反舰导弹导引头的工作模式、仿真流程和系统框架

文摘   2024-12-21 06:35   北京  
本来想着是把模糊函数这一系列写完再学习抗干扰的相关知识,但是有一个点一直卡着。所以换换脑子,正好这几天看了一篇比较基础的讲解导引头的论文,很适合初学者。也算是为后面的抗干扰打个基础吧。本文主要参考论文《反舰导弹导引头系统建模与仿真研究》(王丹)。如有侵权请联系删除。
一、工作模式

首先在指定空域进行目标信息的搜索,如果搜索之后发现该区域存在目标之后就转到跟踪模式,并将测到的目标参数传送给伺服控制模块用于制导飞行命令的生成,用来实现该模块对导弹飞行的控制并逐渐接近目标直至打击目标的全过程。其工作模式如下:搜索阶段、确认阶段、跟踪阶段和小搜阶段;各阶段之间的转换关系如下图所示:

图1 工作模式之间的转换

导引头系统开机之后:

首先在预知的空域搜索并将检测到的目标信息记录下来;然后根据选取规则进行判断,若判定有目标存在,则转入确认阶段,为了防止误判,确认两次之后才转入稳定跟踪阶段,同时建立目标的运动轨迹,并用测量的目标信息控制导引头天线指向和导引头运动方向

如果目标在跟踪阶段丢失,导引头会定位目标丢失的位置,在该位置小角度进行重新搜索,称之为小搜,在小搜过程中导引头发现目标,就继续跟踪目标,若导引头在这个位置始终没有找到目标,就判定为丢失目标,系统恢复初值重新开始搜索模式。

根据反舰导引头的工作方式,导引头雷达成功搜索并追踪到舰船目标后,导引头雷达根据测量到的目标位置预测下一个时刻可能出现的位置并控制天线对准目标,可以得到目标的位置角度信息。

导引头系统开机,然后从外部参数设置XML表中得到系统运行预定参数并对这些参数进行初始化。与此同时设定天线的初始波位和指向,按照扫描步进搜索指定空域,扫描完所有范围之后,判断是否有目标出现,有的话就建立目标航迹并进行稳定跟踪,在后面的跟踪过程中,不断判断导引头与舰船目标之间的径向距离是否达到设定的引爆距离,如果距离已经足够小,则显示引爆,雷达关机。

图2 工作流程图
二、仿真流程
根据上一节说明的雷达从开机到关机的工作流程可以设计出相关的仿真流程。
伺服控制组件控制雷达的天线指向;环境组件根据发射信号产生舰船目标回波、海面杂波、干扰回波以及传输损耗等;接收机组件是将反射回来的回波信号进行滤波放大;信号处理组件的作用是提高信噪比,让信号易于检测;数据处理组件对回波进行滤波处理,得到目标信号的预测值;伺服控制组件将利用预测值来指引天线下一时刻的波束指向。
图3 仿真流程图

导引头雷达系统的控制中心是伺服控制组件,该组件分析导引头当前所处的工作模式,输出指令,控制导引头飞行。伺服控制组件将系统参数(天线指向、目标参数等)送到相应的模块,经过接收机放大及信号处理降噪后,测量模块计算出测量值,将其送到数据处理模块中进行目标航迹关联、滤波和状态转换等。

发射机组件根据输入参数发射相对应的类型信号,天线组件则根据伺服控制输出的天线指向及目标位置信息求出天线增益。接收机模块会在接收到信号中添加接收机噪声,并且对信号进行滤波放大,信号处理组件对输入信号进行信号处理,例如脉冲压缩提高信噪比、动目标显示降低杂波、动目标检测进行相参积累、恒虚警进行门限检测。CFAR检测的结果进入测量模块进行目标信息测量,测量到的目标信息包括目标在导引头坐标系下的距离、角度、速度等,数据处理组件对测量到的目标数据进行滤波,得到预测值,来调整下一时刻导引头的波束指向,输入到伺服控制组件改变导引头的工作状态。

搜索阶段完成对指定空域的搜索,确保导引头的天线扫描完所有的指定空域后能发现目标的点迹,由于环境一般较为复杂,不止存在目标回波还有海杂波、箔条干扰等信号,因此需要采取对应的信号处理技术来保证目标被检测到。但导引头雷达进入稳定跟踪阶段时,若出现目标丢失,则需要更新航迹,进图小搜阶段,在目标丢失的位置进行小范围搜索。

三、系统框图
总体框架如下所示:
图4 雷达总体框架

1)伺服控制组件构成

伺服控制组件主要是对天线的方向发出控制指令来实现系统对目标的搜索跟踪全过程

初始化之后,天线波束指向初始值,并开始在指定空域按照一定步进频率进行大范围搜索,搜索结束后,如果发现目标信息,导引头就始终跟踪目标飞行,如果始终没有发现目标,就对天线波束进行初始化,重新搜索空域。如果在稳定跟踪阶段丢失目标,则进入小搜状态,如果在附近找到目标,导引头就重新跟着目标飞行,否则就清空状态,转为大搜状态,重新搜索空域。

伺服组件工作流程如下:

图5 伺服控制组件工作流程图

2)导引头功能组件构成

雷达功能组件构成:导引头发射电磁波信号在空气中传输,遇到目标之后会产生回波信号,然后通过接收机和信号处理从回波中得到目标的参数信息。雷达功能组件构成如下图所示:

图6 雷达功能组件构成图

回波生成组件:上面的回波生成主要是模拟真实舰船目标回波,回波中携带目标信息,如衰减、swerling起伏、延时、多普勒频移等。如下所示:

图7 回波生成组件构成

接收机组件:接收机组件在回波信号中添加接收机内噪声,并对回波信号进行滤波放大,提高目标可检测性,接收机组件的构成如下图所示:

图8 接收机组件构成

信号处理组件:接收机输出的三通道信号需要进行信号处理操作,之后对和通道信号后进行CFAR处理,和通道的处理结果能得到目标的距离位置信息,剩下两通道信号处理后可以得到目标的角度信息。信号处理组件构成如下所示:

图9 信号处理组件构成

数据处理组件:数据处理主要完成数据预处理、卡尔曼滤波、航迹关联等,对测量到的目标数据进行滤波操作得到预测值,知道下一时刻导引头波束的参数。构成如下所示。

图10 数据处理模块构成
四、总结
本文简单的学习了雷达导引头的工作模式、仿真流程和系统框图。其中工作模式主要包括搜索阶段、确认阶段、跟踪阶段和小搜阶段,并通过一个框图来解释它们之间是如何转换的;对于仿真流程部分简单介绍了整个仿真流程,从伺服开始到后面的搜索跟踪;系统框图中首先给出了整体的系统框图,并介绍了伺服控制组件和导引头功能组件的构成,导引头功能组件中又介绍了回波生成、接收机、信号处理、数据处理等组件。
五、参考内容
《反舰导弹导引头系统建模与仿真研究》(王丹)

【本期结束】————————————————————————————

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