[发明专利]对地无线电引信全弹道仿真系统

权利要求书

1.一种对地无线电引信全弹道仿真系统，其特征在于，包括：

全弹道数字模型构建模块，用以根据炮弹的初始速度和初始发射角，通过求解炮弹的运动方程得到任意时刻的位置和速度；

自差式引信天线模块，用以根据炮弹在不同位置对应的天线俯仰角，调用预存的天线方向性函数数据库得到该俯仰角对应的天线方向性函数；具体为：

引信先通过天线向外辐射信号，最终又通过接收天线接收被目标反射回来的信号；自差式收发机引信信号的发射和接收共用一个射频电路和一副天线；

读取预存的天线方向性函数数据库，角度为该天线的方向，系数为该方向上的天线方向性函数；

在matlab中画出极坐标系下的方向和方向性函数的关系图，由此可得到天线的方向性系数图；再转化为直角坐标系，X轴对应角度，Y轴对应方向性系数，每一个角度对应一个方向性系数的值；将上述得到的二维方向性系数图绕X轴旋转一周得到天线方向图；这个天线方向图近似认为天线方向性系数在空间的立体分布，并且随着弹体的运动做俯仰和旋转运动；此天线方向图是由一系列的1×3维点向量组成，所有对天线方向图的处理就可以转化成对1×3维坐标向量的处理；所有天线方向图1×3维矩阵的集合记为矩阵Q，设点P(x,y,z)属于Q，对P点进行操作后得到点G(x₁,y₁,z₁)，若弹体的旋转角为ξ，俯仰角为γ，则

点P首先绕X轴旋转一个γ角度，然后绕着Y轴旋转ξ，把Q集合所有点按此操作即等效于把天线进行旋转；

炮弹在飞行过程中每个时刻的俯仰角是可知的，即纵坐标数值y与横坐标数值x的比值；设置弹道飞行过程中一个步长对应旋转一度，随着步长的累加，旋转角度也将逐步累加；那么对天线进行旋转，进一步可以计算出引信探测地面时所对应的方向性系数；

信号发生源和目标连线所在直线记为L，天线方向性系数的计算转化为求Q集合内的一点到直线L最短距离，认为信号由天线的此点发射出去，继而求得方向性系数；若电磁波从天线中心坐标(x₁,y₁,z₁)发射，目标的坐标为(x₀,y₀,z₀)，则这两个点所在直线L的方程为：

其中m＝x₀-x₁，n＝y₀-y₁，p＝z₀-z₁；电磁波由弹体坐标系中坐标(0,0,0)发射，目标为地面，则目标坐标近似认为(0,0,-h)，代入上式可以得到直线L方程；设集合Q中点P(a,b,c)，经过旋转得到点G(a₁，b₁，c₁)，该点到直线L的距离为：

分别依次计算集合Q中所有的点，得到最短距离的点，记为E(a₂,b₂,c₂)，电磁波发射过程中从引信天线的E发射出去，最后经倒推将三维的点转化为二维的点，并且和预存的天线方向性函数数据库对照可以求得天线方向性系数；

目标多普勒信号仿真模块，用以根据炮弹落速、落角以及炮弹与目标的距离产生目标的多普勒信号，通过当前时刻的天线方向性函数对多普勒信号的幅值进行校正；具体为：

在无干扰信号作用情况下，设定引信在经过最高点后距离地面60米时开始工作，发射电磁波；根据弹道方程的精确求解，可知任意时刻炮弹的速度与位置信息；当位置信息确定时，可得到对应位置的速度参量；多普勒信号的频率是和炮弹的速度一一对应的；

连续波多普勒信号为：

式中：k为混频系数，U_dM为多普勒信号幅值，ω_d为多普勒信号角频率，f_d为多普勒信号频率，v为炮弹速度，λ为引信的工作波长；U_LM为发射信号的幅值，U_Rm为回波信号的幅值，U_Rm和目标的反射能力、方位以及目标与探测器的距离R有关:

N是地面反射系数，λ是引信的工作波长，P_t是引信的辐射功率，D_t是引信发射天线方向性系数，D_r是引信接收天线方向性函数，R_∑是引信天线辐射电阻，H是引信对地面的垂直距离，引信发射天线方向性函数，是引信接收天线方向性函数，是天线的方向角度；

引信发射天线和接收天线方向性函数均是炮弹飞行过程中求解得到的实时天线方向性函数，而不是默认的1；通过实时天线方向性函数校正实时的回波信号的幅值，进而得到实时的多普勒信号幅值；

干扰源仿真模块，用以根据干扰机的位置与设置的干扰信号波形参数产生相应的干扰信号；

信号处理仿真模块，用以对接收到的目标多普勒信号和干扰信号进行傅里叶变换得到信号频率，与设定的频率门限比较，若信号频率在频率门限内，输出第一启动信号，否则无输出信号；对接收到的目标多普勒信号和干扰信号进行取包络得到信号幅值，与设定的幅值门限比较，若信号幅值大于等于设定的幅值门限，输出第二启动信号，否则无输出信号；对信号幅值求导得到幅值变化率，与设定的幅值变化率门限比较，若幅值变化率在幅值变化率门限内，输出第三启动信号，否则无输出信号；若同时满足上述三个启动信号，输出起爆信号，否则无信号输出；具体为：

对引信接收机接收到的信号先经过带通滤波器处理，得到经过带通滤波器处理后的多普勒信号，再将此信号进行三个支路的分析与判决；连续波多普勒信号需要同时满足下面左侧三个条件才能使系统最终启动；

式中：v_d为炮弹落速，v_min为引信炮弹落速下限，v_max为引信炮弹落速上限，u_d为多普勒信号幅值，U₀为引信多普勒信号幅值下限，d_min为引信多普勒信号幅值变化率下限，d_max为引信多普勒信号幅值变化率上限，f_d为多普勒信号频率，f₀引信发射信号频率，τ是目标回波信号相对发射信号的延迟时间，R为弹目之间的距离，c为光速，λ为引信的工作波长，k为混频系数，U_LM为发射信号的幅值，U_Rm为回波信号的幅值，H是引信对地面的垂直距离，N是地面系数，v_ZF为引信多普勒信号幅值变化率；

频率采用FFT方法分析，幅值采用经验模态分解算法分析，增幅速率直接是将幅值进行求导；经验模态分解算法计算步骤如下：

1)找出原数据序列X(t)的所有极大值点和极小值点，将其用三次样条函数分别拟合为原序列的上和下包络线；上下包络线的均值为m1；将原数据序列减去m1可得到一个减去低频的新序列h1，即h1＝X(t)－m1；

h1不一定是平稳数据序列，因此需对它重复上述过程；如h1的包络均值为m11，则去除该包络平均所代表的低频成分后的数据序列为h11，即h11＝h1－m11；

重复上述过程，得到第一个本征模函数分量c1，它表示信号数据序列最高频率的成分；

2)用X(t)减去c1，得到一个去掉高频成分的新数据序列r1；对r1再进行上述分解，得到第二个本征模函数分量c2；如此重复直到最后一个数据序列rn不可被分解，此时，rn代表数据序列X(t)的趋势或均值；算法中的极值点是指一阶导数为零的点；

GUI平台实现模块，用以输入初始数据并显示仿真结果。

2.根据权利要求1所述的对地无线电引信全弹道仿真系统，其特征在于，GUI平台实现模块包括用以输入初始数据的主界面、无干扰源情况下信号处理分析情况显示界面、干扰源参数设置界面、有干扰源情况下信号处理分析情况显示界面、极坐标系下引信赤道面天线方向图显示界面以及炮弹飞行轨迹示意图显示界面。