硬目標(biāo)侵徹引信計(jì)層技術(shù)現(xiàn)狀與展望

于潤(rùn)祥，石庚辰

（機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京分部，北京 100081）

0 引言

自海灣戰(zhàn)爭(zhēng)以來(lái)，無(wú)論武器的威力還是打擊精度都在迅速提高，因此不同形式的防護(hù)目標(biāo)相繼出現(xiàn)，例如指揮控制中心、彈藥庫(kù)、機(jī)庫(kù)、航母等。為了對(duì)這些防護(hù)能力強(qiáng)的高價(jià)值目標(biāo)進(jìn)行有效攻擊，出現(xiàn)了硬目標(biāo)侵徹武器。在硬目標(biāo)侵徹武器的發(fā)展中，硬目標(biāo)侵徹引信技術(shù)的地位至關(guān)重要，將其配備于航空炸彈、鉆地導(dǎo)彈、反航母戰(zhàn)斗部等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的最大毀傷效果。硬目標(biāo)侵徹引信一般具有定時(shí)、計(jì)行程、計(jì)層數(shù)／空缺、介質(zhì)識(shí)別等功能［1－2］。具有在高過(guò)載條件下能夠自適應(yīng)起爆的功能，主要通過(guò)高g值加速度傳感器或者加速度閾值開關(guān)來(lái)敏感彈丸的侵徹狀態(tài)，對(duì)獲取的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的處理，提取彈丸與侵徹介質(zhì)的相對(duì)狀態(tài)，最后利用控制器來(lái)實(shí)時(shí)地判斷是否起爆彈藥。

多層硬目標(biāo)侵徹引信由于作用方式多樣化，靈巧化，能夠自適應(yīng)的感知目標(biāo)信息，所以與常規(guī)的機(jī)電引信相比，涉及的技術(shù)要相對(duì)復(fù)雜。目前歐美軍事強(qiáng)國(guó)已經(jīng)發(fā)展了多個(gè)系列的侵徹硬目標(biāo)引信并將其裝備到部隊(duì)，且在實(shí)戰(zhàn)中發(fā)揮了巨大的威力。國(guó)內(nèi)根據(jù)實(shí)際的戰(zhàn)場(chǎng)需要，也發(fā)展了相關(guān)的侵徹彈藥，但是與歐美等國(guó)相比還是存在一定的差距［3］。

為了促進(jìn)我國(guó)侵徹引信的發(fā)展，對(duì)硬目標(biāo)侵徹領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)行了梳理；歸納與分析目前硬目標(biāo)侵徹引信所涉及的技術(shù)難點(diǎn)，在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，通過(guò)尋找新的技術(shù)途徑，才可能解決所涉及的難題。

1 多層硬目標(biāo)侵徹引信研究現(xiàn)狀

我國(guó)在多層侵徹硬目標(biāo)引信領(lǐng)域起步較晚，但是發(fā)展的很快，已有相關(guān)的引信配備于戰(zhàn)斗部?？捎糜诜礄C(jī)場(chǎng)跑道侵徹彈、鉆地彈、反艦戰(zhàn)斗部等［4］。主要起爆方式還是以定時(shí)起爆為主，因此毀傷效能有限。目前相關(guān)單位圍繞著侵徹機(jī)理、高g值傳感器、信號(hào)處理等做了系統(tǒng)的研究，取得了一系列的成果。

歐美國(guó)家一直引領(lǐng)著侵徹智能引信的發(fā)展，每年的美國(guó)引信年會(huì)都會(huì)涉及侵徹引信方面的最新研究報(bào)道［5－8］。目前比較典型的多層硬目標(biāo)侵徹引信包括硬目標(biāo)靈巧引信（HTSF）、硬目標(biāo)空缺感知引信（HTVSF）、可編程智能多用途引信（PIMPF）。

其中HTSF硬目標(biāo)智能引信在ATK公司經(jīng)過(guò)幾年的改進(jìn)后仍未解決其存在的技術(shù)問(wèn)題，主要是定深問(wèn)題。美軍啟動(dòng)了HTSF的后續(xù)研究，這就是被稱為HTVSF的硬目標(biāo)空缺感知引信，HTVSF提出的技術(shù)指標(biāo)主要包括：（1）侵徹硬度不低于具有10 000（lb／in2）抗力的混凝土目標(biāo)時(shí)仍能正常工作；（2）空缺敏感；（3）可座艙裝定；（4）引信具有良好的可生產(chǎn)性與高可靠性。

表1 HTSF、HTVSF、PIMPF三種引信系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Contrast study on main technical of HTSF、HTVSF、PIMPF

由表1可見HTVSF是HTSF的縮水版，其作用模式中已經(jīng)沒有了HTSF所要求的計(jì)行程起爆模式。從我國(guó)研究的情況看，鑒于目標(biāo)的復(fù)雜性（鋼筋、石塊的尺度、硬度、分布等）、著角的散布、加速度計(jì)的精度等多方面的影響，計(jì)行程、深度的誤差很難達(dá)到50%以下，沒有實(shí)用價(jià)值。說(shuō)明國(guó)外對(duì)產(chǎn)品性能廣告性的宣傳，不可全信。包括有關(guān)報(bào)道中提到的侵徹60m深度，以其速度、質(zhì)量、阻力計(jì)算，從理論上都講不通。

從某種意義上來(lái)說(shuō)，PIMPF已經(jīng)符合了美國(guó)的HTVSF技術(shù)需求。由于PIMPF已經(jīng)成功裝備了德國(guó)的TAURUS空地導(dǎo)彈，并已經(jīng)被瑞典選為新一代反艦導(dǎo)彈NSM的引信，說(shuō)明該產(chǎn)品的可靠性已經(jīng)得到了肯定。

從上可得出一個(gè)結(jié)論：高準(zhǔn)確度的穿層算法、高可靠性已經(jīng)成為硬目標(biāo)侵徹引信應(yīng)首要滿足的指標(biāo)要求。

2 多層硬目標(biāo)侵徹引信關(guān)鍵技術(shù)

多層硬目標(biāo)侵徹引信是一種在侵徹過(guò)程中，具有自適應(yīng)控制起爆的智能引信，主要涉及傳感與控制領(lǐng)域的技術(shù)，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。目標(biāo)探測(cè)裝置用于探測(cè)彈丸碰目標(biāo)時(shí)目標(biāo)特性的檢測(cè)，得到彈丸侵徹目標(biāo)過(guò)程的減加速度，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理與控制裝置的處理，可得到彈丸的穿層數(shù)量或彈丸在目標(biāo)中的行程，并根據(jù)預(yù)定的起爆條件，控制彈丸在穿過(guò)預(yù)定的層數(shù)后或到達(dá)預(yù)定的侵徹深度后起爆，達(dá)到最大的毀傷效果。

從目前發(fā)表的有關(guān)侵徹引信的研究論文來(lái)看，以對(duì)傳感器與信號(hào)處理的研究居多，而對(duì)計(jì)層算法的研究相對(duì)較少。

圖1 硬目標(biāo)侵徹引信系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System composition block diagram of hard target penetrating fuze

2.1 信號(hào)獲取與處理方式

要想對(duì)彈丸穿層進(jìn)行正確的計(jì)數(shù)，首先要獲取正確的穿層信號(hào)。當(dāng)前主要使用高g值加速度傳感器和加速度閾值開關(guān)來(lái)獲取最原始的彈丸穿層時(shí)的加速度信號(hào)［9－10］。得益于 MEMS技術(shù)的快速發(fā)展，由于多層侵徹過(guò)程中，減加速度幅值一般低于10萬(wàn)g，因此基于MEMS技術(shù)的高g值傳感器基本可以滿足多層侵徹用對(duì)加速度傳感器的需求。加速度開關(guān)也可以用于多層侵徹過(guò)程中對(duì)空缺和穿層的技術(shù)，但是由于高頻振動(dòng)，容易引起誤操作，一般和加速度傳感器結(jié)合起來(lái)使用。

多層侵徹硬目標(biāo)信號(hào)是一種典型的非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)。對(duì)其貢獻(xiàn)最大的兩種組成信號(hào)是彈丸碰目標(biāo)時(shí)的過(guò)載信號(hào)和彈丸結(jié)構(gòu)振動(dòng)造成的擾動(dòng)信號(hào)。其中彈丸的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)是干擾信號(hào)，如何去除干擾信號(hào)是準(zhǔn)確計(jì)層的基礎(chǔ)，因此針對(duì)不同的情況，需要研究合適的去噪方法。

對(duì)于通過(guò)加速度傳感器獲取的穿層信號(hào)，一般進(jìn)行濾波，將高頻響應(yīng)信號(hào)濾除，獲取剛體過(guò)載信號(hào)，一般有機(jī)械濾波和電氣濾波兩種濾波方式。其中機(jī)械濾波是從緩沖和對(duì)應(yīng)力波進(jìn)行衰減的角度進(jìn)行濾波。一般使用緩沖材料進(jìn)行機(jī)械濾波，將引信與彈丸通過(guò)緩沖材料隔離開，其主要的機(jī)理是利用應(yīng)力波在不同界面處會(huì)發(fā)生透射與反射衰減，從而將高頻響應(yīng)信號(hào)濾除。圖2是文獻(xiàn)［11］使用橡膠墊進(jìn)行機(jī)械濾波前后的沖擊信號(hào)對(duì)比圖，從圖中可以看出，濾波后的信號(hào)比較平緩，可以濾除高頻信號(hào)。機(jī)械濾波受緩沖材料的特性影響，不同的材料對(duì)濾波的截止頻率的影響不同，需要在多次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上合理的選取截止頻率。

圖2 沖擊加速度信號(hào)機(jī)械濾波圖Fig.2 Mechanical filter diagram of impact acceleration

電氣濾波同樣面臨如何選取合理截止頻率的問(wèn)題。文獻(xiàn)［12］對(duì)獲取的侵徹加速度信號(hào)進(jìn)行了電氣濾波。首先對(duì)彈丸進(jìn)行模態(tài)分析，并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析，選取合適的截止頻率進(jìn)行濾波，從而獲取相應(yīng)的剛體過(guò)載。由于利用LSDYNA進(jìn)行模擬仿真時(shí)，彈丸視為剛體，無(wú)法得到彈丸在侵徹過(guò)程中的真實(shí)約束條件，因此根據(jù)模擬的各階頻率選取截止頻率與實(shí)際是存在差別的。

文獻(xiàn)［13］針對(duì)濾波截止頻率難以準(zhǔn)確地確定，提出使用相關(guān)濾波法對(duì)侵徹加速度信號(hào)進(jìn)行去噪，并指出使用半正弦信號(hào)作為與侵徹加速度進(jìn)行相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，利用FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)侵徹兩層混凝土信號(hào)進(jìn)行相關(guān)，有效地抑制了噪聲信號(hào)。該方法未在實(shí)際中應(yīng)用，有效性尚未得到驗(yàn)證。

文獻(xiàn)［14］將仿真過(guò)載信號(hào)利用小波變換逐層分解，得到了信號(hào)中各頻率成分的時(shí)頻分布圖，提取了彈丸的剛體加速度信息。文獻(xiàn)［15］利用小波分析將硬目標(biāo)侵徹加速度信號(hào)進(jìn)行分解，獲取特征信號(hào)。由于小波變換是一種線性變換，只能根據(jù)信號(hào)的特征選擇小波基，一旦確定下來(lái)小波基，在整個(gè)分解過(guò)程不能更換小波基，因此對(duì)不同的侵徹加速度信號(hào)，誤差可能較大。

隨著信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展，可以使用現(xiàn)代信號(hào)處理方法對(duì)多層侵徹信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，從而獲取侵徹信號(hào)的特征。文獻(xiàn)［16］系統(tǒng)的對(duì)侵徹加速度信號(hào)進(jìn)行了研究。在Hilbert－Huang變換理論的基礎(chǔ)上，利用總體經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法（EEMD）對(duì)侵徹加速度信號(hào)進(jìn)行分解，得到一系列的固有模態(tài)函數(shù)（IMF）。每階的IMF分量體現(xiàn)了侵徹加速度信號(hào)高頻和低頻信號(hào)的組成成分，與彈體在錘擊實(shí)驗(yàn)條件下得到的振動(dòng)規(guī)律基本吻合，證明EEMD算法能夠有效地提取侵徹加速度信號(hào)的穿層特征。針對(duì)EEMD算法硬件實(shí)現(xiàn)困難，提出匹配相關(guān)算法，其本質(zhì)上是一種互相關(guān)算法。通過(guò)對(duì)多層侵徹加速度信號(hào)進(jìn)行兩次互相關(guān)運(yùn)算，獲取了準(zhǔn)確的侵徹特征，原理如圖3所示。由于要進(jìn)行多次FFT變換，不適用于實(shí)時(shí)性要求高的侵徹場(chǎng)合。

圖3 侵徹加速度信號(hào)相關(guān)匹配原理Fig.3 Autocorrelation matching principle of penetration acceleration

2.2 計(jì)層技術(shù)

對(duì)于侵徹多層硬目標(biāo)時(shí)的層數(shù)識(shí)別問(wèn)題，包括兩方面的問(wèn)題，即軟件算法和硬件實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。文獻(xiàn)［17］提出了一種過(guò)載閾值識(shí)別法計(jì)層原理，其本質(zhì)與文獻(xiàn)［18］論述的基于幅值的計(jì)層原理是相同的。其思路為：對(duì)侵徹加速度信號(hào)濾波，得到如圖4（a）所示的過(guò)載信號(hào)；該過(guò)載信號(hào)只含有濾波后侵徹加速度成分（考慮到濾波后侵徹振動(dòng)加速度的能量相對(duì)較小，將其視為零），其中，每一個(gè)濾波后侵徹加速度信號(hào)均代表侵徹一層靶板。通過(guò)電壓比較器將該過(guò)載信號(hào)轉(zhuǎn)化為圖4（b）所示的脈沖信號(hào)，比較器的比較電壓（電壓閾值）對(duì)應(yīng)過(guò)載閾值，每一個(gè)脈沖信號(hào)均代表侵徹一層靶板，為了抗干擾，對(duì)加速度信號(hào)增加延時(shí)比較功能，只有當(dāng)侵徹加速度大于設(shè)定閾值一定時(shí)間后才認(rèn)為是真正侵徹一層目標(biāo)。將脈沖信號(hào)送入微控制器，當(dāng)脈沖數(shù)等于設(shè)定的層數(shù)時(shí)，給出起爆信號(hào)，達(dá)到層數(shù)識(shí)別的目的。

上述中的閾值識(shí)別法只對(duì)侵徹多層信號(hào)特征明顯的信號(hào)有效，文獻(xiàn)［19］針對(duì)侵徹過(guò)載信號(hào)出現(xiàn)粘連的現(xiàn)象，提出了一種基于加速度傳感器和開關(guān)信號(hào)融合的計(jì)層算法。圖5（a）和圖5（b）分別為通過(guò)加速度傳感器和MEMS開關(guān)獲取的多層侵徹信號(hào)。由于應(yīng)力波衰減的比較慢，過(guò)載信號(hào)與高頻響應(yīng)信號(hào)混疊在一起，利用濾波的方法，無(wú)法有效地提取穿層特征。該算法通過(guò)對(duì)加速度傳感器和MEMS開關(guān)信號(hào)分別與不同窗函數(shù)在時(shí)域中的卷積加權(quán)和得到復(fù)合信號(hào)來(lái)判斷彈丸侵徹過(guò)程中的分層特征。

圖4 過(guò)載閾值法識(shí)別原理Fig.4 Principle of overload threshold method

圖5 基于加速度信號(hào)和開關(guān)信號(hào)融合的計(jì)層原理Fig.5 Algorithm based on fusion of acceleration sensor and MEMS impact switch signals

復(fù)合信號(hào)的公式可以表述為；

其中α，β為權(quán)值，g1（t），g2（t）為加速度輸出信號(hào)與MEMS開關(guān)輸出的信號(hào)分別與窗信號(hào)進(jìn)行卷積后得到的特征信號(hào)。圖5（c）為最后得到的復(fù)合信號(hào)，可以看出，融合后的復(fù)合信號(hào)特征明顯，清晰地表述了穿層特征，從而可以使用幅值檢測(cè)法對(duì)層數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。該算法需要大量靶場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)統(tǒng)計(jì)確定權(quán)值，才可得到準(zhǔn)確的復(fù)合信號(hào)。

綜合目前相關(guān)的研究文獻(xiàn)，侵徹信號(hào)的獲取與處理可歸納為：（1）先獲取信號(hào)再處理的原則。通過(guò)壓電或者壓阻式加速度傳感器獲取準(zhǔn)確的加速度信號(hào)，再進(jìn)行一系列的信號(hào)處理，獲取表述侵徹狀態(tài)的信息。（2）先濾波再獲取信號(hào)的原則。先采用機(jī)械濾波的方法，將引起高頻振動(dòng)的應(yīng)力波反射或者隔離一部分，再通過(guò)傳感器獲取相對(duì)光滑的信號(hào)，然后提取響應(yīng)的穿層信息。

3 多層侵徹硬目標(biāo)技術(shù)展望

雖然近幾年多層硬目標(biāo)侵徹技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是還存在一些需要深入研究的問(wèn)題。

3.1 新原理傳感檢測(cè)技術(shù)的研究

彈丸與彈速及侵徹目標(biāo)的特性對(duì)計(jì)層起爆方法影響很大。當(dāng)彈丸較短、彈速較小時(shí)，由于彈丸的振動(dòng)響應(yīng)衰減的比較快，獲取的侵徹信號(hào)特征明顯，如圖6所示。因?yàn)橛?jì)層起爆方式不需要獲取準(zhǔn)確的過(guò)載信號(hào)，所以穿層信號(hào)特征明顯，信號(hào)處理相對(duì)簡(jiǎn)單。但是當(dāng)彈丸較長(zhǎng)，彈速較高時(shí)，彈體結(jié)構(gòu)響應(yīng)衰減慢，造成層與層過(guò)載信號(hào)相互粘連，無(wú)法有效對(duì)穿層進(jìn)行識(shí)別，如圖7所示?？梢栽趶椡枧c加速度傳感器之間添加緩沖墊，進(jìn)行濾波隔離，衰減振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的高頻應(yīng)力波；研究具有機(jī)械濾波作用的新型加速度傳感器，比如在普通加速度傳感器的基礎(chǔ)上，增加隔振元件，使傳感器能夠衰減應(yīng)力波，本質(zhì)上與緩沖墊濾波是一個(gè)道理。

圖6 低速小彈丸侵徹多層硬目標(biāo)時(shí)加速度曲線Fig.6 The penetration acceleration curve for multi－plate hard target of low speed projectile

圖7 高速長(zhǎng)彈丸侵徹多層硬目標(biāo)時(shí)加速度曲線Fig.7 The penetration acceleration curve for multi－plate hard target of long projectile with high speed

在穿層過(guò)程中，對(duì)于侵徹不同的硬目標(biāo)，使用不同檢測(cè)原理的傳感器，獲取的穿層信號(hào)有很大的差異。侵徹多層金屬硬目標(biāo)時(shí)，在保證彈體強(qiáng)度的條件下，可在彈體上安裝電渦流傳感器，利用電渦流效應(yīng)只對(duì)金屬敏感的原理，提取侵徹多層金屬目標(biāo)的信息。

3.2 侵徹多層硬目標(biāo)計(jì)層算法的硬件實(shí)現(xiàn)

目前單片機(jī)在實(shí)現(xiàn)算法上實(shí)時(shí)性差，相關(guān)文獻(xiàn)研究了侵徹信號(hào)提取算法，只仿真了算法的有效性，未見硬件實(shí)現(xiàn)。對(duì)復(fù)雜的侵徹信號(hào)提取算法，控制器需要耗費(fèi)過(guò)多的時(shí)間對(duì)信號(hào)處理以提取層數(shù)，而計(jì)層算法要求實(shí)時(shí)性高，如果耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，即使層數(shù)能夠準(zhǔn)確地提取出來(lái)，彈丸已經(jīng)穿過(guò)預(yù)定層。隨著DSP、FPGA等控制器的發(fā)展，可以考慮用DSP數(shù)字信號(hào)處理器或者FPGA等硬件邏輯器件來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)層算法的可能性及有效性。

3.3 多層硬目標(biāo)侵徹模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研究

目前對(duì)多層硬目標(biāo)侵徹的實(shí)驗(yàn)研究一般采用縮比彈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。但由于彈長(zhǎng)的問(wèn)題，采用縮比的方法很難真實(shí)地反應(yīng)實(shí)際情況，尤其是彈體振動(dòng)的影響，對(duì)于穿層的識(shí)別考核，難以反應(yīng)真實(shí)情況。因此，深入研究簡(jiǎn)單有效的模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)是侵徹硬目標(biāo)引信發(fā)展的重要關(guān)鍵技術(shù)之一。

4 結(jié)論

歸納了國(guó)內(nèi)外侵徹多層硬目標(biāo)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。指出多層硬目標(biāo)侵徹引信涉及的關(guān)鍵技術(shù)有：侵徹信號(hào)獲取與處理方式、計(jì)層算法的研究及其實(shí)現(xiàn)。對(duì)于信號(hào)獲取與處理，可以先通過(guò)機(jī)械濾波，對(duì)高頻振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行衰減，再利用傳感器獲取侵徹信號(hào)；或者對(duì)獲取的信號(hào)進(jìn)行一般的電氣濾波、相關(guān)濾波、小波分析、EEMD等相關(guān)的信號(hào)處理方式。并且指出，對(duì)于低速、長(zhǎng)徑比小的彈丸，穿層獲取的侵徹信號(hào)特征明顯，能夠清晰地分辨出穿層和非穿層（自由飛行）狀態(tài)，可以準(zhǔn)確地對(duì)層數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。對(duì)于高速、長(zhǎng)徑比大的彈丸，信號(hào)混疊嚴(yán)重，現(xiàn)有的信號(hào)處理等技術(shù)難以準(zhǔn)確地計(jì)算層數(shù)。最后，作出要在新原理傳感檢測(cè)技術(shù)、計(jì)層算法的硬件實(shí)現(xiàn)、硬目標(biāo)侵徹模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)等方面進(jìn)入深入研究的展望。

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