毕业设计论文多普勒雷达的高精度测速弹道系数仿真研究.doc
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1、 沈阳理工大学应用技术学院毕业论文 摘 要 针对连续波多普勒雷达外弹道测速的特点。为了解决频率分辨率与采样频率影响多普勒雷达速度测量精度的问题,提出应用快速傅里叶变换的频谱分析法。该方法基于目标弹道升、降规律对估计频率进行线性调整,能有效提高多普勒雷达的作用距离、测试精度和抗干扰能力,避免由于频率分辨率不够而出现连续相同的速度值。利用信号相邻两次截断后的频谱相位信息能提高频率估计精度。仿真结果和外场试验表明该方法在较低信噪比下,仍可以得到很高的频率估计精度。 利用多普勒雷达的高精度测速信息,对弹道系数进行了仿真研究,分析了雷达的测量精度对弹道系数估计误差的影响。仿真结果表明,引入测速信息能大幅
2、度提高弹道系数的估计精度,在一定的雷达测量精度下,基于弹道系数特性的识别速度快,精度高,简单直观,具有现实价值。关键词:多普勒;阻力系数;快速傅里叶变换 ;雷达测量;精度; Abstract According to the feature of exterior ballistic velocity measurement for continuous wave Doppler radar,in order to solve the problem that the frequency resolution and the sampling frequency may bring negat
3、ive effects Oil the velocity measurement precision,frequency spectrum analysis based on fast Fourier transform is usedA linear adjustment method of frequency estimation is proposed according to the ascending or descending principle of target exterior trajectoryThe method improves the measuring dista
4、nce and precision and the anti-jamming ability of the system and avoids the appearance of continuously same velocity from inadequate frequency resolutionThe frequency estimation precision is improved using the frequency spectrum phase information of adjacent continuous truncation of the signalThe si
5、mulmion and practical result show that high frequency estimationprecision can be obtained even at a low signal noise ratio Using the Doppler radarS high precision velocity information,the ballistic coefficients characteristic of reentry process is emulated and researchedThe effect of radar precision
6、 to the ballistic coefficient estimate is analyzedThe result shows that the precision of ballistic coefficient is highly advanced with the velocity information,and under a certain measurement precision of radar,it is fast,simple and intuitionistic to identify targets by using the ballistic coefficen
7、t characteristicsIt is feasible to recognize the missile by the ballistic coefficient.Key words:Doppler;drag coefficient; fast Fourier transform; measurement of radar;precision 目 录绪 论1第一章 多普勒雷达测速法的试验知识6 1.1 适用范围6 1.2 试验设备、装置及其要求6 1.3 试验条件7 1.4 试验准备7 1.5 试验程序8第二章 多普勒雷达测速系统与操作9 2.1 多普勒雷达的组成9 2.2 系统的配置
8、9 2.3 系统的技术指标10 2.4 多普勒雷达测速的原理11 2.5 多普勒雷达信号处理系统12 2.5.1 传统信号处理方法的比较12 2.5.2 采样技术15 2.5.3 FFT谱分析算法16第三章 利用640型雷达测155mm榴弹阻力系数17 3.1 640型雷达简介17 3.2 速度折算18 3.3 试验数据处理18 3.4 用五点局部平滑推导一阶导数平滑19 3.5 阻力系数的计算21 3.6 阻力系数的检查和符合22 3.7 结论23 第四章 Robust技术在数据处理中的应用28 4.1 DR582 雷达的介绍28 4.2 阻力系数Cx的Robust计算28 4.3 最小二乘
9、法与Robust估计的比较30 第五章 测试精度分析31 5.1 频域测速精度分析315.2 其他因素对精度的影响36总 结 37致 谢38参考文献39附 录 外文文献40 绪 论 1. 测定弹丸空气阻力系数重要性 阻力系数是弹丸外弹道特征的重要参数,它反映了弹丸的外形特征及克服空气阻力能力的优劣。因而关系到弹丸飞行速度衰减的快慢、射程的远近、飞行时间的长短以及到达目标时存速的大小等,所以历来被设计人员所重视。各种枪炮在进行弹丸设计时,都首先要考虑和确定弹丸阻力系数,再据此进行弹道计算,使其满足战术要求。现在多利用雷达多点测速数据,处理出弹丸速度一时间曲线,然后采用多项式拟合方法逐段拟合得到阻
10、力系数马赫数曲线,从而得到弹道系数。然后再对弹丸外形进行反复修改,直到满足设计要求为止。由此可见,精确测定阻力系数是弹丸设计的最重要的实验项目之一。由于空气密度决定于环境,弹丸质量及直径主要决定于威力,速度则由射程决定,都是无法改变的,所以,减小阻力加速度主要通过减小阻力系数。目前减小阻力系数的途径主要有:一是改进弹丸头部形状,减小头部阻力;二是改进弹尾形状,后采用底部排气装置,以减小底部阻力。有了阻力系数,就可以求出阻力加速度,并进而由弹丸的质心运动方程计算出全部弹道参量。弹形系数i是弹丸的阻力系数与标准弹丸阻力系数在相同马赫数下的比值,即i= Cx/Cxon ,它反映了弹丸气动力外形的优劣
11、。弹道系数是一个反映弹丸保存速度能力的综合参数,它不仅与弹形系数有关,也与弹丸断面比重及飞行状态有关。弹形系数小,弹道系数减小,阻力加速度减小,存速能力提高,射程提高。它计算公式可表示为 Cb =id2103/m ,它与阻力加速度ax成正比,即: ax= c(y)F( v),为了保证弹道诸元计算准确性,今后我们可以采取如下办法:(1)将已经采用的或预见到将来可能采用的各种弹形,分成若干组相似弹形组。在每个相似弹形组中各选取一个弹的Cx-Ma曲线,作为该相似弹形组的阻力定律。(2)根据每一相似弹形组的阻力定律可能应用的兵器(如反坦克炮、高射炮或地面炮等)及初速和弹道系数的可能范围,编出相应的弹道
12、表,以供应用。(3)我国炮兵目前常用的阻力定律只有两个(西亚切阻力定律和43年阻力定律)宜于根据需要适当地增加几个其他相似弹形组的阻力定律。 (4)对各相似弹形组的标谁弹的所有气动系数,需作详细的研究测量并编成诸气动系数表册,供弹丸设计、研究、试验、分析之用。2 阻力系数测量技术的发展 由于阻力系数是随马赫数及攻角变化的,在现代多普勒测速雷达等仪器设备出现以前,主要依靠风洞法测量,要精确测得一种弹形的阻力系数曲线很不容易,不仅费时,费力。即使测得阻力系数,在计算机技术尚未发展并广泛应用的情况下,进行弹道计算也很复杂。现代测速技术及计算机技术的出现,使直接测量任一弹丸的阻力曲线并直接由阻力系数迅
13、速计算出弹道参数成为现实,使测定弹丸阻力曲线试验成为靶场重要试验项目。 如今弹丸类型繁多,形状千差万别。为了适应兵器发展的要求与测量精度,测速技术也相应出现了新的发展特点,如测速雷达的发展,主要是系列化、小型化以及采用高新技术。系列化测速雷达如DR582雷达和WEIBEL雷达,小型化雷达如WEIBELI初速系统,其射频部分重2kg,数据部分重2.8kg,采用的高新技术如FFT信号处理技术、平板型微带相阵天线等.对于火炮测速雷达的应用和发展,我们要做到:(1) 及时了解饱兵和兵器发展的动向与要求,开展预先研究工作,不失时机地推出新型测速雷达;(2) 把雷达新技术,如微带相阵天线、信号处理技术尽快
14、应用到测速雷达中;(3) 开展测速雷达的应用研究工作,拓宽其应用范围。3. 弹丸阻力系数测量的方法 根据需要和所使用仪器和原理的不同,测量阻力系数的方法也有多种,但大致可分为风洞法与射击法两大类。现举其常用的几种简单介绍如下。(一) 风洞法在风洞中利用所谓天平测量摸型的迎面阻力的方法,是空气动力试验中常用的方法。在亚音速时,阻力系数不仅为M数和攻角的函数,也是雷诺数Rc的函数。在弹道计算中,由于雷诺数影响较小,故通常不予考虑。由不同M数与攻角的组合,可测出如图1所示的 Cx(M , )曲线族。它的测量准确性与风洞试验段(喷管)气流的均匀性有关,与天平的测莹精度有关,也与支撑方法及其影响消除的准
15、确性有关。风洞测量Cx的最大误差约为土2%左右。 图1(二) 射击法 应用身管武器发射弹丸,然后利川适当仪器测量弹丸在飞行过程中的某些运动参数来确定Cx 由于利用原理、仪器和测试方法等的不同,常用的有下示诸法。 1.动能法: 这是测量空气阻力的一个经典的方法。利用测时仪(或测速仪)测出弹丸飞经水平路程上相隔x的两点(x1和x2)的速度,v1与v2,再根据动能原理,即动能的减少等于克服空气阻力所做的功(图2) 图2 得到阻力系数: (1)式中 平均速度 音速 空气密度 重力加速度 R空气阻力不管用什么样的测时(或测速)仪器,测出了相距x的水平两点处的速度,v1和v2,即可由式(1)求出该弹在M
16、= v/C0时的阻力系数值。其测量精度主要由测速的精度及差值v1v2的大小来确定。目前测速精度约为0.1%-0.01%,如v1000米/秒, v =10-20米/秒,则Cx的最大误差约为20-1%。适当选择速差范围和测试仪器精度,对提高测定Cx的精度有重要意义。2.斜率法: 由微分方程 (2)当用适当仪器测得任一弹道上若干连续的、等时间间隔点的速度v1,v2vivn后,可利用公式 (3) 图3求得v-t曲线上1,2,3等三个连续等间隔点的中间点2的斜率,即加速度dv/dt,为弹道倾角,这样即可逐点求出与马赫数相对应的一系列阻力系数。此法适用于用雷达测速仪连续测出弹道上多点等时间间隔点的速度。由
17、此可以测出Ma-Cx曲线。可以大致推断其的大小和衰减情况。其测量精度也决定于测速的准确性和相隔点速差的大小。一般雷达测速仪的测速精度较高(可达0.1米/秒左右),只要时间间隔(即相应的速差)选择适当,就可以保证对Cx的测试精度。 用上述方法测量Cx的最大误差约为0.5除了上述两种方法外还有符合法,其包括立靶射符合法,地区射符合法,升弧座标点符合法等,这里就不详细介绍了。4. 课题的性质与设计要求本课题属于试验研究性课题,设计多普勒雷达的测试方案。设计要求以国军标和部标为依据,按设计鉴定试验要求设计(编写)试验的实施细则:主要内容有试验要求和试验条件;具体的试验实施方法:数据采集和处理,重点说明
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