CN107577869A - 基于matlab的引信靶场干扰试验仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于matlab的引信靶场干扰试验仿真方法,包括如下步骤：(10)全弹道仿真：根据炮弹在空中飞行特性微分方程组，利用四阶龙格‑库塔迭代法求解炮弹全弹道数据；(20)信号处理仿真：根据生成的引信发射信号和从炮弹全弹道数据中提取引信弹目距离，仿真接收回波信号、混频、多普勒选通滤波和提取特征参量；(30)特征参量判决：根据确定型号引信的特征参量门限，将提取的特征参量与门限范围进行比较，输出启动信号；(40)干扰实施仿真：根据干扰机发射信号，计算干扰距离，获取接收干扰信号。本发明的目的在于提供一种基于matlab的引信靶场干扰试验仿真方法,更贴近实际、欺骗性强、成功率高。
Description
技术领域
本发明属于引信靶场干扰试验技术领域，特别是一种更贴近实际、欺骗性强、成功率高的基于matlab的引信靶场干扰试验仿真方法。
背景技术
引信靶场干扰试验是检验引信干扰策略有效性最直接的途径，但靶场试验要求高，实施周期长，成本代价大，如果能在靶场试验前通过软件系统，仿真验证相关干扰方法的可行性，将极大提高干扰方研究者的效率。
目前，大部分的引信干扰仿真模型：干扰机位于目标处，发射简单的调幅信号，弹目之间距离匀速变化，仿真的干扰时间从弹目距离几十米开始，一般只有零点几秒。
因此，现有技术存在的问题是：干扰模型理想简单；干扰信号未经增幅调制欺骗性不强；干扰时间短，在实际干扰中成功率不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于matlab的引信靶场干扰试验仿真方法,更贴近实际、欺骗性强、成功率高。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于matlab的引信靶场干扰试验仿真方法,包括如下步骤：
(10)全弹道仿真：根据炮弹在空中飞行特性微分方程组，利用四阶龙格-库塔迭代法求解炮弹全弹道数据；
(20)信号处理仿真：根据生成的引信发射信号和从炮弹全弹道数据中提取引信弹目距离，仿真接收回波信号、混频、多普勒选通滤波和提取特征参量；
(30)特征参量判决：根据确定型号引信的特征参量门限，将提取的特征参量与门限范围进行比较，输出启动信号；
(40)干扰实施仿真：根据干扰机发射信号，计算干扰距离，获取接收干扰信号。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、贴近实际：在落弹区域侧方布置干扰机，干扰模型更贴近战场引信的干扰实际环境；
2、欺骗性强：干扰信号经过周期性地增幅调制，欺骗性增强；
3、成功率高：干扰机在引信开机后实施干扰，干扰持续时间长，提高了干扰成功率。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明基于matlab的引信靶场干扰试验仿真方法的流程图。
图2是全弹道仿真中炮弹在空中的运动状态分解图。
图3是仿真中干扰机和引信的相对位置示意图。
图4是实施例中干扰信号模块输出的干扰信号时域图。
图5是实施例中系统在欺骗式干扰下输出的启动信号。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于matlab的引信靶场干扰试验仿真方法,包括如下步骤：
(10)全弹道仿真：根据炮弹在空中飞行特性微分方程组，利用四阶龙格-库塔迭代法求解炮弹全弹道数据；
图2为全弹道仿真中炮弹在空中的运动状态分解图。
所述(10)全弹道仿真步骤具体为：
利用四阶龙格-库塔迭代法求解下述引信在弹道上任意一点的速度、加速度微分方程组：
得到不同射击条件下，不同型号引信在空中运动过程中的实时运动状态炮弹全弹道数据，包括落角、落速、水平距离、垂直距离，其中垂直距离是仿真接收信号幅度的计算依据，落速、落角是设计多普勒带通滤波器的依据；
上式中，x为引信水平距离，y为引信垂直距离，vx为引信的水平速度，vy为引信的垂直速度，c为弹道系数，g为重力加速度，H(y)为空气密度函数，G(v)为空气阻力函数。
(20)信号处理仿真：根据生成的引信发射信号和从炮弹全弹道数据中提取引信弹目距离，仿真接收回波信号、混频、多普勒选通滤波和提取特征参量；
所述(20)信号处理仿真步骤包括：
(21)引信发射信号：根据连续波多普勒引信载频f0生成引信发射信号；
(22)提取引信弹目距离：从炮弹全弹道数据中提取引信距地面垂直距离；
(23)接收回波信号：将引信发射信号进行幅度衰减、相位延时生成回波信号；所述(23)接收回波信号步骤包括：
(231)幅度衰减：按下式进行引信发射信号幅度衰减，
式中，N为地面反射系数；λ＝c/f0是引信的工作波长；Pt是引信的辐射功率；Dt是引信发射天线增益；是引信发射天线方向性函数；是弹目连线和弹轴的夹角；Dr是引信接收天线增益；是引信接收天线方向性函数；RΣ是引信天线辐射电阻；上述参数都是引信本身的特征参数。
(232)相位延时：按下式进行引信发射信号相位延时，
τ＝2H/c，
式中，H为引信距地面垂直距离，c为光速。
实际上，引信开机后的一段时间内回波信号幅度很小，未达到接收机灵敏度，因此仿真时从引信距地面50米开始至2米结束。
(24)混频：将引信接收机接收到的信号和引信本振信号混频，滤除高频部分，得到多普勒信号；
(25)多普勒选通滤波：根据多普勒频率范围得到带通滤波器的通带范围，对多普勒信号进行带通滤波，滤除部分高频信号及潜在的干扰信号；
所述(25)多普勒选通滤波步骤中，通滤波器的通带范围由多普勒频率范围适当放大而成，所述多普勒频率范围由下式计算获得：
fd＝2f0·[vmin,vmax]/c，
式中，f0为引信发射信号载频，[vmin,vmax]为炮弹末端垂直落速范围，c为光速。
(26)提取特征参量：对多普勒信号进行提取频率、提取多普勒信号包络和多普勒包络增幅速率。
所述(26)提取特征参量包括：
(261)频率提取：对滤波后的多普勒信号采用滑窗式处理，即每做一次FFT，数据的起始点往后移一个，得到一段时间内连续的多普勒频率；
(262)包络提取：先将多普勒信号取绝对值，然后再通过一个80Hz的低通滤波器，并乘以系数0.5π补偿滤波后的幅度损失，得到用整流滤波提取的多普勒信号包络；
(263)包络增幅速率提取：提取采样点相邻5点的变化率平均值，作为该采样点处的多普勒增幅速率。
(30)特征参量判决：根据确定型号引信的特征参量门限，将提取的特征参量与门限范围进行比较，输出启动信号；
所述(30)特征参量判决步骤包括：
(31)引信型号同一性判断：判断引信是否为同一型号，如是，则转至步骤(33)；同一型号的引信其特征参量门限也是确定不变的。如否，则顺序执行，至步骤(32)。
(32)特征参量门限确定：提取炮弹在临界射击条件下引信的特征参量，包括频率、幅度、增幅速率，并根据提取的特征参量范围设定启动门限；
根据炮弹的临界射击条件P1、P2，依次执行步骤(10)(20)分别得到两种条件下，落地前引信信号的特征参量，包括频率、幅度、增幅速率，并根据特征参量的范围设定启动门限。在模拟引信工作过程或是干扰过程时，对于确定型号的炮弹引信，此步骤只需执行一次。
(33)门限判决：将提取的引信特征参量与启动门限进行比较，当频率、幅度、增幅速率三个特征参量均在门限范围内时，输出启动信号。
至此，完成了引信正常工作时的全过程仿真。从仿真步骤来看，引信信号在处理过程中射击弹目距离的信息均从全弹道数据中获得，提取的特征参量更加准确，整个仿真过程也更加准确。对于同种型号的炮弹、引信，在不同射击条件下，按步骤(10)(20)(30)执行，还可以仿真相应条件下引信的工作过程，及步骤(20)中各个子步骤中的引信信号特征。
(40)干扰实施仿真：根据干扰机发射信号，计算干扰距离，获取接收干扰信号。
所述(40)干扰实施仿真步骤包括：
(41)干扰机发射信号：干扰机发射如下式所示的调幅连续波信号：
uj(t)＝Ujcos(Ωt)cos(ωjt)，
式中：Uj为干扰信号幅度，Ω为调幅频率，ωj为干扰信号载波频率；
(42)干扰信号增幅调制：为满足多普勒增幅欺骗的要求，增强干扰信号欺骗性，还需要对干扰信号再进行增幅调制，增幅调制信号如下式：
，
其中，
C0为引信回波信号的幅度常数，Cj为引信接收到的干扰信号幅度常数，Rj0为初始干扰距离，v0为干扰信号模拟的末端引信垂直速度，Tz＝(50-2)/v0为增幅调制周期，K为调制周期数，vj0为干扰速度，λj为干扰信号波长；Pj为干扰机的辐射功率；Dj为干扰机发射天线增益；为干扰机发射天线方向性函数。
干扰信号模拟逼近的引信末端速度为v0；
在每个增幅调制周期内，对干扰信号按照模拟的目标增幅曲线进行调制，使得干扰信号的增幅曲线逼近真实目标回波信号；
设干扰信号模拟逼近的引信末端速度为v0，则该条件下的多普勒信号幅度为：
设干扰机初始干扰距离为Rj0，干扰速度vj0，由干扰机位置决定，具体数值从全弹道数据中获得，则一个调制周期内，干扰信号幅度可改写为：
从干扰机发射信号的仿真过程来看，只要干扰机位置合适，一经确定，总能设计出恰当的增幅调制信号，在每个增幅调制周期内的干扰信号都能模拟真实回波信号，在整个干扰过程中干扰成功率大大提高。
(43)干扰距离计算：
根据下式，计算在干扰过程中干扰机到引信弹道任意一点P的距离：
，
式中，X0为干扰机距离炮弹落点距离，Rm为炮弹射程，R1为引信水平距离，H1为引信垂直距离，Rm、R1、H1可由步骤(10)仿真的全弹道数据获得。
(44)干扰信号接收：引信接收到的干扰信号与干扰机发射的信号相比，存在幅度衰减，相位延迟的特点。
引信接收到的干扰信号的相位延时由下式得到：
τj＝Rj/c，
式中，Rj为干扰距离由步骤(43)获得，c为光速。
引信接收到的干扰信号经衰减后的幅度如下式：
实施干扰的仿真过程主要是用干扰机发射信号，计算干扰距离，引信接收干扰信号这三个子步骤代替(21)(22)(23)，然后顺序执行(20)剩余子步骤和步骤(30)。在本仿真中，干扰机位于落弹区域的侧方，位置关系如图3所示，引信在弹道上A点接电工作，干扰机同时开机发设干扰信号，直至炮弹距离地面100m的B点时结束，整个过程大约几秒，干扰时长远远大于现有的干扰模型。
至此，干扰机发射信号和引信接收信号的仿真步骤完成，接下来信号处理步骤和引信回波信号的相同。从实施干扰的步骤来看，干扰模型按照图3建立更加贴近实际情况，干扰机和引信之间的相对运动状态由全弹道数据计算获得，使引信接收到的干扰信号更加真实准确，增加了干扰结果判定的可信度，干扰时长远远大于现有模型，干扰信号经过增幅调制后欺骗性增强，提高了干扰成功率。
实施例
查阅资料，某152mm加榴炮临界射击条件为：
(1)全号装药，初速度655m/s，射角45°，
(2)四号装药，初速度241m/s，射角20°。
某型连续波多普勒引信载频为750MHz，落地前5s开机工作，最佳起爆距离2～10m。引信发射天线增益Dt＝10，引信接收机天线增益Dr＝1.6，引信发射天线方向系数Ft＝0.707，引信接收天线方向系数Fr＝0.866。
某干扰机按图3位置关系，布置在距离落点X0＝200m处，干扰机采用瞄准式干扰方式，调幅频率Ω＝1kHz。
根据加榴炮射击临界参数，执行步骤(10)，得到引信最大落速397.90m/s，最大落角56.37°；最小落速213.58m/s，最小落角21.65°，射程为24616m。根据落速、落角的临界值，换算成垂直速度，执行子步骤(25)，得到多普勒范围388～1656Hz，设计多普勒带通滤波器通带为300～1800Hz。
根据临界射击参数，执行步骤(10)(20)及子步骤(31)(32),得到引信特征参量门限如下：
假设引信需要模拟的引信垂直落速为300m/s，据此数据执行步骤(40)可以得到如图4所示的经过增幅调制的干扰信号。然后依次执行步骤(20)(30)，得到如图5所示的引信启动情况，据此得出结论，经过增幅调制的干扰信号成功实施了欺骗干扰。
Claims (8)
1.一种基于matlab的引信靶场干扰试验仿真方法,其特征在于，包括如下步骤：
(10)全弹道仿真：根据炮弹在空中飞行特性微分方程组，利用四阶龙格-库塔迭代法求解炮弹全弹道数据；
(20)信号处理仿真：根据生成的引信发射信号和从炮弹全弹道数据中提取引信弹目距离，仿真接收回波信号、混频、多普勒选通滤波和提取特征参量；
(30)特征参量判决：根据确定型号引信的特征参量门限，将提取的特征参量与门限范围进行比较，输出启动信号；
(40)干扰实施仿真：根据干扰机发射信号，计算干扰距离，获取接收干扰信号。
2.根据权利要求1所述的仿真方法,其特征在于，所述(10)全弹道仿真步骤具体为：
利用四阶龙格-库塔迭代法求解下述引信在弹道上任意一点的速度、加速度微分方程组：
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得到不同射击条件下，不同型号引信在空中运动过程中的实时运动状态炮弹全弹道数据，包括落角、落速、水平距离、垂直距离，其中垂直距离是仿真接收信号幅度的计算依据，落速、落角是设计多普勒带通滤波器的依据；
上式中，x为引信水平距离，y为引信垂直距离，vx为引信的水平速度，vy为引信的垂直速度，c为弹道系数，g为重力加速度，H(y)为空气密度函数，G(v)为空气阻力函数。
3.根据权利要求2所述的仿真方法,其特征在于，所述(20)信号处理仿真步骤包括：
(21)引信发射信号：根据连续波多普勒引信载频f0生成引信发射信号；
(22)提取引信弹目距离：从炮弹全弹道数据中提取引信距地面垂直距离；
(23)接收回波信号：将引信发射信号进行幅度衰减、相位延时生成回波信号；
(24)混频：将引信接收机接收到的信号和引信本振信号混频，滤除高频部分，得到多普勒信号；
(25)多普勒选通滤波：根据多普勒频率范围得到带通滤波器的通带范围，对多普勒信号进行带通滤波，滤除部分高频信号及潜在的干扰信号；
(26)提取特征参量：对多普勒信号进行提取频率、提取多普勒信号包络和多普勒包络增幅速率。
4.根据权利要求3所述的仿真方法,其特征在于，所述(23)接收回波信号步骤包括：
(231)幅度衰减：按下式进行引信发射信号幅度衰减，
式中，N为地面反射系数；λ＝c/f0是引信的工作波长；Pt是引信的辐射功率；Dt是引信发射天线增益；是引信发射天线方向性函数；是弹目连线和弹轴的夹角；Dr是引信接收天线增益；是引信接收天线方向性函数；RΣ是引信天线辐射电阻；
(232)相位延时：按下式进行引信发射信号相位延时，
τ＝2H/c，
式中，H为引信距地面垂直距离，c为光速。
5.根据权利要求3所述的仿真方法,其特征在于，所述(25)多普勒选通滤波步骤中，通滤波器的通带范围由多普勒频率范围适当放大而成，所述多普勒频率范围由下式计算获得：
fd＝2f0·[vmin,vmax]/c，
式中，f0为引信发射信号载频，[vmin,vmax]为炮弹末端垂直落速范围，c为光速。
6.根据权利要求3所述的仿真方法,其特征在于，所述(26)提取特征参量包括：
(261)频率提取：对滤波后的多普勒信号采用滑窗式处理，即每做一次FFT，数据的起始点往后移一个，得到一段时间内连续的多普勒频率；
(262)包络提取：先将多普勒信号取绝对值，然后再通过一个80Hz的低通滤波器，并乘以系数0.5π补偿滤波后的幅度损失，得到用整流滤波提取的多普勒信号包络；
(263)包络增幅速率提取：提取采样点相邻5点的变化率平均值，作为该采样点处的多普勒增幅速率。
7.根据权利要求1所述的仿真方法,其特征在于，所述(30)特征参量判决步骤包括：
(31)引信型号同一性判断：判断引信是否为同一型号，如是，则转至步骤(33)；
(32)特征参量门限确定：提取炮弹在临界射击条件下引信的特征参量，包括频率、幅度、增幅速率，并根据提取的特征参量范围设定启动门限；
(33)门限判决：将提取的引信特征参量与启动门限进行比较，当频率、幅度、增幅速率三个特征参量均在门限范围内时，输出启动信号。
8.根据权利要求3所述的仿真方法,其特征在于，所述(40)干扰实施仿真步骤包括：
(41)干扰机发射信号：干扰机发射如下式所示的调幅连续波信号：
uj(t)＝Ujcos(Ωt)cos(ωjt)，
式中：Uj为干扰信号幅度，Ω为调幅频率，ωj为干扰信号载波频率；
(42)干扰信号增幅调制：增幅调制信号如下式：
<mrow>
<mi>X</mi>
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<mo>,</mo>
</mrow>
其中，
C0为引信回波信号的幅度常数，Cj为引信接收到的干扰信号幅度常数，Rj0为初始干扰距离，v0为干扰信号模拟的末端引信垂直速度，Tz＝(50-2)/v0为增幅调制周期，K为调制周期数，vj0为干扰速度，λj为干扰信号波长；Pj为干扰机的辐射功率；Dj为干扰机发射天线增益；为干扰机发射天线方向性函数。
干扰信号模拟逼近的引信末端速度为v0；
在每个增幅调制周期内，对干扰信号按照模拟的目标增幅曲线进行调制，使得干扰信号的增幅曲线逼近真实目标回波信号；
(43)干扰距离计算：
根据下式，计算在干扰过程中干扰机到引信弹道任意一点P的距离：
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<mn>2</mn>
</msubsup>
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</msqrt>
<mo>,</mo>
</mrow>
，
式中，X0为干扰机距离炮弹落点距离，Rm为炮弹射程，R1为引信水平距离，H1为引信垂直距离，Rm、R1、H1可由步骤(10)仿真的全弹道数据获得。
(44)干扰信号接收：
引信接收到的干扰信号的相位延时由下式得到：
τj＝Rj/c，
式中，Rj为干扰距离由步骤(43)获得，c为光速。
引信接收到的干扰信号经衰减后的幅度如下式：
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| CN106646399A (zh) * | 2016-08-12 | 2017-05-10 | 南京理工大学 | 一种引信体目标回波模拟半实物仿真装置 |
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2017
- 2017-09-04 CN CN201710784270.XA patent/CN107577869B/zh active Active
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