超宽带冲激引信仿真测试关键技术研究

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目前,超宽带冲激引信已在军事上得到广泛应用,引信的批量生产和列装使用对准确、可靠、高效的测试手段提出了要求。传统体制无线电引信通常使用目标回波模拟器技术进行仿真测试,由于超宽带冲激引信与传统引信在信号体制、工作机制和原理等方面的本质区别,针对传统引信的仿真测试技术已不再适用于超宽带引信,因此需要研究适用于超宽带冲激引信的仿真测试方法与技术。首先,研究和分析超宽带冲激引信仿真测试关键技术。根据超宽带冲激引信系统的工作原理和超宽带冲激信号的特点,深入研究了超宽带冲激信号目标检测理论,据此分析了回波信号延迟时间抖动对目标检测的影响;通过对超宽带冲激信号相关积累本质的研究,得出了引信相关积累输出波形是目标回波信号在时间和幅度上比例放大的重要结论;根据上述结论确定了目标回波信号计算、超宽带回波信号产生电路和发射时间精确控制三项关键技术。然后,针对不同电尺寸对象的超宽带回波信号计算,研究了时域有限差分算法(Finite Difference Time-Domain, FDTD)、多区域时域伪谱算法(Multidomain Pseudospectral Time Domain,MPSTD),以及两种算法的混合化。针对中等电尺寸和电小尺寸对象的超宽带回波信号计算,研究时域有限差分算法和无条件稳定的ADI-FDTD(Alternating Direction Implicit FDTD)算法;研究适用于色散介质地面回波计算的FDTD算法,并使用此算法对色散介质地面的超宽带回波特性进行了研究;提出了一种低误差ER-ADI-FDTD算法,该算法通过对ADI-FDTD方法中截断误差项的补偿,提高了计算精度,适用于对精度要求较高的色散介质对象超宽带回波特性的计算;为提高大规模电磁场计算问题的求解效率,研究了并行FDTD算法,并提出了一种高效的并行ADI-FDTD算法,通过计算表明该算法比现有并行ADI-FDTD算法具有更高的并行效率。针对电大尺寸物体的超宽带回波信号计算,研究了MPSTD算法,推导了色散介质中的MPSTD算法,将其应用于超宽带信号的地面回波计算;针对同时包含电小尺寸对象和电大尺寸对象的混合尺寸电磁场求解问题,将ADI-FDTD算法与无条件稳定的MPSTD算法结合,提出了一种无条件稳定的FDTD-MPSTD混合算法,该算法的时间步长仅由精度决定,不受数值稳定性条件的限制,提高了计算效率,将此算法应用于超宽带天线/地面回波混合仿真,为超宽带回波信号产生电路的设计提供依据。之后,针对超宽带冲激引信仿真测试对回波信号高精度、高带宽的要求,研究了超宽带回波信号产生电路和发射时间精确控制电路。针对简单目标的回波特点,利用超宽带天线的微分特性,设计了一种基于阶跃恢复二极管(Step Recovery Diode, SRD)和超宽带带通滤波器(Band-Pass Filter, BPF)的超宽带回波信号产生电路,以满足简单测试的需要,测试结果验证了电路的正确性和有效性。然后,以通用回波信号产生电路为目标,设计了一种基于CMOS工艺的数字可控超宽带回波信号产生电路,通过精确控制积分电路的积分电流和时间,实现输出信号波形的精确控制,通过电路仿真验证了方案的正确性。最后,针对超宽带回波信号发射时间精确控制的要求,设计了一种基于可编程延时芯片的大范围、高精度信号发射时间控制电路,测试结果表明,整体电路的延时误差在10ps以下,可以满足超宽带冲激引信测试的要求。最后,研究超宽带冲激引信仿真测试系统的设计、实现和验证。对超宽带冲激引信仿真测试系统的软件和硬件设计与实现进行了详细分析;使用FDTD算法对系统暗箱的屏蔽性能进行了分析和仿真,证明了暗箱设计和吸波材料选用的合理性;使用靶场测试数据对仿真测试系统的测试结果进行误差测定和分析,结果表明,仿真测试系统对引信的测试结果与靶场测试结果基本一致,因此是一种准确、可靠的超宽带冲激引信测试手段。
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