CN106382866A - 一种近炸引信距离速度测量精度标定装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

一种近炸引信距离速度测量精度标定设备及标定方法，在弹上装配信标发射装置，引信在设计的起爆位置给信标机发送触发信号和目标速度测量值，信标机向地面接收设备发送对应频率的无线电信号，当炮弹碰触目标时碰撞触发器控制信号产生器关断该无线电信号输出；地面的信标接收装置接收弹上信标机发送的无线电信号，通过测量该无线电信号的时长和频率以标定引信距离、速度测量精度。本发明的设备设计简单，弹上信标发射装置容易实现，可以精确标定近炸引信的距离速度测量精度。

Description

一种近炸引信距离速度测量精度标定装置及标定方法

技术领域

本发明涉及一种近炸引信距离速度测量精度标定装置及标定方法。

背景技术

随着战争规模，目的和形态的变化，精确制导武器的应用越来越广泛。引信作为精确制导武器中最后发出引爆信号的关键部件更是在国内外得到了广泛的重视。

近炸引信技术中，距离控制精度是近炸引信重要的性能指标。它是进行炸点控制、炸弹发挥最大毁伤效能的保证。

在验证近炸引信性能指标的外场打靶试验中，重点是精确高效标定引信的测距测速精度，目前靶场测量中普遍使用摄像机、经纬仪、红外等光电设备进行标定，由于弹丸散布半径大，标定难度大且标定精度不高。

目前的近炸引信外场实弹打靶测试实验中，使用高分辨率光学摄像机来抓拍弹目交会时刻的图像照片，以此来观察炮弹爆炸时距目标的实际距离，该方法只能标定近炸引信的距离测量精度，且在外场打靶时，炮弹散布较大，弹速很快，使得摄像机捕捉弹目交会瞬间的照片成功率较低，引信距离精度标定效率低。

发明内容

本发明所解决的技术问题是：克服目前近炸引信性能指标靶场测试试验中普遍使用摄像机、经纬仪、红外等光电设备进行标定难度大且精度不高的问题，本发明提供了一种近炸引信距离速度测量精度标定设备及标定方法，系统简单，可以稳定精确标定近炸引信的距离速度测量精度，提高了标定精度和可靠性。

本发明所采用的技术方案是：一种近炸引信距离速度测量精度标定装置，包括弹上信标机、地面设备；弹上信标机包括速度频率转换器、信号产生器、发射天线、碰撞触发器；速度频率转换器接收引信输入的目标速度测量值，并将目标速度测量值转换为频率后输出频率字至信号产生器；引信发送触发脉冲信号至信号产生器，信号产生器根据引信输入的触发脉冲信号，输出频率字对应的无线电信号发送至发射天线；碰撞触发器在炮弹碰触目标时，控制信号产生器关断无线电信号输出；地面设备包括接收天线、低噪声放大器、滤波放大器、数字信号处理器；接收天线接收发射天线发送的无线电信号，无线电信号经过低噪声放大器放大、滤波放大器放大后，输出至数字信号处理器；数字信号处理器接收放大后的无线电信号，进行模数转换采样并存储，通过数字信号处理，输出距离测量误差值和速度测量误差值。

所述的发射天线为全向天线。

所述的接收天线为定向天线。

一种近炸引信距离速度测量精度标定方法，包括步骤如下：

(1)安装近炸引信距离速度测量精度标定装置，将弹上信标机安装在炮弹上，并在地面安装地面设备；弹上信标机包括速度频率转换器、信号产生器、发射天线、碰撞触发器；地面设备包括接收天线、低噪声放大器、滤波放大器、数字信号处理器；炮弹发射出膛时，测量雷达测量获得炮弹发射初速度ν₀和发射角α；

(2)炮弹在飞行过程中，引信对目标的距离及速度进行探测，当距离测量值到达设定的起爆位置R_s时，引信向弹上信标机的速度频率转换器发送目标速度测量值V_c；

(3)速度频率转换器将引信输入的目标速度测量值V_c转换为对应的无线电信号频率F，公式如下：F＝f₀+kV_c；并输出频率字至信号产生器，引信发送触发脉冲信号至信号产生器，信号产生器根据引信输入的触发脉冲信号，产生频率字对应的无线电信号发送至发射天线；其中，f₀为无线电信号起始频率、k为系数；当炮弹碰触目标时，碰撞触发器控制信号产生器关断无线电信号输出；

(4)地面天线接收弹上信标机发送的无线电信号，经过低噪声放大器、带通滤波并放大后输出至数字信号处理器；数字信号处理器对放大后的无线电信号进行数字信号处理，解算获得无线电信号的时长T和频率F；

(5)根据测量雷达给出的炮弹发射初速度ν₀和发射角α，计算炮弹引爆时的飞行速度V；飞行速度V在x方向的分量在y方向的分量其中，x方向为水平方向，y方向为垂直方向，k为阻力系数；m为炮弹质量；t为炮弹飞行时间；

(6)标定距离测量误差ΔR＝R_s-R_b和速度测量误差ΔV＝V_c-V，其中，R_b＝T*V。

所述的发射天线为全向天线。

所述的接收天线为定向天线。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法可以同时标定近炸引信距离测量精度和速度测量精度，目前已有的使用摄像机、经纬仪、红外等光电设备进行标定的方法只能标定近炸引信距离测量精度；

(2)本发明方法可以精确标定近炸引信距离测量精度和速度测量精度，地面接收设备可以准确捕获弹上信标机发送的无线电信号，处理后距离测量精度标定误差小于0.4米，速度测量精度标定误差小于0.15米/秒。

(3)本发明方法由于标定信号采用了无线电信号，地面高增益接收设备可以远距离接收弹上信标机发送的无线电信号，从而可以实现远距离标定近炸引信距离速度测量精度。

(4)本发明的装置结构简单，针对目前近炸引信性能指标靶场测试试验中普遍使用摄像机、经纬仪、红外等光电设备进行标定难度大且精度不高的问题，利用弹上信标机与地面设备的配合，能够稳定精确标定近炸引信的距离速度测量精度，有利于工程实现，提高了标定精度和可靠性。

附图说明

图1为本发明系统配置框图；

图2为本发明信标机发送的无线电信号示意图；

图3为1-4号雷达引信靶场测试试验时地面接收设备采集的弹上信标机发送的无线电信号数据。

具体实施方式

在弹上装配信标发射装置，地面的信标接收装置接收其发送的无线电信号，通过测量该无线电信号的时长和频率以标定引信距离、速度测量精度。

本发明提出了一种近炸引信距离速度测量精度标定装置，该装置在弹上装配信标发射装置，地面接收其发送的无线电信号，数字采样、处理后测量该无线电信号的时长和频率以标定引信距离、速度测量精度的方法，其系统配置框图如图1所示。

系统由弹上信标机和地面设备两部分组成。弹上信标机主要由速度频率转换器、信号产生器、发射天线以及碰撞触发器组成，速度频率转换器接收引信输入的目标速度测量值，并将其转换为对应的频率后输出频率字给信号产生器，引信发送触发脉冲信号至信号产生器，信号产生器根据引信输入的触发脉冲信号，输出对应频率的无线电信号给发射天线，发射天线为全向天线，在炮弹碰触目标时碰撞触发器控制信号产生器关断无线电信号输出。地面设备主要由接收天线、LAN(低噪声放大器)、滤波放大器、数字信号处理器组成，接收天线为定向天线，其接收弹上信标机发送的无线电信号，经过低噪声放大、滤波放大后输出至数字信号处理器，数字信号处理器对放大后的无线电信号进行A/D采样并存储，通过数字信号处理，输出距离测量误差值和速度测量误差值。

标定原理：

如图2、图3所示，引信在设计的起爆位置(弹目距离R_s处)给信标机发送触发脉冲信号和目标速度测量值，信标机向地面接收设备发送对应频率的无线电信号，当炮弹碰触目标时碰撞触发器控制信号产生器关断无线电信号输出，如图2所示。地面设备接收该脉冲无线电信号并进行处理，假设脉冲信号时长为T，频率为F，则引信在给信标机发送触发信号时距地面的实际距离根据式(1)计算，测距误差根据式(2)计算，测速误差根据式(4)计算。

引信在给信标机发送触发信号时距地面的实际距离计算公式：

R_b＝T*V (1)

式中，T为脉冲信号时长，V为炮弹飞行速度。

距离测量误差计算公式：

ΔR＝R_s-R_b (2)

频率速度转换公式：

F＝f₀+kV_c (3)

式中，f₀为无线电信号起始频率、V_c为引信测量的目标速度测量值，F为无线电脉冲信号频率。k为系数，其根据弹速范围调节kV_c值到无线电信号带宽内。

速度测量误差计算公式：

ΔV＝V_c-V (4)

炮弹引爆时飞行速度V计算：

炮弹的运动轨迹符合抛体运动，抛体运动最根本的特征是：加速度矢量与速度矢量成一角度，且加速度矢量是恒矢量的平面曲线运动，其轨道曲线为抛物线。当考虑空气阻力时，阻力f与速度v满足关系f＝-kv，其中k为阻力系数，与物体形状、速度等因素有关。

炮弹发射时，设定初速度为ν₀，质量为m，α为发射角，推导可得空气阻力状态下斜抛运动物体运动轨迹方程：

$x=\frac{{\mathrm{mv}}_{0}cos\mathrm{\α}}{k}(1-e^{-\frac{k}{m}t})---\left(5\right)$

$y=(tan\mathrm{\α}+\frac{mg}{{\mathrm{kv}}_{0}cos\mathrm{\α}})x+\frac{m^{2}g}{k^2}ln(1-\frac{k}{{\mathrm{mv}}_{0}cos\mathrm{\α}}x)---\left(6\right)$

炮弹飞行速度V在x方向的分量ν_x(水平方向)和y方向的分量ν_y(垂直方向)的速度为：

$v_x=v_{0}cos\mathrm{\α}\·e^{-\frac{k}{m}t}---\left(7\right)$

$v_y=\frac{mg}{k}(\frac{mg+{\mathrm{kv}}_{0}sin\mathrm{\α}}{mg}{e}^{-\frac{k}{m}t}-1)---\left(8\right)$

其中，t为炮弹飞行时间。

一种近炸引信距离速度测量精度标定方法，其主要步骤如下：

(1)炮弹发射出膛时，靶场测量雷达给出炮弹发射初速度ν₀和发射角α；

(2)炮弹在飞行过程中，近炸引信对目标进行探测(测距测速)，当距离测量值到达设定的起爆位置R_s时，引信向弹上信标机的速度频率转换器发送目标速度测量值V_c；

(3)按照公式(3)，信标机中的速度频率转换器将引信输入的目标速度测量值转换为对应的频率F，然后输出给信号产生器；引信发送触发脉冲信号至信号产生器，信号产生器根据引信输入的触发脉冲信号，产生频率字对应频率的无线电信号给发射天线；

(4)当炮弹碰触目标时碰撞触发器控制信号产生器关断无线电信号输出；“碰撞触发器控制信号产生器关断无线电信号输出”的时刻与“信号产生器根据引信输入的触发脉冲信号产生频率字对应频率的无线电信号”的时刻的差值为无线电信号的时长T；

(5)地面天线接收弹上信标机发送的无线电信号，经过低噪声放大器、带通滤波并放大后输出给数字信号处理器；

(6)数字信号处理器对放大后的无线电信号进行A/D采样并存储，通过数字信号处理，解算出无线电信号的时长T和频率F；

(7)根据靶场测量雷达给出炮弹发射初速度ν₀和发射角α，使用公式(7)和公式(8)，推算炮弹引爆时的飞行速度V；

(8)按照公式(1)到公式(4)标定距离测量误差和速度测量误差。速度频率转换设计示例

假设目标速度V_c小于500米/秒，设计无线电脉冲信号起始频率f₀为850MHz，带宽为100MHz，按照式(3)进行速度频率转换，则无线电脉冲信号频率范围为850MHz～950MHz，对应的速度值范围为0米/秒～500米/秒，k＝0.2。

实施例

靶场测试试验时，在炮弹飞行过程中，雷达引信全程处于工作状态，当炮弹下落并进入雷达引信工作距离范围时，雷达引信持续对目标进行距离测量，当到达设定的引爆距离值时，雷达引信信号处理器控制弹载信标机输出信标信号，地面信标接收机接收该信标信号并存储，炮弹触地时，该信标信号消失，通过测量地面信标接收机接收的信标信号时长，并根据到达设定的引爆距离值时的炮弹弹速，推算炮弹从引爆点到地面的实际飞行距离，以此标定雷达引信对地面的距离测量误差。

如表1、表2所示，根据靶场测量雷达给出的炮弹初速和发射角，炮弹质量和空气阻力等参数推算得出炮弹引爆时的弹速。

表1靶场环境及炮弹参数

表2雷达引信距离标定结果

实弹打靶试验共打了4发性能测试弹，标定后测量距离误差小于1.5米。本发明说明书未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种近炸引信距离速度测量精度标定装置，其特征在于，包括弹上信标机、地面设备；弹上信标机包括速度频率转换器、信号产生器、发射天线、碰撞触发器；速度频率转换器接收引信输入的目标速度测量值，并将目标速度测量值转换为频率后输出频率字至信号产生器；引信发送触发脉冲信号至信号产生器，信号产生器根据引信输入的触发脉冲信号，输出频率字对应的无线电信号发送至发射天线；碰撞触发器在炮弹碰触目标时，控制信号产生器关断无线电信号输出；地面设备包括接收天线、低噪声放大器、滤波放大器、数字信号处理器；接收天线接收发射天线发送的无线电信号，无线电信号经过低噪声放大器放大、滤波放大器放大后，输出至数字信号处理器；数字信号处理器接收放大后的无线电信号，进行模数转换采样并存储，通过数字信号处理，输出距离测量误差值和速度测量误差值。

2.根据权利要求1所述的一种近炸引信距离速度测量精度标定装置，其特征在于：所述的发射天线为全向天线。

3.根据权利要求1或2所述的一种近炸引信距离速度测量精度标定装置，其特征在于：所述的接收天线为定向天线。

4.一种基于如权利要求1所述的标定装置的近炸引信距离速度测量精度标定方法，其特征在于，包括步骤如下：

(1)安装近炸引信距离速度测量精度标定装置，将弹上信标机安装在炮弹上，并在地面安装地面设备；弹上信标机包括速度频率转换器、信号产生器、发射天线、碰撞触发器；地面设备包括接收天线、低噪声放大器、滤波放大器、数字信号处理器；炮弹发射出膛时，测量雷达测量获得炮弹发射初速度ν₀和发射角α；

(2)炮弹在飞行过程中，引信对目标的距离及速度进行探测，当距离测量值到达设定的起爆位置R_s时，引信向弹上信标机的速度频率转换器发送目标速度测量值V_c；

(3)速度频率转换器将引信输入的目标速度测量值V_c转换为对应的无线电信号频率F，公式如下：F＝f₀+kV_c；并输出频率字至信号产生器，引信发送触发脉冲信号至信号产生器，信号产生器根据引信输入的触发脉冲信号，产生频率字对应的无线电信号发送至发射天线；其中，f₀为无线电信号起始频率、k为系数；当炮弹碰触目标时，碰撞触发器控制信号产生器关断无线电信号输出；

(4)地面天线接收弹上信标机发送的无线电信号，经过低噪声放大器、带通滤波并放大后输出至数字信号处理器；数字信号处理器对放大后的无线电信号进行数字信号处理，解算获得无线电信号的时长T和频率F；

(5)根据测量雷达给出的炮弹发射初速度ν₀和发射角α，计算炮弹引爆时的飞行速度V；飞行速度V在x方向的分量在y方向的分量其中，x方向为水平方向，y方向为垂直方向，k为阻力系数；m为炮弹质量；t为炮弹飞行时间；

(6)标定距离测量误差ΔR＝R_s-R_b和速度测量误差ΔV＝V_c-V，其中，R_b＝T*V。

5.根据权利要求4所述的一种近炸引信距离速度测量精度标定装置，其特征在于：所述的发射天线为全向天线。

6.根据权利要求4或5所述的一种近炸引信距离速度测量精度标定装置，其特征在于：所述的接收天线为定向天线。