弹载无线电高度表测高能力拓展方法研究与应用*

杜 江 陈 涛 付京来

(91851部队 葫芦岛 125001)



弹载无线电高度表测高能力拓展方法研究与应用*

杜 江 陈 涛 付京来

(91851部队 葫芦岛 125001)

高度表的测高能力决定了导弹纵向弹道的控制品质,影响导弹飞行高度的准确性和飞行安全。论文详细分析了决定高度表测高能力的主要因素,提出了拓展高度表测高能力的基本方法和实现途径,结合工程实践完成了量程拓展型高度表控制环节的改装设计以及接收机通频带、鉴频特性等关键参数的调整与优化。实验结果表明,该方法使该型高度表的量程增加了一倍以上,提升了装备的使用价值,满足了导弹弹道形态拓展的需求。

无线电高度表; 量程拓展; 有源带通滤波器; 鉴频器

Class Number TN958

1 引言

无线电高度表(简称高度表)是导弹控制系统的重要组成部分,其功能是实时测量导弹相对海面的真实高度,输出与飞行高度成比例的电压来对导弹进行质心稳定和控制。高度表的性能指标决定导弹纵向弹道的控制品质,直接影响导弹飞行高度的准确性和安全性[1～2]。

为提高突防概率,某型导弹拟大幅度突破原有飞行高度,进行纵向弹道跃升及机动。为实现导弹纵向弹道形态的突破,弹载高度表测高能力必须与飞行高度相适应并拥有良好的动态范围,而该导弹原有高度表测高范围远远达不到要求,高度表测高能力的提升是拓展导弹飞行空域,提高飞行能力需要解决的首要问题。为此,本文对该型导弹高度表控制环节进行改型设计,调整与优化接收机通频带和鉴频特性等关键参数,使高度表量程拓展到原有指标的一倍以上,有效提高了装备的使用价值。

2 高度表测高原理与工作过程

2.1 高度表测高原理

高度表通常利用无线电波的反射现象来测量飞行器与地面(或海面)的真实高度。由于无线电波在空气中的传播速度是恒定的,要测量飞行器与地面之间的距离,就必须测出无线电波从飞行器传到海面再反射回飞行器所需的时间。因为此时间很短不易测量,故主要采用差频法或调制信号周期法间接测量[2～3]。某型弹载高度表采用非恒定差拍开环测距体制,故其测高原理为差频法。其测高理论公式为

(1)

式中,fb为高度表接收频率与发射频率之差,即差拍频率;Δf为频偏;H为飞行高度;c为光速。由式(1)可以看出,当频偏Δf与调制频率不变时,差拍频率与飞行高度H成正比。

2.2 高度表工作过程

该型高度表由发射机、接收机、收发天线和高频馈线等部分组成。发射机包括调制器、振荡器、隔离器、倍频滤波组合、定向耦合器等器件,接收机包括平衡混频器、放大器、控制电路等器件。其基本工作过程为:振荡器在三角波主调制频率和锯齿波辅助频率调制下,输出一个带频偏的调频信号,按调制频率的规律作平稳地、周期性地变化,经滤波、隔离后由天线向外辐射;接收天线接收到的回波信号经接收隔离器送到平衡混频器与本振信号进行混频,选出其差频信号fb送到放大器进行放大;放大后的差频信号送到鉴频器,将差拍频率变换成与高度成比例的直流电压。高度表组成及工作原理如图1所示。

图1 高度表组成及工作原理方框图

3 量程拓展型高度表技术参数的重新选取

作为一种近程无线电探测设备,其量程是一个总体性的指标,必然体现在一系列具体的技术参数之中,量程的大范围拓展必然要求对这些具体参数进行重新计算和选取。因此,必须定量地分析量程与有关具体参数之间的对应关系,按照新的要求对技术指标进行重新设计分配,下面对接收机灵敏度、频率特性、输出特性等关键参数进行具体分析。

1) 接收机灵敏度

接收机灵敏度表示接收微弱信号的能力。能接收的信号越微弱,则接收机的灵敏度越高;接收机的灵敏度越高,则高度表的作用距离就越远[4～6]。由雷达基本方程高度表整机灵敏度经验公式可表示为

S=L0+Le

(2)

(3)

式中:S为整机灵敏度;L0为发射、接收馈线的衰减值;Le为外回路衰减值;M(H)为被测高度地表效应修正值,V2(H)为天线安装修正因子,当H>30m时,M(H)V2(H)近似为1;G为天线增益;λ为工作波长;σ0为散射地面雷达截面积,海面的雷达截面积近似为0.5,由式(2)、式(3)计算得:

S=K0-20lgH

(4)式中,K0为常数,由式(4)可知,测高高度H每增加一倍,整机灵敏度相差6dB。在发射机功率不变的情况下,随高度的增加接收机对信号的放大倍数每倍程必须增加6dB,以补偿信号在传输过程中的衰减。

2) 频率选择性

频率选择性表示接收机选择所需信号而抑制邻频干扰的能力。在实际电路中,差拍频率与测高高度的关系为

fb=500+10*H

(5)

式中,fb为差拍频率,H为测量高度。由式(5)可知,差拍频率与测量高度成线性关系,由于量程拓展导致差拍频率范围扩大,接收机的通频带必须按比例扩大。

3) 输出特性

高度表输出特性理论公式为

VH=2.05+0.08*H

(6)

式中,VH为输出的高度电压,H为测量高度。由式(6)可知,高度电压VH与测量高度成线性关系。由于量程拓展,在高高度时,VH必然饱和而不能代表真实的高度,若量程拓展几倍,则K1应按比例减小,高度表输出电路必须作相应改动。

4 高度表量程拓展方法及工程实践

4.1 高度表改装的基本方法

为实现高度表量程拓展,满足参数调整要求,降低改装风险,高度表改装采取以下基本方法:

1) 由于发射部件状态固化不易调整,故将改装重点放在接收部件;

2) 保持高频器件的工作状态和信号匹配关系不变,通过改变中频和低频电路特性达到参数调整要求;

3) 适当增加接收机放大倍数,同时采取有源和无源滤波手段抑制噪声防止自激振荡;

4) 重新设计带通滤波器以扩展接收机工作频带,满足量程拓展对频域特性的新要求;

5) 重新设计频率补偿放大器使接收机增益随量程而变化,以补偿发射信号强度衰减,满足量程拓展对时域特性的新要求;

6) 重新设计鉴频器电路以改变鉴频特性曲线,适应输出特性要求。

4.2 高度表改装的工程实践

在改装实践中,采取自动化设计与传统设计相结合的方法。运用电子设计自动化(Electronic Design Automation,EDA)软件建立主放大器、频率补偿器、鉴频器的电路模型,进行电路设计和仿真分析,能及早发现电路中潜在的错误,及时进行完善和修改。

1) 改变接收通频带

接收机采用有源带通滤波器电路对接收频带进行选择[7],其电路原理如图2所示。

图2 带通滤波器电路原理示意图

图3所示电路中,三极管BG1、BG2电路构成有源带通滤波器。其中C1、R1构成高通滤波器。其下限频率为

(7)

C3、C4、R4、R6构成低通有源低通滤波器,其上限频率为

(8)

改变以上R和C的值即可改变通带。

2) 改变鉴频特性

如图3所示,该型高度表输出特性是由计数型鉴频器[8]实现的,该鉴频器将放大器输出的差频率变成与高度成正比的直流电压,送入自动驾驶仪或作为其它控制信号用。鉴频电路如图所示,其电路原理如下:当输入信号发生第一负跃变时,由于BG1基极-发射极受二极管D3的控制,C1被BG1射极电流充电到Vin,当方波由负往正跃变到零时,C1向C2放电,输出特性公式为

(9)

式中RH=R2+4R3+W1

R3为温度补偿电阻,阻值相对较小,将R2阻值缩小,并微调W1,可使输出斜率按比例改变。

图3 鉴频器电路原理示意图

5 高度表联调试验与结果分析

高度表各部件改装完毕后,需要进行单元测试和联合调试。联合调试设备组成与连接关系如图4所示。其中测试台完成高度表接口转换与管理控制。微波通道是为高度表在实验室环境下进行测试而构造的一个射频控制通道,由微波开关、延迟器、检波器和各种衰减器组成[9],通过对微波通道的控制可以测量高度表以下性能:

1) 发射机发射的微波信号经过固定衰减器、定向耦合器和检波器后,可以用示波器检测到发射机发射的脉冲包络,定性判断发射功率、发射通频带是否符合指标。

2) 通过对微波开关的控制,可以模拟不同的高度状态,再通过控制衰减器,可以检测接收机在各个高度下的灵敏度。

图4 联合调试设备组成与连接关系示意图

图5 改装后高度表输出特性曲线

改装后高度表输出特性曲线和灵敏度特性曲线如图分别如图5、图6所示。可知改装改装后该型高度表接收灵敏度提高了约10dB,且输出线性度良好,能够满足导弹高弹道机动要求。

图6 改装后高度表灵敏度特性曲线

6 结语

本文通过弹载高度表工作原理及决定弹载高度表测高能力的主要因素的论证分析,提出了拓展高度表测高能力的基本方法和实现途径,结合工程实践完成了量程拓展型高度表控制环节的改装设计以及接收机通频带、鉴频特性等关键参数的调整与优化。单元测试和联合测试结果表明,该方法达到了量程拓展的效果,为无线电测量装备的性能提升提供了一种新思路。该方法进入实用阶段还需经过带飞试验,进一步确定其环境适用性。

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Expanding Method of Measurement Performance of Radio Altimeter

DU Jiang CHEN Tao FU Jinglai

(No. 91851 Troops of PLA, Huludao 125001)

The performance of altimeter decides the control qauality of missile portrait trajectory, and influences the veracity of flight altitude and the flight safe. This dissertation elaborates main factors determining measure performance, and proposes the methods and realization way advancing the measure performance. Based on the engineering practice, we refits and designs some altimeter’s control sectors and adapts and optimizes the critical parameters such as receiver pass-band and characteristics of frequency-detecting. It is shown this methods can double the altitude measure range increasing the equipment’s use value, and fulfils the need of enhancement of the trajectory feature.

radio altimeter, enhancement of measurement range, active band-pass filter, frequency-detecter

2014年9月3日,

2014年10月27日

杜江,男,硕士,高级工程师,研究方向:电磁场与微波技术。陈涛,男,硕士,工程师,研究方向:控制理论与控制工程。付京来,男,硕士,工程师,研究方向:自动化测试系统。

TN958

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.020