侯建强,韩壮志,王　震

(1.军械工程学院 电子与光学工程系,石家庄 050003;2.北京跟踪通信技术研究所,北京 100094)



一种复合伪码调相连续波动爆测试技术

侯建强1,韩壮志1,王震2

(1.军械工程学院 电子与光学工程系,石家庄 050003;2.北京跟踪通信技术研究所,北京 100094)

摘要:战斗部破片的初速以及初速分布是武器总体计算引战配合和杀伤概率时的必需参数。动爆测量是获得战斗部破片初速及初速分布的重要手段之一。对战斗部动爆破片特性进行了分析，针对动爆测量中破片数量多、距离和速度分辨率因破片密集程度而随时间变化的情况，设计了一种复合伪码调相信号，详细给出了信号的设计思路。分析结果表明，该信号具有多分辨率的特性，满足了动爆测量中分辨率可变的要求，保证了破片在飞行过程中具有较好的速度——距离二维分辨能力。理论数据分析表明，该信号能够用于战斗部动爆破片测量对雷达可变分辨率的要求，研究结果对动爆测量技术和群目标分辨技术的发展具有重要意义。

关键词:复合伪码;连续波;破片

所谓的破片测量就是对弹丸爆炸后产生的大量碎片的飞行距离、速度、分布等参数进行测量。战斗部破片的初速以及初速分布是武器总体计算引战配合和杀伤概率时的必需参数。通常,采用静爆测量的方法实现对破片的测量。然而,由于作战过程中弹丸处于高速运动状态,采用静爆测量的方法不能准确地对战斗部威力进行评估,还需要结合弹丸的运动状态,对测试结果进行分析。其测量和分析结果与实际情况难免会存在一些偏差。因此,得到运动状态下弹丸爆炸产生的破片的参数(即动爆测量参数)对武器系统的效能分析、定型设计、靶场试验等具有更加重要的意义。利用雷达测量运动状态下的弹丸爆炸产生的破片是常用的动爆测量方法之一。

在战斗部动爆测量方面,国外起步较早。国外靶场已有采用多普勒雷达测量破片速度的动爆测量法:如丹麦BS250雷达能测初速,还能得到阻力系数曲线、速度-距离曲线、速度-时间曲线;美国陆军白沙导弹靶场装备的靶场测试雷达,工作在X波段,能跟踪速度为30~3 000 m/s的目标,测速精度为0.3 m/s。

国内关于破片的测量,主要是依靠静爆测量的方法进行测试,文献[3~6]等提到的都属于国内发展较快的静爆测量方法。国内动爆测量技术发展相对缓慢。文献虽然提到了采用雷达回波实现对弹片和冲击波速度进行测量,但该文侧重寻找加速阶段与减速阶段分界点的方法研究,并未介绍战斗部破片动爆测量的具体实现方法。

目前,关于动爆测量技术的文献鲜有报道。本文针对破片动爆测量技术存在破片数量多,密集程度随时间变化,距离、速度分辨率要求较高等问题,受通信系统中码分多址(CDMA)[8-10]信号的启发,设计了一种利用低分辨雷达实现动爆测量的复合伪码调相信号。该信号具有多分辨率的特点,能够满足测量中距离、速度分辨率可变的要求,保证了破片在飞行过程中具有较好的速度——距离二维分辨能力,相对于单一一种信号具有更好的分辨特性。

1动爆破片特性分析

战斗部破片初速主要受到炸药性能、装药与壳体质量比、装药长径比、起爆位置、壳体材料、装药约束条件等因素的综合影响,十分复杂[11]。一般情况下,破片分布是以弹药中心呈轴对称分布,部分呈定向爆炸分布。对破片进行测量时可由对称轴上某一个方向或几个方向的速度、散布来表征弹药轴对称上的爆炸特性。在非对称方向上进行多方向测量,即可表征弹药爆炸空间的分布特性。

对某型动爆破片运动轨迹的仿真结果如图1和图2所示。图1为破片球形分散且分散角为0~360°的仿真结果;图2为破片分散运动轨迹,时间较长,包含破片下落过程,分散角为0~360°。图1和图2中x、y、z分别表示相对雷达的水平、垂直和竖直距离。基本上可以了解破片运动的过程。

在上述条件下,-0.6°~0.6°雷达波束内破片数量n的变化情况如图3所示。

由上述分析可以看出,运动状态下弹丸爆炸产生的破片动态很大,破片整体上呈从密集变稀疏的趋势,破片数量是由多到少的变化趋势(当然实际过程中由于破片存在出入波束的情况,数量变化可能会存在波动,但整体趋势不变),破片速度的变化范围也很大。要想实现对破片的动爆测量,首先要实现破片密集情况下的分辨问题,即高距离分辨率,其次要保证测量中速度参数的准确性,即高速度分辨率,但二者是矛盾的,无法同时满足。在密集程度随时间变化的动爆测量中,可通过距离和速度分辨率可变来实现。

图1　破片0~360°球形分散时的飞散轨迹

图2　破片0~360°分散时的运动轨迹

图3　-0.6°~0.6°波束内破片数量随时间的变化曲线

2破片动爆测量中复合伪码调相信号的设计

2.1基础信号波形的选择

图4　伪随机码调相信号的模糊图

图5　伪随机码及调制后的发射波形

2.2复合伪码调相信号的形成思路

根据上文分析,破片存在开始密集后期稀疏、破片速度的变化范围较大等特点。利用伪码调相连续波信号,完成整个过程中的高速度分辨率和高距离分辨率的测量时,要求测量起始阶段选取较窄的距离门(即距离分辨率要尽可能高)以保证在破片比较密集的情况下完成破片的区分。随着时间的推移,破片逐渐变得稀疏,数量也逐渐变少,为更好地完成测量,应该适当放宽距离门,增大破片飞跃距离门的时间,以便提高速度分辨率。因此,采用单一一种伪码调相连续波信号是不能满足要求的。测量时,需要根据弹丸爆炸后破片飞行的时间来具体选择参数,完成分时测量。

由于破片飞行过程中,由密集变稀疏分时测量的时间点难以估算,不能准确得到,因此不能采用时分调制的信号形式进行测量。针对这一情况,本文结合通信理论中的码分多址(CDMA)信号的特点,将其应用到战斗部动爆测量中,设计了一种复合伪码调相连续波信号,以实现测量。

在通信系统中,CDMA利用不同的码序列实现多址通信,区分不同用户。如果从频域或时域来观察,多个CDMA信号是互相重叠的,接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号。与预定码型不同的信号不能被解调。

与通信系统中的CDMA信号应用类似,在进行破片动爆测量时,发射机同时发射不同序列调制的伪码连续波信号,在接收端分别用相应的本地码对回波信号进行解调。对解调结果进行分析,将每一种解调结果分成若干个时间段,并从各个时间段内选取解调效果较好的结果作为有效值,然后通过其他测量值对有效值做进一步修正和分析,从而得到距离分辨率和速度分辨率都比较满意的结果。发射端发射的不同序列调制的伪码连续波信号具有不同的距离门和码钟,其参数是根据理论分析和工程经验得到的,能够较好地满足对破片距离分辨率和速度分辨率的要求。

2.3复合伪码调相信号的设计

发射信号的整体形式如下:

式中:M为参与调制的伪码序列的个数,Ti为伪码序列的码元宽度,Pi为伪码序列的码长位数,f0为发射信号的载频,ui为伪码序列的包络。ui有如下关系:

该信号需要具有如下特点:

①正交性。在选择伪码序列时,要求各个序列之间正交或者准正交,以便降低多址干扰,这与通信系统中的要求一样。

②所选信号的作用威力要保证测量中无模糊。由于动爆测量中,破片速度分布较大,为避免速度和距离同时模糊,本文在设计信号时,首先考虑无距离模糊,以便容易进行解模糊运算。为满足这一要求,有如下关系式:

PiTi≥Rmax

式中:Rmax为破片分散的最大距离。

③所选信号要具有满足各个时间段要求的距离分辨率Δd和多普勒分辨率Δf(速度分辨率)的要求。其计算过程为

Δd=cTi/2, Δf=vt/Δd

式中:vt为相应时刻的破片速度,c为光速。

3复合伪码调相信号动爆测量分析

为了方便,本文以3种信号为例进行分析。3种伪码信号的选取如下:码钟分别为37.5M,50M,75M,相应的码长为127,255,511。3种信号对应的距离门长度分别为4 m,3 m,2 m。假设0~t1时刻破片非常密集,破片速度的最大值为3 000 m/s;t1~t2时刻破片较为密集,破片速度的最大值为2 000 m/s;t2~t3时刻破片比较分散,破片速度的最大值为1 000 m/s。

根据本文分析,在测量0~t1时刻,可以采用75M、511位码长信号的测量结果,距离分辨率为2 m,多普勒分辨率为1.5 kHz;t1~t2时刻可以采用75M、511位码长信号与50M、255位码长信号的综合测量结果,距离分辨率约为2 m,多普勒分辨率为667 Hz;在t2~t3时刻可以采用75M、511位码长信号与37.5M、127位码长信号的综合测量结果,距离分辨率约为2 m,多普勒分辨率为250 Hz。如果采用单一的信号进行测量只能选取75M、511位码长的信号,才能保证在破片比较密集的情况下完成破片的分辨,继而完成测量。其多普勒分辨能力明显不如采用复合伪码调相这种信号波形的分辨能力,在对速度精度要求比较高的破片群目标的测量中,是明显不满足要求的。因此,单一一种信号是不能完成测量的。根据上述对复合伪码调相信号和单一一种信号的分析,可以得到表1的对比结果。

从表1中可以看出,复合伪码调相信号在测量过程中具有更高的速度分辨率。采用单一一种信号虽然有较高的距离分辨率,但是在破片测量中更注重速度分辨率,这种信号明显不能满足要求。同时,采用复合伪码调相信号进行测量,通过综合各个子信号的测量结果,也能保证很好的距离分辨率。这种多次测量还具有降低测量误差的优势。

表1　分辨率对比表

4结束语

本文从信号选择、距离分辨率、速度分辨率的角度分析了战斗部破片动爆测量这一复杂群目标分辨的问题。文中针对动爆测量中距离和速度分辨率因破片的密集程度而随时间变化的要求,设计了一种利用低分辨雷达实现测量的复合伪码调相连续波信号,实现了测量过程中很好的距离和速度分辨率要求,对动爆测量技术和群目标分辨技术的发展具有重要意义。

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A Test Technology of Warhead Dynamic-fragments Based on

Composite Pseudorandom-code Continuous-wave-signal

HOU Jian-qiang1,HAN Zhuang-zhi1,WANG Zhen2

(1.Department of Electronics and Optics Engineering,Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China)

(2.Beijing Institute of Tracking and Communication Technology,Beijing 100094,China)

Abstract:The velocity and velocity distribution of warhead fragments are necessary parameters for calculating the overall coordination and kill probability of weapon.Dynamic test is one of the important techniques to acquire them.The characteristic of dynamic fragments of warhead was analyzed.The number of fragments is large,and the range and velocity vary with time because of the intensive degree of fragments.Aiming at this problem,a composite PN code continuous-wave-signal was designed to realize dynamic fragments test,and the design thought of signal was given in detail.The signal provides multi-resolution and has a good two-dimensional resolution with range and velocity.Theoretical data analysis indicates that the signal can meet the reqirments of variable resolution of measurement-radar for measuring warhead dynamic-fragments.The results are important for the development of the technology of dynamic burst measurement and technology of the group targets distinguish.

Key words:composite PN code;continuous wave;fragment

中图分类号:TN95;TJ160

文献标识码:A

文章编号:1004-499X(2015)04-0042-05

作者简介:侯建强(1990- ),男,硕士研究生,研究方向为雷达信号处理和靶场测量。E-mail:877784427@qq.com。

收稿日期:2015-04-15