基于软件仿真获取引信启动特性研究

刘 亮， 程妹华

（1.贵州航天电子科技有限公司，贵州 贵阳550000；2.上海无线电设备研究所，上海200090）

0 引言

引信研制过程中，需对引信进行启动数据获取试验，验证启动特性是否满足总体要求。根据试验数据中启动距离和启动角数据，可以进行引战配合设计。

传统的滑轨试验方法：引信面对标准金属球作高速运动，模拟弹目交会过程，并且记录产品对标准小球的启动数据。根据数据中方位信息与动作信息，计算出产品对目标的启动距离和启动角。试验过程中，方位信息的获取是关键因素，若获取方位信息有较大误差，则获取的试验数据无效。传统的滑轨试验对试验场提出了较为严酷的条件，试验过程中影响的因素较多，并且获取的试验数据有限，对引战配合设计带来难度。

本文提出采用基于软件仿真方式获取引信启动数据。获取的启动特性数据丰富，并可通过简单的静态多普勒调制滑轨试验进行仿真数据验证。此方法与传统的滑轨试验相比，具有方便快捷、安全可靠等优点。

1 传统滑轨试验方法

传统滑轨试验方法：采用滑车携带试验舱的方式进行试验，滑车上安装有引信及天线试验舱、试验供电设备（电池）、信号记录仪、附加器、控制盒和遥控电源开关。滑轨试验的示意图见图1。

滑车在动力系统作用下，向吊挂在滑轨上方指定高度的目标下方滑行，模拟弹目交会过程，记录引信的相关输出信号。考虑到试验场地周边地物的复杂性，在距试验舱体两侧一定距离处安装贴有吸波材料的挡板，以屏蔽周边地物回波信号对引信的干扰。根据试验数据中方位信息与动作信息，计算出产品对目标的启动距离和启动角，进而获取引信的启动数据。

2 软件仿真获取启动数据

2.1 软件设计原理

根据引信工作原理可知［1，2］，引信启动数据主要取决于目标雷达散射截面积RCS、弹目距离变化引起的回波强度变化、距离变化引起的信号处理增益变化、引信灵敏度、引信收发天线H面方向图。根据以上因素，可建立启动距离与启动角的关系，数学模型为

式中：ΔG1G2为相对已知启动角收发天线增益总变化量；Y1为距离引起的回波强度增益变化量；Y2为相关检测增益变化量；Y4为RCS引起的增益变化量；ΔS为灵敏度的变化量。

根据计算得到的ΔG1G2，通过查找收发天线H面方向图，可以获得某一脱靶量下的启动角。

引信弹目交会示意图如图2所示。图中：θ1为发射天线到目标的连线与天线口面的夹角；θ2为接收天线到目标的连线与天线口面的夹角；R1为发射天线到目标的连线距离；R2为接收天线到目标的连线距离；ρ为目标距天线口面的垂直距离；r为接收天线与发射天线间距（设为1 m）。

由图1可得

由式（2）、（3）、（4）可得

由式（5）可知，当脱靶量已知时，发射倾角θ1和接收倾角θ2具有确定关系。根据ΔG1G2查收发天线方向图就可获得发射倾角θ2，即启动角。

下面讨论距离引起的回波强度变化的影响。

雷达目标回波的反射功率为［1］

式中：Pr为接收的回波功率；Pt为雷达发射功率；G为天线增益；σ为目标的雷达散射截面积；R为目标距离；λ为波长。

由式（6），可以导出当目标距离由R0变为R1时，回波强度增益变化量为

根据式（6），可以推导出当目标RCS由σ0变为σ1时，回波强度增益变化量为

当发射码元数为m1时，对应启动距离门为L1收到的回波信号码元数为L（L≤m1）或2m1—L（L＞m1），噪声码元数为m1，若通过滑轨试验得到了引信对某一目标的启动距离门和启动角时发射码元数为m0，对应收到的回波信号码元数为n0，噪声码元数为m0，则启动距离门为L1（发射码元数为m1）相对于启动距离门为L0的回波信号相关检测损失为［3］

2.2 软件设计流程

根据计算模型，以静态滑轨试验得到的一组启动数据为基准数据，通过设计仿真计算软件来推算各启动距离门对应的启动角，设计的仿真计算软件应用模型如图3所示。

2.3 仿真结果

根据引信的实际灵敏度与软件设计时的基准灵敏度的差值，将差值输入仿真软件，RCS分别输入25 m2、15 m2。输入不同占空比值，即得到各占空比条件下的启动曲线。某占空比下引信对RCS为25 m2标准金属球的启动曲线如图4所示。

3 静态滑轨试验验证

3.1 静态滑轨试验原理

采用静态调制方式的滑轨试验，可模拟多普勒对信号的调制，试验原理图如图5所示。

调制信号发生器产生多普勒信号，可设置不同的多普勒频率档位。单边带调制器对回波信号进行不同的多普勒调制。由于信号在单边带调制器中有8 dB以上的衰减，为达到模拟真实试验的效果，可采用对回波多普勒信号进行放大的处理，来免补因单边带调制损耗的信号强度。

3.2 启动数据获取

静态滑轨试验时，将引信安装在小车上，推动小车向目标移动，观察小车在向目标移动的过程中引信动作情况。在引信动作时，记录引信的位置。通过计算引信与目标的几何关系，计算引信的启动距离和启动角。

4 启动数据有效性分析

4.1 静态滑轨试验数据有效性分析

传统滑轨试验采用使引信相对固定目标运动产生多普勒效应。静态滑轨试验则采用调制信号对引信的回波信号进行调制产生多普勒效应。静态滑轨试验与传统滑轨试验在理论上等效。以某引信试验为例，在进行传统滑轨试验前，都进行了静态滑轨试验，静态滑轨试验试验结果与传统滑轨试验数据相吻合，可见静态滑轨试验数据有效。

4.2 软件仿真获取引信启动特性有效性分析

在某引信中进行仿真获取引信启动数据，将仿真结果与传统滑轨试验数据进行对比可知，仿真的结果与试验数据的偏差基本在1°以内，最大不超过2°。图6为某状态下启动特性仿真曲线与传统滑轨试验数据所得曲线的对比，可以看出两条曲线的偏差最大不超过1°［2］。

数据出现偏差的原因：

滑轨试验耗时耗力，试验的状态多，每个状态下的试验次数较少，统计样本少，试验误差对统计结果影响较大；由引信的工作机制决定，在各距离门的交会处相关性较小时，此时的目标回波较弱，甚至加大了目标的闪烁效应，造成滑轨试验数据起伏较大；因滑轨试验持续时间较长，在整个试验过程中产品灵敏度测试结果也有变动，而启动特性曲线的仿真计算是以基于灵敏度固定为前提的，1 dB的灵敏度差异会引起近1°的偏差。

5 以静态滑轨试验与软件仿真获取启动数据的优势

软件仿真与静态滑轨试验验证获取启动数据方式，较动态速度调制方式在安全性、可靠性、经济性和便利性上都具有优势。

由于动态滑轨试验采用高台作业，在试验准备期间对试验人员和设备安全调试都具有较严格的要求。试验过程中多普勒频率是由火工品助推产生的速度提供，涉及到火工品，对试验安全性提出更苛刻的条件。采用静态调制的方法将可避免上面的两个问题，对试验的安全性有很大的提升。采用动态调制方法产生的多普勒频率不可能很大，要保证试验成功，必须下调产品的多普勒频率下限，此措施会影响试验数据获取的可靠性；采用静态调制的方法，产生的多普勒频段范围可以做得很宽，并且可以根据试验的需要进行调节，避免了假击发和不动作的风险。采用动态调制方式，对试验各方面要求都比较高，试验过程中一点小的疏忽就会导致试验的失败，进而造成较大的经济损失，而静态方式所需的费用很低，不会有大的经济损失。

另外，动态方式在试验过程中，因速度太快而使试验危险不受控制，而静态方式则不受速度的限制，可由试验队员自行控制试验过程，能更加方便、便利的进行数据采集和分析。

6 结论

传统滑轨试验获取的引信启动数据有限，试验实施较复杂，对滑轨试验场的硬件条件要求较高。静态滑轨试验对滑轨试验场硬件条件要求不高，试验简单、经济安全。采用静态滑轨试验数据为软件仿真启动特性的参照点，以天线方向图和滑轨试验软件仿真方式获取引信的启动特性。此方法使实践和理论很好结合，仿真引用的数据可以根据产品的实际参数设定和修改，可扩展性好。这种软件仿真结合静态滑轨试验获取引信启动特性的方法，尚未在型号产品中实际应用，验证数据量还不够充分。若要将此方法得以推广应用，需进行更多的验证。