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(中國兵器裝備集團(成都)火控技術(shù)中心， 四川成都 611731)

0 引言

導(dǎo)彈脫靶量是指導(dǎo)彈與目標(biāo)之間的最小距離，代表偏離目標(biāo)的大小[1]。脫靶量測量包括標(biāo)量脫靶量測量和矢量脫靶量測量。標(biāo)量脫靶量是指遭遇過程中彈與靶的最小相對距離，表示彈命中目標(biāo)的誤差大小，或稱作命中精度，它是衡量武器毀傷效能的重要指標(biāo)[2-3]。由于標(biāo)量脫靶量測量系統(tǒng)相對便宜,能夠?qū)芏鄰椛漕愇淦?如子彈、炮彈和導(dǎo)彈等)進行測量，并且它們幾乎可以安裝在任何尺寸的靶標(biāo)上，因此目前標(biāo)量脫靶量測量系統(tǒng)仍然在廣泛使用。

根據(jù)雷達體制的不同，目前主要有3種標(biāo)量脫靶量測量方法：基于多普勒效應(yīng)、基于沖擊脈沖體制以及基于線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)體制的脫靶量測量方法。文獻[4]采用的基于多普勒效應(yīng)脫靶量測量方法的優(yōu)點是電路簡單，但是該方式只能用于點目標(biāo)測量，在近距離對體目標(biāo)進行測量時，有多普勒譜擴展效應(yīng)，造成多普勒頻率測量誤差。文獻[5]所采用的基于沖擊脈沖體制的脫靶量測量方法，雖然從理論上解決了體目標(biāo)脫靶量測量問題，但是對信號處理采樣率和數(shù)據(jù)傳輸率提出了很高的要求，系統(tǒng)實現(xiàn)難度較大。

文中設(shè)計的標(biāo)量脫靶量測量系統(tǒng)采用基于LFMCW雷達測距原理的脫靶量測量方法，系統(tǒng)帶寬大、距離測量精度高。但是接收機中頻帶寬小，信號采樣率和數(shù)據(jù)傳輸速率低，信號處理計算量小，電路簡單。該系統(tǒng)具有電路簡單、成本低、體積小、重量輕、峰值功率低、測量精度高等特點。而且采用一體化、模塊化設(shè)計，根據(jù)不同任務(wù)可裝載于不同的靶標(biāo)平臺。該系統(tǒng)已形成系列化產(chǎn)品，成功應(yīng)用于靶彈、靶船和無人機等多個靶標(biāo)平臺。系統(tǒng)脫靶量測量精度≤1 m，測量范圍為0～60 m，達到國內(nèi)先進水平，為部隊打靶訓(xùn)練和科研靶試提供精確的脫靶量信息，具有良好的應(yīng)用前景。

1 標(biāo)量脫靶量測量系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成及測距原理

系統(tǒng)主要由頻綜、發(fā)射機、收/發(fā)天線、低噪放、接收機、信號處理和數(shù)據(jù)處理顯控終端等幾部分組成。組成框圖如圖1所示。

頻綜產(chǎn)生射頻激勵信號，其頻率在時間上按三角波規(guī)律變化。激勵信號經(jīng)發(fā)射機放大后，通過發(fā)射天線轉(zhuǎn)換成電磁波信號向外發(fā)射。電磁波信號遇到目標(biāo)后，一部分能量被反射回接收天線，接收天線將回波信號轉(zhuǎn)換為射頻信號(RF)，經(jīng)低噪放放大后送入接收機。由于回波信號具有一定時間延遲，回波信號延遲后與本振信號就存在一定的頻差，頻差關(guān)系如圖2所示[6]。

由圖2可知，正斜率調(diào)制時回波信號與本振信號的差頻fi+與目標(biāo)距離R以及多普勒頻率fd的關(guān)系可表示為

(1)

式中，Tm為調(diào)制周期，ΔFm為調(diào)制頻偏。負(fù)斜率調(diào)制時回波信號與本振信號的差頻fi-與目標(biāo)距離R以及多普勒頻率fd的關(guān)系可表示為

(2)

將式(1)和式(2)相加，去掉多普勒fd的影響。可將距離R表示為

(3)

接收機對回波信號和本振信號進行混頻、濾波、放大即可得到差頻fi+和fi-，然后根據(jù)式(3)即可得到目標(biāo)距離R。

1.2 信號處理流程

信號處理流程如圖3所示。由上節(jié)分析可知，得到差頻信號的頻率即可求出被測目標(biāo)與雷達的相對距離R。本系統(tǒng)的本振是由激勵信號功分出來的，因此回波信號與本振混頻后得到的差頻信號為零中頻信號。根據(jù)系統(tǒng)所選參數(shù)以及距離檢測范圍，接收機輸出的零中頻信號頻率范圍為0～2 MHz，信號處理先將中頻信號進行40 MHz AD采樣，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并對信號進行數(shù)字低通濾波(LPF)，濾波器的頻率響應(yīng)特性如圖4所示，其主要作用是濾除帶外雜波以及抽取抗混疊。然后對數(shù)據(jù)進行8倍抽取，將采樣率降為5 MHz。在滿足Nyquist抽樣定律的情況下盡量減小信號處理的計算量。抽樣后選取數(shù)據(jù)中間信號質(zhì)量較好的256點進行快速傅里葉變換(FFT)處理，最后進行頻域恒虛警檢測(CFAR)，檢測目標(biāo)并根據(jù)式(3)求出目標(biāo)與雷達的相對距離R。

1.3 標(biāo)量脫靶量測量算法

圖5為標(biāo)量脫靶量測量的參考坐標(biāo)系，即脫靶量測量示意圖。測量系統(tǒng)位于坐標(biāo)系原點，導(dǎo)彈以一定偏角和傾角與裝有脫靶量測量系統(tǒng)的靶標(biāo)進行交匯。設(shè)交匯時間內(nèi)，導(dǎo)彈相對于靶標(biāo)作勻速直線運動，速度為v0，其運動軌跡與測量系統(tǒng)的最短距離，即脫靶量為ρ。記參考時間t=0時刻導(dǎo)彈與脫靶點的距離為D0，再記任意時刻導(dǎo)彈與測量系統(tǒng)的距離為R(t)。

根據(jù)圖5所示的幾何關(guān)系，導(dǎo)彈與測量系統(tǒng)的實時距離可表示為

R2(t)=(D0-v0t)2+ρ2

(4)

進一步整理可得

(5)

令導(dǎo)彈第一次被測量到的時刻為參考時間t=0，其余各測量時刻為ti，對應(yīng)的實時距離為Ri，那么式(5)可表示為

(6)

設(shè)

(7)

(8)

(9)

則測量矩陣可表示為

r=A×b

(10)

由上式可求得測量矩陣的最小二乘解為

(11)

1.4 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由電子設(shè)備機箱、天線以及相關(guān)結(jié)構(gòu)件三個主要部分組成。其中電子設(shè)備機箱包括頻綜、接收機、發(fā)射機、電源、信號處理等幾部分，是整個脫靶量測量系統(tǒng)的核心部分。

電子設(shè)備機箱內(nèi)的各部分均采用模塊化設(shè)計，在調(diào)試完成后集中布置在機箱內(nèi)，在布置過程中盡可能使各部分安排緊湊、合理，在滿足系統(tǒng)使用性能前提下，使電子設(shè)計機箱內(nèi)的空間可以得到充分利用，減輕系統(tǒng)重量縮小空間尺寸，將電子機箱重量控制在2 kg以內(nèi)；同時，機箱在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中還應(yīng)充分考慮系統(tǒng)電磁屏蔽要求和強度要求。電子機箱結(jié)構(gòu)方案如圖6所示。

天線組合由接收天線、發(fā)射天線、低噪放、電纜等幾部分組成。為了貫徹模塊化、通用化要求，設(shè)計了一塊結(jié)構(gòu)安裝板，將各部分集成為一個天線組合，形成通用天線模塊，可以根據(jù)不同的任務(wù)需求采用不同的安裝方式，以減少安裝調(diào)試過程中的工作量。天線組合結(jié)構(gòu)方案如圖7所示。

單面天線被設(shè)計為90°的波束寬度，根據(jù)導(dǎo)彈不同的攻擊方式，可以用4面天線組合通過電子開關(guān)進行高速切換，保證對彈目交匯區(qū)域的全向覆蓋。由于每面天線的波束指向不同的方向，因此該脫靶量測量系統(tǒng)不但能測量標(biāo)量脫靶量，還能測大致的脫靶方向。

2 試驗驗證

2015年，該系統(tǒng)在東海某海域進行實彈檢靶試驗。此次試驗裝載于靶船上，用于測量某型反艦導(dǎo)彈的標(biāo)量脫靶量。為了適應(yīng)海上使用環(huán)境，在脫靶量測量系統(tǒng)下面增加了伺服穩(wěn)定平臺，以保證雷達波束始終照射海平面。同時將測量系統(tǒng)與穩(wěn)定平臺密封在天線罩內(nèi)，防止海上鹽霧的侵蝕。然后用支架裝于靶船甲板上，安裝圖如圖8所示。

脫靶量測量系統(tǒng)裝于船尾，4面天線的波束覆蓋示意圖如圖9所示。天線1監(jiān)視靶船左舷方向，天線2監(jiān)視靶船船頭方向，天線3監(jiān)視靶船右弦方向，天線4監(jiān)視船尾以外方向。

脫靶量測量系統(tǒng)測到導(dǎo)彈的原始點跡和通過最小二乘法擬合后的導(dǎo)彈脫靶量如圖10所示，圖中虛線內(nèi)原始點跡為導(dǎo)彈擊中靶船后爆炸產(chǎn)生的碎片。剔除碎片后，標(biāo)量脫靶量最小二乘解為 19.6 m，速度最小二乘解為1 136 m/s。

脫靶量位于天線2監(jiān)視的區(qū)域，表示偏靶方向為船首方向。而靶船長度約為50 m，根據(jù)測量的脫靶量(相對于脫靶量測量系統(tǒng))和偏靶方向，導(dǎo)彈應(yīng)擊中靶船中部位置。靶船回岸以后，對靶船進行檢靶，脫靶量測量系統(tǒng)與導(dǎo)彈命中位置如圖11所示。導(dǎo)彈擊中靶船中部位置，而且用皮尺測量脫靶量測量系統(tǒng)與命中位置的實際距離為20 m，測量值與真實值相符，且測量誤差≤1 m。實際偏靶方向(相對于脫靶量測量系統(tǒng))與系統(tǒng)檢測偏靶方向相同。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后可直接轉(zhuǎn)換為導(dǎo)彈相對于靶船中心的脫靶量。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)切實可行，可用于導(dǎo)彈脫靶量測量。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于LFMCW雷達體制的標(biāo)量脫靶量測量系統(tǒng)，利用回波信號與本振信號之間的差頻對目標(biāo)進行測距，再通過最小二乘算法求解目標(biāo)與雷達之間的最小距離，即脫靶量。系統(tǒng)具有成本低、體積小、重量輕、峰值功率低和測量精度高等特點，另外采用一體化、模塊化設(shè)計，根據(jù)不同任務(wù)，可安裝于靶彈、無人機和靶船等多種靶標(biāo)平臺。該系統(tǒng)裝載于靶船上對某型反艦導(dǎo)彈的脫靶量進行了實彈檢驗，檢驗結(jié)果表明，系統(tǒng)方案切實可行，脫靶量測量精度≤1 m，可用于導(dǎo)彈標(biāo)量脫靶量測量。