CN104237867A - 引信接收机的有效多普勒带宽的确定方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种引信接收机的有效多普勒带宽的确定方法和装置，所述方法包括：对目标进行几何建模后，将目标划分为若干个目标散射面元；计算出弹目交会状态下划分的每个目标散射面元的多普勒频移、以及划分的每个目标散射面元产生的回波功率；根据计算出的每个目标散射面元的多普勒频移和产生的回波功率，绘制目标的多普勒频谱图；在绘制的目标的多普勒频谱图中截取回波功率大于设定门限功率的谱线范围，根据截取的谱线范围确定引信接收机的有效多普勒带宽。应用本发明可以实现引信接收机的有效多普勒带宽的预估，从而在进行引信滑轨实现时，可基于预估的引信接收机的有效多普勒带宽进行引信接收机的设计，便于引信滑轨试验的进行。

Description

引信接收机的有效多普勒带宽的确定方法和装置

技术领域

本发明涉及引信技术，尤其涉及一种引信接收机的有效多普勒带宽的确定方法和系统。

背景技术

无线电引信俗称雷达引信，是一种利用无线电波形成的物理场，感受目标出现时物理场特性的变化，以获取引爆信息并确定引爆时机的引信。它在战术导弹和战略导弹中均被广泛应用。

无线电引信按工作体制分类，有多普勒式、调频式、脉冲式、比相式和编码式等无线电引信。其中，多普勒无线电引信是最早使用的一种无线电引信。多普勒无线电引信利用弹目(即弹丸与目标)接近过程中电磁波的多普勒效应来工作。而且，多普勒无线电引信由于其结构简单、体积小、成本低，至今在世界各国仍然得到广泛使用。多普勒无线电引信系统主要包括引信发射天线、引信接收天线、引信发射机、引信接收机。其中，引信接收机可去除设计的频率带宽之外的干扰信号，而让接收到的目标反射信号通过。

多普勒无线电引信可能会存在不启动或误启动的问题，因此通常需要借助于引信滑轨试验来确定多普勒无线电引信的最佳启动点和启动区。而引信滑轨试验中所需要的引信接收机的有效多普勒带宽的确定，一直是困扰引信接收机研制和引战配合试验的难题。

现有技术中并没有很好地方法可以确定引信滑轨试验所需要的引信接收机的有效多普勒带宽。目前，通常是技术人员基于经验设计引信接收机的有效多普勒带宽，根据设计的有效多普勒带宽设计出引信接收机，进而进行引信滑轨试验；然而，基于经验设计的有效多普勒带宽往往并不准确，若引信滑轨试验过程中并不能测得确定引信的最佳启动点和启动区的相关参数，技术人员需要对引信接收机进行多次重新设计。这样确定引信的最佳启动点和启动区需要经过大量的引信滑轨试验，耗时耗力。

发明内容

本发明实施例提供了一种引信接收机的有效多普勒带宽的确定方法和系统，用以基于目标特性对引信接收机的有效多普勒带宽进行预估，从而便于引信滑轨试验的进行。

根据本发明的一个方面，提供了一种引信接收机的有效多普勒带宽的确定方法，包括：

对目标进行几何建模后，将所述目标划分为若干个目标散射面元；

计算出弹目交会状态下划分的每个目标散射面元的多普勒频移，并计算出所述弹目交会状态下划分的每个目标散射面元产生的回波功率；

根据计算出的每个目标散射面元的多普勒频移和产生的回波功率，绘制所述目标的多普勒频谱图；

在绘制的所述目标的多普勒频谱图中截取回波功率大于设定门限功率的谱线范围，根据截取的谱线范围确定引信接收机的有效多普勒带宽。

较佳地，所述将所述目标划分为若干个目标散射面元，具体包括：

按照1/5到1/3发射信号波长的尺寸规格，将所述目标划分为若干个三角面元；将划分的三角面元作为目标散射面元。

较佳地，所述计算出划分的每个目标散射面元的多普勒频移，具体包括：

根据如下公式1计算出第m个目标散射面元的多普勒频移f_dm：

$f_{\mathrm{dm}}=\frac{{2V}_r\·{\hat{r}}_m}{c}{f}_0$              (公式1)

公式1中，V_r为矢量，表示弹目交会相对速度；为从引信接收天线的相位中心引向第m个目标散射面元中心的单位矢量；f₀为发射信号载频频率；c为标量，表示自由空间光速的大小。

较佳地，所述计算出划分的每个目标散射面元产生的回波功率，具体包括：

根据如下公式5确定出第m个目标散射面元产生的回波功率P_rm：

$P_{\mathrm{rm}}=\frac{{\left|u_m\right|}^2}{2Z_a}$                     (公式5)

公式5中，u_m为第m个目标散射面元在引信接收天线负载中产生的时域电压；Z_a为引信接收天线的阻抗。

较佳地，所述第m个目标散射面元在引信接收天线负载中产生的时域电压u_m是根据如下公式4计算出来的：

$u_m=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{U}_m\left(f_n\right)\·e^{i2\mathrm{\πnk}/N}$                    (公式4)

公式4中，U_m(f_n)为第m个目标散射面元在引信接收天线负载中产生的电压；f_n表示频率分量，T为电压信号周期；N为正整数，表示时域脉冲信号的采样点数；n取0～N-1的整数；k为发射信号的波数；i为虚数单位。

较佳地，所述根据截取的谱线范围确定引信接收机的有效多普勒带宽之后，还包括：

设计用于引信滑轨试验的引信接收机的多普勒带宽包括所述有效多普勒带宽。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种引信接收机的有效多普勒带宽的确定装置，包括：

目标散射面元划分模块，用于对目标进行几何建模后，将所述目标划分为若干个目标散射面元；

计算模块，用于计算出弹目交会状态下每个目标散射面元的多普勒频移，并计算出所述弹目交会状态下每个目标散射面元产生的回波功率；

多普勒频谱图绘制模块，用于根据所述计算模块计算出的每个目标散射面元的多普勒频移和产生的回波功率，绘制所述目标的多普勒频谱图；

有效多普勒带宽确定模块，用于在所述目标的多普勒频谱图中截取回波功率大于设定门限功率的谱线范围，根据截取的谱线范围确定引信接收机的有效多普勒带宽。

较佳地，所述目标散射面元划分模块具体用于对目标进行几何建模后，按照1/5到1/3发射信号波长的尺寸规格，将所述目标划分为若干个三角面元；将划分的三角面元作为目标散射面元。

较佳地，所述计算模块具体包括：

多普勒频移计算单元，用于在弹目交会状态下，根据如下公式1计算出第m个目标散射面元的多普勒频移f_dm：

$f_{\mathrm{dm}}=\frac{{2V}_r\·{\hat{r}}_m}{c}{f}_0$                 (公式1)

公式1中，V_r为矢量，表示弹目交会相对速度；为从引信接收天线的相位中心引向第m个目标散射面元中心的单位矢量；f₀为发射信号载频频率；c为标量，表示自由空间光速的大小。

较佳地，所述计算模块还包括：

回波功率计算单元，用于在弹目交会状态下，根据如下公式5确定出第m个目标散射面元产生的回波功率P_rm：

$P_{\mathrm{rm}}=\frac{{\left|u_m\right|}^2}{2Z_a}$                    (公式5)

公式5中，u_m为第m个目标散射面元在引信接收天线负载中产生的时域电压；Z_a为引信接收天线的阻抗。

本发明的技术方案中，通过将目标进行目标散射面元的划分，计算出在弹目交会状态下划分的每个目标散射面元的多普勒频移以及产生的回波功率后，绘制目标的多普勒频谱图；基于绘制的目标的多普勒频谱图，结合引信接收机的设定门限功率，确定出引信接收机的有效多普勒带宽。从而，基于目标特性实现了对引信接收机的有效多普勒带宽的预估，进而在进行引信滑轨实现时，可基于预估的引信接收机的有效多普勒带宽进行引信接收机的设计，避免了引信接收机的多次重新设计，并避免了大量的引信滑轨试验的进行，省时省力。

附图说明

图1为本发明实施例的引信接收机的有效多普勒带宽的确定方法示意图；

图2为本发明实施例的绘制的目标的多普勒频谱图的示意图；

图3为本发明实施例的引信接收机的有效多普勒带宽的确定装置的内部结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

本申请使用的“模块”、“系统”等术语旨在包括与计算机相关的实体，例如但不限于硬件、固件、软硬件组合、软件或者执行中的软件。例如，模块可以是，但并不仅限于：处理器上运行的进程、处理器、对象、可执行程序、执行的线程、程序和/或计算机。举例来说，计算设备上运行的应用程序和此计算设备都可以是模块。一个或多个模块可以位于执行中的一个进程和/或线程内。

本发明的技术方案中，对目标进行几何建模后，将目标划分为若干个目标散射面元；通过计算弹目交会状态下每个目标散射面元的多普勒频移和产生的回波功率，来绘制目标的多普勒频谱图；基于绘制的多普勒频谱图，结合引信接收机的灵敏度设置，得到引信接收机的有效多普勒带宽的上、下门限值。从而，基于目标特性实现对引信接收机的有效多普勒带宽的预估，进而设计相应的引信接收机，以用于进行引信滑轨试验来确定引信的最佳启动点和启动区，避免了引信接收机的多次重新设计，并避免了大量的引信滑轨试验的进行，省时省力。

下面结合附图详细说明本发明的技术方案。本发明实施例提供的引信接收机的有效多普勒带宽的确定方法的流程图，如图1所示，具体包括如下步骤：

S101：对目标进行几何建模后，将目标划分为若干个目标散射面元。

具体地，可以使用CAD(Computer Aided Design，计算机辅助设计)技术对目标进行精确的几何建模，并结合目标的几何机构特点，在ProE4.0下按照设定的尺寸规格将目标划分为若干个三角面元；将划分的三角面元作为目标散射面元。

其中，当按照1/5到1/3发射信号波长的尺寸规格，对目标进行三角面元划分时，计算得到的有效多普勒带宽范围和功率一致，继而可得到相对稳定的有效多普勒频谱。

S102：计算出弹目交会状态下划分的每个目标散射面元的多普勒频移，并计算出弹目交会状态下划分的每个目标散射面元产生的回波功率。

具体地，弹目交会状态下第m个目标散射面元反射的信号的多普勒频移f_dm为：

$f_{\mathrm{dm}}=\frac{{2V}_r\·{\hat{r}}_m}{c}{f}_0$                    (公式1)

其中，V_r为矢量，表示弹目交会相对速度；为从引信接收天线的相位中心引向第m个目标散射面元中心的单位矢量；f₀为发射信号载频频率；c为标量，表示自由空间光速的大小，即c取值为299792458m/s。

为描述方便，将第m个目标散射面元反射的信号的多普勒频移f_dm称为第m个目标散射面元的多普勒频移f_dm。

可采用物理光学、物理绕射理论、几何光学法计算出弹目交会状态下每个目标散射面元产生的回波功率。具体地，引信接收天线接收到的弹目交会状态下第m个目标散射面元的散射场E_m为：

$E_m=\sqrt{\frac{P_t{D}_t{Z}_0}{2\mathrm{\π}}}{U}_t\left(f_n\right)f_{\mathrm{tm}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sm}}\left(f_n\right)\frac{e^{i(k{R}_{\mathrm{tm}}+\mathrm{\φ})}}{R_{\mathrm{tm}}{R}_{\mathrm{sm}}}$             (公式2)

公式2中，P_t为发射信号功率；D_t为引信引信发射天线的增益；U_t(f_n)为接收的入射脉冲信号的幅度；Z₀为空气的波阻抗，且Z₀＝120πΩ；R_tm为第m个目标散射面元中心到引信引信发射天线相位中心的距离；R_sm为第m个目标散射面元中心到引信接收天线相位中心的距离；f_tm为引信引信发射天线在第m个目标散射面元处的天线方向性函数；ρ_sm为第m个目标散射面元的反射系数，ρ_sm(f_n)表示频率分量为f_n的ρ_sm；φ为场的相位特性；k为发射信号的波数，k＝2π/λ，λ为发射信号波长；i为虚数单位；e为自然常数。可表示为exp(i(kR_im+φ))。

将公式2所示的引信接收天线接收到的第m个目标散射面元的散射场，乘以引信接收天线的有效高度，可得到如下公式3所示的第m个目标散射面元在引信接收天线负载中产生的电压U_m(f_n)：

$U_m\left(f_n\right)=\sqrt{\frac{P_t{D}_t{D}_s{Z}_a{c}^2}{8{\mathrm{\π}}^2{f_n}^2}}{f}_{\mathrm{tm}}{f}_{\mathrm{sm}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sm}}\frac{e^{ik{R}_{\mathrm{tm}}}}{R_{\mathrm{tm}}{R}_{\mathrm{sm}}}{U}_t\left(f_n\right)e^{\mathrm{i\φ}}$     (公式3)

其中，Z_a为引信接收天线的阻抗；D_s为引信接收天线的增益；c为标量，表示自由空间光速的大小；f_sm为引信接收天线在第m个目标散射面元处的天线方向性函数；U_t(f_n)为接收的入射脉冲信号的幅度；f_n表示频率分量，T为电压信号周期；n取0～N-1的整数，即n＝0,1,...,N-1。

对公式3作Fourier(傅里叶)逆变换，得到第m个目标散射面元在引信接收天线负载中产生的电压的时域表达式4：

$u_m=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{U}_m\left(f_n\right)\·e^{i2\mathrm{\πnk}/N}$              (公式4)

其中，u_m为第m个目标散射面元在引信接收天线负载中产生的时域电压；N为时域脉冲信号的采样点数，N为正整数；n取0～N-1的整数。

基于得到的第m个目标散射面元在引信接收天线负载中产生的时域电压，可根据如下公式5确定出引信接收天线接收到的第m个目标散射面元产生的回波功率P_rm为：

$P_{\mathrm{rm}}=\frac{{\left|u_m\right|}^2}{2Z_a}$                   (公式5)

S103：根据每个目标散射面元的多普勒频移和产生的回波功率，绘制目标的多普勒频谱图。

根据每个目标散射面元的多普勒频移和产生的回波功率进行目标的多普勒频谱图的绘制为本领域技术人员所熟知，此处不再赘述。

例如，在弹目交会相对速度为800m/s的情况下，仿真绘制的目标的多普勒频谱图如图2所示。

S104：在绘制的目标的多普勒频谱图中截取回波功率大于设定门限功率的谱线范围，根据截取的谱线范围确定引信接收机的有效多普勒带宽。

具体地，设定门限功率也就是设置的引信接收机的灵敏度。

由图2可以看出，在弹目交会相对速度为800m/s的情况下，若设定门限功率为-120dbmw，则可确定引信接收机的有效多普勒带宽为16kHz～40kHz，即引信接收机的有效多普勒带宽的上、下门限值分别为16kHz和40kHz。

因此，应该设计用于引信滑轨试验的引信接收机的多普勒带宽包括确定出的有效多普勒带宽；即在进行引信滑轨试验时，应该设计引信接收机的频率带宽涵盖16kHz～40kHz的频率范围。

基于上述的引信接收机的有效多普勒带宽的确定方法，本发明提供的引信接收机的有效多普勒带宽的确定装置的内部结构框图，如图3所示，包括：目标散射面元划分模块301、计算模块302、多普勒频谱图绘制模块303和有效多普勒带宽确定模块304。

目标散射面元划分模块301用于对目标进行几何建模后，将目标划分为若干个目标散射面元。具体地，目标散射面元划分模块301对目标进行几何建模后，按照1/5到1/3发射信号波长的尺寸规格，将目标划分为若干个三角面元；将划分的三角面元作为目标散射面元。

计算模块302用于计算出弹目交会状态下目标散射面元划分模块301划分的每个目标散射面元的多普勒频移，并计算出弹目交会状态下目标散射面元划分模块301划分的每个目标散射面元产生的回波功率。

多普勒频谱图绘制模块303用于根据计算模块302计算出的每个目标散射面元的多普勒频移和产生的回波功率，绘制目标的多普勒频谱图。

有效多普勒带宽确定模块304用于在多普勒频谱图绘制模块303绘制的目标的多普勒频谱图中，截取回波功率大于设定门限功率的谱线范围，根据截取的谱线范围确定引信接收机的有效多普勒带宽。

进一步，上述的计算模块302具体包括：多普勒频移计算单元401和回波功率计算单元402。

多普勒频移计算单元401用于根据如下公式1计算出弹目交会状态下第m个目标散射面元的多普勒频移f_dm：

$f_{\mathrm{dm}}=\frac{{2V}_r\·{\hat{r}}_m}{c}{f}_0$               (公式1)

公式1中，V_r为矢量，表示弹目交会相对速度；为从引信接收天线的相位中心引向第m个目标散射面元中心的单位矢量；f₀为发射信号载频频率；c为标量，表示自由空间光速的大小，即取值为299792458m/s。

回波功率计算单元402用于根据如下公式5计算出弹目交会状态下第m个目标散射面元产生的回波功率P_rm：

$P_{\mathrm{rm}}=\frac{{\left|u_m\right|}^2}{2Z_a}$                    (公式5)

公式5中，u_m为第m个目标散射面元在引信接收天线负载中产生的时域电压；Z_a为引信接收天线的阻抗。

本发明的技术方案中，通过将目标进行目标散射面元的划分，计算出在弹目交会状态下划分的每个目标散射面元的多普勒频移以及产生的回波功率后，绘制目标的多普勒频谱图；基于绘制的目标的多普勒频谱图，结合引信接收机的设定门限功率，确定出引信接收机的有效多普勒带宽。从而，基于目标特性实现了对引信接收机的有效多普勒带宽的预估，进而在进行引信滑轨实现时，可基于预估的引信接收机的有效多普勒带宽进行引信接收机的设计，避免了引信接收机的多次重新设计，并避免了大量的引信滑轨试验的进行，省时省力。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种引信接收机的多普勒带宽的确定方法，其特征在于，包括：

对目标进行几何建模后，将所述目标划分为若干个目标散射面元；

计算出弹目交会状态下划分的每个目标散射面元的多普勒频移，并计算出所述弹目交会状态下划分的每个目标散射面元产生的回波功率；

根据计算出的每个目标散射面元的多普勒频移和产生的回波功率，绘制所述目标的多普勒频谱图；

在绘制的所述目标的多普勒频谱图中截取回波功率大于设定门限功率的谱线范围，根据截取的谱线范围确定引信接收机的有效多普勒带宽。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述目标划分为若干个目标散射面元，具体包括：

按照1/5到1/3发射信号波长的尺寸规格，将所述目标划分为若干个三角面元；将划分的三角面元作为目标散射面元。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述计算出划分的每个目标散射面元的多普勒频移，具体包括：

根据如下公式1计算出第m个目标散射面元的多普勒频移f_dm：

$f_{\mathrm{dm}}=\frac{{2V}_r\·{\hat{r}}_m}{c}{f}_0$              (公式1)

公式1中，V_r为矢量，表示弹目交会相对速度；为从引信接收天线的相位中心引向第m个目标散射面元中心的单位矢量；f₀为发射信号载频频率；c为标量，表示自由空间光速的大小。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述计算出划分的每个目标散射面元产生的回波功率，具体包括：

根据如下公式5确定出第m个目标散射面元产生的回波功率P_rm：

$P_{\mathrm{rm}}=\frac{{\left|u_m\right|}^2}{2Z_a}$                   (公式5)

公式5中，u_m为第m个目标散射面元在引信接收天线负载中产生的时域电压；Z_a为引信接收天线的阻抗。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第m个目标散射面元在引信接收天线负载中产生的时域电压u_m是根据如下公式4计算出来的：

$u_m=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{U}_m\left(f_n\right)\·e^{i2\mathrm{\πnk}/N}$               (公式4)

公式4中，U_m(f_n)为第m个目标散射面元在引信接收天线负载中产生的电压；f_n表示频率分量，T为电压信号周期；N为正整数，表示时域脉冲信号的采样点数；n取0～N-1的整数；k为发射信号的波数；i为虚数单位。

6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述根据截取的谱线范围确定引信接收机的有效多普勒带宽之后，还包括：

设计用于引信滑轨试验的引信接收机的多普勒带宽包括所述有效多普勒带宽。

7.一种引信接收机的多普勒带宽的确定装置，其特征在于，包括：

目标散射面元划分模块，用于对目标进行几何建模后，将所述目标划分为若干个目标散射面元；

计算模块，用于计算出弹目交会状态下每个目标散射面元的多普勒频移，并计算出所述弹目交会状态下每个目标散射面元产生的回波功率；

多普勒频谱图绘制模块，用于根据所述计算模块计算出的每个目标散射面元的多普勒频移和产生的回波功率，绘制所述目标的多普勒频谱图；

有效多普勒带宽确定模块，用于在所述目标的多普勒频谱图中截取回波功率大于设定门限功率的谱线范围，根据截取的谱线范围确定引信接收机的有效多普勒带宽。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，

所述目标散射面元划分模块具体用于对目标进行几何建模后，按照1/5到1/3发射信号波长的尺寸规格，将所述目标划分为若干个三角面元；将划分的三角面元作为目标散射面元。

9.如权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述计算模块具体包括：

多普勒频移计算单元，用于在弹目交会状态下，根据如下公式1计算出第m个目标散射面元的多普勒频移f_dm：

$f_{\mathrm{dm}}=\frac{{2V}_r\·{\hat{r}}_m}{c}{f}_0$                 (公式1)

公式1中，V_r为矢量，表示弹目交会相对速度；为从引信接收天线的相位中心引向第m个目标散射面元中心的单位矢量；f₀为发射信号载频频率；c为标量，表示自由空间光速的大小。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述计算模块还包括：

回波功率计算单元，用于在弹目交会状态下，根据如下公式5确定出第m个目标散射面元产生的回波功率P_rm：

$P_{\mathrm{rm}}=\frac{{\left|u_m\right|}^2}{2Z_a}$                       (公式5)

公式5中，u_m为第m个目标散射面元在引信接收天线负载中产生的时域电压；Z_a为引信接收天线的阻抗。