CN107577869B - 基于matlab的引信靶场干扰试验仿真方法 - Google Patents

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

基于matlab的引信靶场干扰试验仿真方法

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，v_x为引信的水平速度，v_y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；P_t是引信的辐射功率；D_t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；D_r是引信接收天线增益；

是引信接收天线方向性函数；R_Σ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：

f_d＝2f₀·[v_min,v_max]/c，

式中，f₀为引信发射信号载频，[v_min,v_max]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：

u_j(t)＝U_jcos(Ωt)cos(ω_jt)，

式中：U_j为干扰信号幅度，Ω为调幅频率，ω_j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，C_j为引信接收到的干扰信号幅度常数，R_j0为初始干扰距离，v₀为干扰信号模拟的末端引信垂直速度，T_z＝(50-2)/v₀为增幅调制周期，K为调制周期数，v_j0为干扰速度，λ_j为干扰信号波长；P_j为干扰机的辐射功率；D_j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R_j0，干扰速度v_j0，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，R_m为炮弹射程，R₁为引信水平距离，H₁为引信垂直距离，R_m、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：

τ_j＝R_j/c，

式中，R_j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D_t＝10，引信接收机天线增益D_r＝1.6，引信发射天线方向系数F_t＝0.707，引信接收天线方向系数F_r＝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 (1)

1.一种基于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；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，v_x为引信的水平速度，v_y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；

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；

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；P_t是引信的辐射功率；D_t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；D_r是引信接收天线增益；

是引信接收天线方向性函数；R_∑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；

所述(25)多普勒选通滤波步骤中，所述多普勒频率范围由下式计算获得：

f_d＝2f₀·[v_min,v_max]/c，

式中，f₀为引信发射信号载频，[v_min,v_max]为炮弹末端垂直落速范围，c为光速；

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；

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；

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：

u_j(t)＝U_jcos(Ωt)cos(ω_jt)，

式中：U_j为干扰信号幅度，Ω为调幅频率，ω_j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：

其中，

C₀为引信回波信号的幅度常数，C_j为引信接收到的干扰信号幅度常数，R_j0为初始干扰距离，v₀为干扰信号模拟的末端引信垂直速度，T_z＝(50-2)/v₀为增幅调制周期，K为调制周期数，v_j0为干扰速度，λ_j为干扰信号波长；P_j为干扰机的辐射功率；D_j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：

式中，X₀为干扰机距离炮弹落点距离，R_m为炮弹射程，R₁为引信水平距离，H₁为引信垂直距离，R_m、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：

τ_j＝R_j/c，

式中，R_j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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