海杂波对引信探测目标的影响。

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Modeling and Simulation of Radio Fuse Working on Extreme Low-Altitude

SHI Yu-ruo, ZHAO Qi, ZHANG Zhen

(Beijing Institute of Electronic System Engineering,Beijing 100854,China)

Abstract:Based on the missile flying above the very low sea surface, the fuse mathematical model is proposed. Byembedding sea clutter model, the existing simulation system is perfected.The simulation shows that the perfected simulation system can simulate the mixed echoes of target and sea surface. It can be used to evaluate the low-altitude ability of fuse.

Key words:extremelow-altitude; radio fuse; signal processing; fuse simulation

中图分类号：TJ760.3+19;TP391.9

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2015)-02-0203-07

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.02.033

通信地址：100854北京142信箱30分箱E-mail：syr13.student@sina.com

作者简介：时宇若(1989-)，女，北京人。硕士生，主要研究方向为引战系统总体设计。

基金项目：有

* 收稿日期：2014-02-25；
修回日期：2014-03-10