楊 勇

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

偏心安裝的導(dǎo)引頭隔離度測量值的修正*

楊 勇**

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

針對偏心安裝條件下導(dǎo)引頭隔離度的測量偏差問題，介紹了一種導(dǎo)引頭隔離度測量值的修正方法。構(gòu)建了導(dǎo)引頭在轉(zhuǎn)臺上偏心安裝條件下的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了偏心安裝引起的導(dǎo)引頭輸出角速度偏差，分析了這種偏差對導(dǎo)引頭隔離度測量的影響，最后給出了一種導(dǎo)引頭隔離度測量值的修正方法。仿真和測試證明了該方法的可行性，這對解決雷達導(dǎo)引頭高精度指標測量問題具有重要指導(dǎo)意義。

雷達導(dǎo)引頭；偏心安裝；隔離度測量值修正；擾動頻率；角速度誤差

1 引 言

雷達導(dǎo)引頭是引導(dǎo)導(dǎo)彈跟蹤和捕獲目標的高精度傳感器，但是由于導(dǎo)彈在飛行中會受到空氣阻力，引起彈體劇烈振蕩，從而導(dǎo)致雷達波束發(fā)生偏移和擺動，甚至丟失目標。為克服彈體擾動影響，通常的雷達導(dǎo)引頭穩(wěn)定方法采用二軸兩框架穩(wěn)定方法，利用陀螺的慣性速率測量功能構(gòu)成穩(wěn)定回路來去除彈體擾動并跟蹤目標。因此，導(dǎo)引頭對彈體擾動的去耦能力是導(dǎo)引頭的重要指標之一，它將直接影響導(dǎo)引頭角速度測量精度[1-2]。常規(guī)的隔離度測量方法是利用雷達導(dǎo)引頭、轉(zhuǎn)臺、目標模擬器和暗室環(huán)境構(gòu)成系統(tǒng)跟蹤回路，采用轉(zhuǎn)臺模擬彈體擾動進行測試[3-5]。這種方法需要將雷達導(dǎo)引頭通過結(jié)構(gòu)工裝安裝在轉(zhuǎn)臺上，由于轉(zhuǎn)臺模擬的彈體擾動角速度較大，因此，結(jié)構(gòu)工裝一般將導(dǎo)引頭的質(zhì)心設(shè)計在轉(zhuǎn)臺中心上，從而滿足轉(zhuǎn)臺在高速擺動過程中保持力矩穩(wěn)定，這就產(chǎn)生了一個雷達導(dǎo)引頭天線旋轉(zhuǎn)中心與轉(zhuǎn)臺中心的安裝偏差，即偏心距。由于暗室中目標模擬器到雷達導(dǎo)引頭的距離一般遠大于偏心距，因此在導(dǎo)引頭的隔離度指標要求不高的條件下，這種測試方法可滿足指標要求。但是，隨著導(dǎo)引頭精度的提升，對隔離度的要求也越來越高，上述不考慮安裝偏心距的常規(guī)測試方法已經(jīng)無法滿足隔離度測量精度的要求。為此，本文構(gòu)建了雷達導(dǎo)引頭在轉(zhuǎn)臺上偏心安裝條件下的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了偏心距所引起的雷達導(dǎo)引頭輸出角速度誤差，并分析了該角速度偏差對導(dǎo)引頭隔離度的影響,最后給出了導(dǎo)引頭隔離度的補償方法。仿真和試驗結(jié)果表明該方法補償了偏心距對系統(tǒng)隔離度的影響，可以滿足當前導(dǎo)引頭隔離度的高精度測量要求。

2 隔離度定義及其測試系統(tǒng)

隔離度γ定義為天線電軸指向轉(zhuǎn)動角速度與彈體轉(zhuǎn)動角速度之比，隔離度越小，表明穩(wěn)定系統(tǒng)對彈體擾動的隔離能力越強。由于介紹隔離度的理論模型及定義文章較多[6-7]，這里就不再贅述，本文主要從測試系統(tǒng)角度對隔離度進行定義和分析。

理想隔離度測試系統(tǒng)如圖1所示，由雷達信號模擬源、擾動轉(zhuǎn)臺、導(dǎo)引頭、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和暗室環(huán)境組成。雷達信號源產(chǎn)生目標模擬信號，導(dǎo)引頭接收該輻射信號，對其進行信號處理并通過隨動系統(tǒng)使電軸始終保持指向目標；擾動轉(zhuǎn)臺模擬彈體擾動；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄轉(zhuǎn)臺和導(dǎo)引頭輸出角速度數(shù)據(jù)；暗室環(huán)境為雷達信號模擬器向?qū)б^輻射模擬信號電磁波傳播的空間，同時屏蔽外界的干擾，為導(dǎo)引頭提供一個靜區(qū)空間。導(dǎo)引頭安裝在擾動轉(zhuǎn)臺上，且導(dǎo)引頭的天線轉(zhuǎn)動中心與擾動轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動中心重合。

圖1 理想隔離度測試系統(tǒng)

Fig.1 The ideal system for isolation test

隔離度的測試方法是：擾動轉(zhuǎn)臺模擬彈體在飛行狀態(tài)的擾動，擾動轉(zhuǎn)臺在水平方向作正弦擺動；目標不動，導(dǎo)引頭處于目標跟蹤狀態(tài)；啟動擾動轉(zhuǎn)臺，在水平方向以規(guī)定的頻率和擺幅擺動，導(dǎo)引頭穩(wěn)定回路對擾動起去耦作用，角跟蹤回路保持電軸始終指向目標。隔離度γ(f)按下式計算[8]：

(1)

擾動轉(zhuǎn)臺的模擬原理是通過控制擾動頻率和擾動幅度的方法來達到彈體角擾動模擬的目的。擾動轉(zhuǎn)臺模擬方法較為簡單，通常是由超低頻正弦信號發(fā)生器經(jīng)隨動系統(tǒng)驅(qū)動擾動轉(zhuǎn)臺往復(fù)運動。通過調(diào)節(jié)正弦信號的頻率和幅度，可以模擬導(dǎo)引頭承受導(dǎo)彈彈體擾動。假設(shè)θ(t,f)為擾動轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角，b(t,f)為導(dǎo)引頭天線轉(zhuǎn)動角，θ(t,f)和b(t,f)可分別表示為

θ(t,f)=Asin(2πft+φ)，

(2)

b(t,f)=Bsin(2πft+φ)。

(3)

(4)

(5)

由式(1)隔離度定義，可知最大隔離度ζ為

(6)

3 考慮偏心距的隔離度模型

實際隔離度測試系統(tǒng)必須考慮偏心距安裝誤差(如圖2所示)，根據(jù)在實際系統(tǒng)中導(dǎo)引頭、雷達信號模擬源以及擾動轉(zhuǎn)臺形成的三角幾何關(guān)系可知若不存在安裝偏心距，則導(dǎo)引頭的理想隔離效果應(yīng)使得在轉(zhuǎn)臺擾動過程中導(dǎo)引頭天線指向始終保持初始天線指向方向。圖2中R為雷達信號模擬源到導(dǎo)引頭天線面的距離，r為導(dǎo)引頭在擾動轉(zhuǎn)臺上的安裝偏心距。

圖2 考慮偏心距誤差的隔離度測試系統(tǒng)

Fig.2 The isolation test system with a centroid offset

但由于安裝偏心距r的存在，使得在理想隔離條件下，導(dǎo)引頭也必然產(chǎn)生一個天線指向偏差角度b(t,f)。令k=R/r，?=2πf，其可表示為

(7)

式(7)兩邊對t求導(dǎo)，可得

(8)

其中：

(9)

(10)

(11)

由式(8)可知，這種偏心距引起的擾動角速度可由雷達信號模擬源到導(dǎo)引頭天線面的距離R、偏心距r和轉(zhuǎn)臺頻率f等已知的測試常量表示，并唯一確定。因此，只要利用式(8)對測試獲得的導(dǎo)引頭角速度數(shù)據(jù)進行修正，就可得到真實的隔離度測試結(jié)果。

4 仿真、試驗結(jié)果及分析

假設(shè)雷達系統(tǒng)隔離度測試的仿真環(huán)境如圖2所示，其中R=7.6 m，偏心距r=0.01 m，擾動轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動頻率f=1 Hz，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動最大幅度A=14°，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣時間Ts=1 ms。上述仿真環(huán)境和參數(shù)均為常規(guī)導(dǎo)引頭測試環(huán)境及參數(shù)。

導(dǎo)引頭隔離度仿真結(jié)果如圖3～5所示。圖3和圖4分別為轉(zhuǎn)臺角速度和偏心距引起的導(dǎo)引頭角速度，由兩圖曲線對比可知后者在相位上滯后于前者180。圖5為偏心距引起的導(dǎo)引頭隔離度結(jié)果，最大隔離度值為0.131 6%，且該極值出現(xiàn)在擾動轉(zhuǎn)臺和導(dǎo)引頭角速度輸出曲線波峰或波谷處。

圖3 轉(zhuǎn)臺角速度

Fig.3 The angle-velocity of turntable

圖4 偏心距引起的導(dǎo)引頭角速度(仿真)

Fig.4 The simulated angle-velocity of seeker installed with a centroid offset

圖5 偏心距引起的導(dǎo)引頭隔離度

Fig.5 The isolation of seeker caused by the centroid offset

針對上述隔離度仿真系統(tǒng)，令導(dǎo)引頭安裝在轉(zhuǎn)臺上的偏心距r=0.01 m保持不變，轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動頻率由1 Hz開始，按1 Hz步進遞增到10 Hz，則導(dǎo)引頭隔離度仿真結(jié)果如圖6～8所示。圖6和圖7分別為轉(zhuǎn)臺和偏心距引起的輸出角速度最大值隨頻率的變化結(jié)果，圖8為偏心距引起的導(dǎo)引頭隔離度隨頻率的變化結(jié)果。由圖6和圖7可以看出，雖然轉(zhuǎn)臺和導(dǎo)引頭的角速度最大值均隨頻率的增大而增大，但是其隔離度輸出則始終保持不變(ζ=0.131 6%)。由此可知，偏心距引起的導(dǎo)引頭隔離度最大值與轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動頻率無關(guān)。

圖6 轉(zhuǎn)臺角速度最大值隨頻率的變化

Fig.6 The angle-velocity maximum value of turntable with frequency variation

圖7 偏心距引起的角速度最大值隨頻率的變化

Fig.7 The angle-velocity maximum value caused by the centroid offset with frequency variation

圖8 偏心距引起的隔離度隨頻率的變化

Fig.8 The isolation caused by the centroid offset with frequency variation

同樣，令轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動頻率f=1 Hz保持不變，導(dǎo)引頭安裝在轉(zhuǎn)臺上的偏心距由r=0.01 m開始，按0.01 m步進遞增到0.1 m，則導(dǎo)引頭隔離度仿真結(jié)果如圖9所示。從圖9可知，安裝偏心距越大，則其引入的導(dǎo)引頭隔離度偏差越大，偏差值在0.131 6%～1.31 6%之間，又因為常規(guī)導(dǎo)引頭的隔離度指標要求為2%～3%，因此，如果不嚴格控制偏心距，將會極大影響導(dǎo)引頭隔離度指標的測試精度。必要時，需要針對偏心距引起的導(dǎo)引頭隔離度進行補償。

圖9 導(dǎo)引頭隔離度隨偏心距的變化

Fig.9 The isolation of seeker with centroid offset variation

采用上述方法對某雷達導(dǎo)引頭樣機進行系統(tǒng)隔離度測試，測試參數(shù)如下：R=7.6 m，偏心距r=0.01 m，擾動轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動頻率f=1 Hz，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動最大幅度A=14°，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣時間Ts=1 ms。導(dǎo)引頭隔離度測試結(jié)果如圖10所示，其中導(dǎo)引頭輸出角速度測試曲線存在大量噪聲和毛刺，經(jīng)低通濾波處理后可得導(dǎo)引頭系統(tǒng)隔離度測試結(jié)果為2.59 5%。利用本文提出的偏心距模型可得偏心距引起的角速度輸出曲線如圖11所示，通過計算可得偏心距所引起的隔離度為0.134 1%。由圖10和11可知，在實際測試過程中，由于真實測試設(shè)備與理論仿真存在一定誤差，實際偏心距引起的角速度與轉(zhuǎn)臺角速度在相位上基本不存在滯后，因此，可以認為偏心距引起的角速度均正向疊加到導(dǎo)引頭輸出角速度上，從而導(dǎo)致導(dǎo)引頭的輸出角速度偏大，隔離度指標變差。由于這里得到的偏心距引起的角速度為復(fù)數(shù)，并與導(dǎo)引頭角速度存在明確的幅度和相位關(guān)系，因此可在時域直接相減進行補償。圖12所示為轉(zhuǎn)臺和補償后的導(dǎo)引頭輸出角速度，在補償偏心距引起的角速度后，導(dǎo)引頭隔離度為2.517%。由此可知，采用本文提出的偏心距模型可有效補償導(dǎo)引頭輸出角速度偏差，提高導(dǎo)引頭隔離度測試指標精度。

圖10 導(dǎo)引頭和轉(zhuǎn)臺的角速度

Fig.10 The angle-velocities of turntable and seeker

圖11 偏心距引起的導(dǎo)引頭角速度(實測)

Fig.11 The measured angle-velocity of seeker caused by the centroid offset

圖12 轉(zhuǎn)臺角速度和補償后的導(dǎo)引頭角速度

Fig.12 The angle-velocity of turntable and angle-velocity by compensating of seeker

5 結(jié) 論

本文介紹了一種在雷達導(dǎo)引頭隔離度測試過程中的測量值補償方法。該方法構(gòu)建了雷達導(dǎo)引頭在轉(zhuǎn)臺上偏心安裝條件下的數(shù)學(xué)模型，定量分析了偏心距對雷達導(dǎo)引頭隔離度測試的影響。從仿真和實際試驗結(jié)果來看，該方法可有效補償偏心距引起的角速度偏差，提高導(dǎo)引頭隔離度測量精度，這對解決雷達導(dǎo)引頭高精度指標測量問題具有重要指導(dǎo)意義。

[1] 周桃品，李友年. 導(dǎo)引頭隔離度對制導(dǎo)系統(tǒng)影響研究[J]. 航空兵器，2013(1):32-35. ZHOU Taopin,LI Younian. Effect of seeker disturbance rejection rate on guidance system[J]. Aero Weaponry,2013(1):32-35.(in Chinese)

[2] 徐平，王偉，林德福. 導(dǎo)引頭隔離度對末制導(dǎo)炮彈制導(dǎo)控制的影響[J]. 彈道學(xué)報，2012,24(1):17-21. XU Ping,WANG Wei,LIN Defu. Effect of seeker isolation on guidance and control of terminal guided projectile[J]. Journal of Ballistics，2012,24(1):17-21.(in Chinese)

[3] 劉正云，蘇建剛. 瞄準線穩(wěn)定精度的室內(nèi)測試技術(shù)[J]. 光學(xué)精密工程，1999,7(5):96-99. LIU Zhengyun,SU Jiangang. Indoor measurement techniques for the stabilizing accuracy of aiming line of image stabilizer[J]. Optics and Precision Engineering,1999,7(5):96-99.(in Chinese)

[4] 張安鋒. 光電穩(wěn)定系統(tǒng)的穩(wěn)定精度測試研究[D]. 長春：長春理工大學(xué)，2003. ZHANG Anfeng. Stabilization accuracy test of O-E stabilized system[D]. Changchun:Changchun University of Science and Technology,2003.(in Chinese)

[5] 趙桂軍，吳曄，成志鋒，等. 導(dǎo)引頭伺服系統(tǒng)去耦系數(shù)的自動化測試方法[J]. 制導(dǎo)與引信，2009,30(3):11-15. ZHAO Guijun,WU Ye,CHENG Zhifeng,et al. The automatic test method of decoupling coefficient for seeker servo system[J]. Guidance and Fuze， 2009,30(3):11-15.(in Chinese)

[6] 趙超. 導(dǎo)引頭穩(wěn)定系統(tǒng)隔離度研究[J]. 光電與控制，2008,15(7):78-82. ZHAO Chao. Study on disturbance rejection rate of a seeker servo system[J]. Electronics Optics and Control， 2008,15(7):78-82.(in Chinese)

[7] 楊黎都，高向東，鄭星，等. 射頻仿真系統(tǒng)三軸模擬轉(zhuǎn)臺動態(tài)誤差分析[J]. 電訊技術(shù)，2012,52(7):1198-1201. YANG Lidu,GAO Xiangdong,ZHENG Xing,et al. Dynamic error analysis of three-axis simulation rotating platform based on RF simulation system[J]. Telecommunication Engineering,2012,52(7):1198-1201.(in Chinese)

[8] 吳雪芳. 通用伺服系統(tǒng)隔離度測試方法的研究[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2012. WU Xuefang. Universal servo system isolation of testing method study[D]. Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China,2012.(in Chinese)

YANG Yong was born in Fushun,Liaoning Province,in 1978. He received the Ph.D. degree from Wuhan University in 2006. He is now a senior engineer. His research concerns radar signal processing and image processing technology.

Email：25600073@qq.com

Revising of Measurement Isolation Value of Seeker Installed with a Centroid Offset

YANG Yong

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

The measured values from the isolation of seeker installed with a centroid offset commonly have bias. A data correcting method of the measurement isolation values of seeker is presented.The mathematical model of seeker installed on the turntable with a centroid offset is established. The angle-velocity errors caused by the centroid offset installation are derived for analyzing the influence of the angle-velocity errors on the measurement values of seeker. Finally,a revising method is given. Computer simulation and test result verify the feasibility of the proposed method. It is instructive for practical project in which missile tracks surface targets.

radar seeker;centroid offset installation；measurement isolation value revising；disturbance frequency；angle-velocity error

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.12.006

楊勇.偏心安裝的導(dǎo)引頭隔離度測量值的修正[J].電訊技術(shù)，2016,56(12):1335-1339.[YANG Yong.Revising of measurement isolation value of seeker installed with a centroid offset[J].Telecommunication Engineering,2016,56(12):1335-1339.]

2016-03-02；

2016-08-10 Received date:2016-03-02；Revised date：2016-08-10

TN953

A

1001-893X(2016)12-1335-05

楊 勇(1978—)，男，遼寧撫順人，2006年于武漢大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要從事雷達信號處理、圖像處理等方面的研究工作。

**通信作者：25600073@qq.com Corresponding author：25600073@qq.com