某封鎖子彈對車輛目標(biāo)的探測識別及起爆時機確定*

(1.陸軍軍官學(xué)院彈藥工程教研室 合肥 230031)(2.陸軍軍官學(xué)院研究生管理大隊 合肥 230031)

某封鎖子彈對車輛目標(biāo)的探測識別及起爆時機確定*

殷希梅1張運兵2

(1.陸軍軍官學(xué)院彈藥工程教研室 合肥 230031)(2.陸軍軍官學(xué)院研究生管理大隊 合肥 230031)

論文為某封鎖彈武器系統(tǒng)針對戰(zhàn)場車輛目標(biāo)設(shè)計一種探測與識別方案,對應(yīng)其自身及運動特性采用地震動信號探測與磁信號探測結(jié)合的探測與識別模式,篩選確定相應(yīng)的微處理器及傳感器,設(shè)計了硬件電路及相應(yīng)軟件流程,最后通過試驗予以驗證。試驗證明:論文所采取的探測識別手段可有效分類識別戰(zhàn)場車輛目標(biāo),排除震動類干擾信號,在攻擊范圍內(nèi)起爆殺傷目標(biāo),抗干擾能力強,算法簡單,易于硬件實現(xiàn)。

封鎖彈; 車輛目標(biāo); 地震動探測; 磁探測

ClassNumberTJ413

1 引言

某封鎖彈武器系統(tǒng)是一種集信息獲取、傳輸、接收并顯示和攻擊為一體的、前方探測后方處理顯示的新型武器系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于封鎖敵方情況不明確的區(qū)域、我方偵察手段不便或不能到達的區(qū)域、敵方可能出現(xiàn)并對我造成巨大威脅的區(qū)域、需要長期監(jiān)控的區(qū)域等,如敵方機場跑道、港口、洞庫、交通樞紐等,可直接攻擊進入子彈群內(nèi)的坦克、裝甲車輛及人員等。該系統(tǒng)的使用,可實現(xiàn)部隊對遠距離戰(zhàn)場特定區(qū)域?qū)嵤┤鞎r、全天候的偵察和封鎖。對于提高在戰(zhàn)場環(huán)境下炮兵的對敵偵察能力,擴大戰(zhàn)場信息探測的范圍,改變炮兵傳統(tǒng)作戰(zhàn)模式具有十分重要的意義。

戰(zhàn)場地面目標(biāo)一般分為人員、輪式車輛和履帶車輛三類[1]。實際對輪式車輛和履帶車輛的攻擊方式基本相同,因此,本文研究封鎖子彈對車輛目標(biāo)(輪式、履帶)的探測與識別,針對目標(biāo)的本身特征和運動特征設(shè)計具體的探測和識別方案。

2 探測與識別理論

2.1 基于地震動信號的探測與識別

戰(zhàn)場中車輛在地面上運動,即是對地面施以一定的激勵。而地球介質(zhì)非剛體,這種激勵肯定會引起地面的震動,即地震波。固可通過對目標(biāo)運動引起的地震動信號的研究分析來確定震源目標(biāo)的性質(zhì)[1]。

2.1.1 特征提取

針對人員、車輛的地震動和噪聲特性,本系統(tǒng)主要對時域信號進行特征提取和分析。實際提取的信號有以下特征:

1)周圍無地震激勵時也會有一定幅度的地震動信號存在,這主要是由其他地域地震動信號傳至此處的疊加,風(fēng)和聲波的干擾及電路中產(chǎn)生的信號干擾等組成,通常幅度較小,頻率變化不大。

2)人員運動產(chǎn)生的地震動信號與車輛運動產(chǎn)生的地震動信號有著明顯的區(qū)別。腳步信號頻數(shù)一般不超過6步/秒,且是周期性的脈沖信號根據(jù)這個特征;而輪式車或履帶式車產(chǎn)生的卻是連續(xù)的信號,且主頻一般大于20Hz。

2.1.2 過零數(shù)分析

分別取兩類目標(biāo)信號在一段時間內(nèi)的時域信息,并按一定規(guī)則設(shè)定閾值,計算兩類目標(biāo)信號在一定時間內(nèi)的過零數(shù)。若過零數(shù)差別足夠大,就可以區(qū)分兩類目標(biāo),同時,采集時間越長,數(shù)值差別越大,越容易區(qū)別[2]。

由于信號幅值隨目標(biāo)和傳感器之間的距離的增大而減小,因此過零數(shù)分析采用的閾值不應(yīng)為常數(shù),而應(yīng)隨信號浮動,通常按以下公式獲得實時閾值:

式中,max{xi}k-1、max{xi}k-2為本次觀測的前兩次觀測數(shù)據(jù)的最大值。浮動比例因子P通常在0.4～0.6之間取值[1]。

分別抽取兩類目標(biāo)2s時間段的實測樣本信號,浮動比例因子P取0.4,確定一個閾值Z,分別計算兩類目標(biāo)信號的過零數(shù)。將信號過零數(shù)小于Z的目標(biāo)歸為人員,將信號過零數(shù)大于Z的目標(biāo)歸為車輛。經(jīng)試驗驗證正確識別率超過95%。由此可見,過零分析法能夠有效地對人員和車輛目標(biāo)進行分類。

2.2 基于磁異信號的車輛目標(biāo)探測

提取目標(biāo)的時域信號采用過零分析能夠有效地區(qū)分人車目標(biāo),但實際戰(zhàn)場情況復(fù)雜,存在各種各樣的干擾信號。若僅依靠地震動信號的分類識別和信號強弱確定起爆時機則容易因以下幾種狀況使子彈誤爆:

1)大批量車輛在附近經(jīng)過,信號幅度超過閾值但目標(biāo)未進入有效殺傷范圍;

2)因封鎖區(qū)域某發(fā)子彈起爆造成強烈震動信號,其它子彈探測其幅度超過閾值;

3)有其他種類彈藥在封鎖區(qū)域或附近起爆,強烈地震動信號超過子彈起爆閾值;

4)其他震動類干擾信號。

因此,為避免上述情況造成的誤爆,需要針對目標(biāo)的其他特征另增探測手段綜合確定起爆時機。

戰(zhàn)場中車輛目標(biāo)一般都具有鐵磁特性,處在空間某一位置時會改變所在位置周圍空間的地磁場分布,產(chǎn)生磁場異常,如圖1所示[3]。

圖1 磁異現(xiàn)象示意圖

由著名的磁偶極子公式可知:由磁性目標(biāo)在探測位置產(chǎn)生的磁場強度大小與兩者之間距離的立方成反比,距離越近磁場強度越大。因此,可通過對環(huán)境周圍磁場強度的測量,確定車輛目標(biāo)的存在和位置[4]。通過對地磁環(huán)境的探測抗干擾性好,環(huán)境適應(yīng)能力強[5]。

3 總體設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,主要包括地震動傳感器、磁傳感器及其信號調(diào)理與放大電路,電源模塊、控制模塊、通信模塊等。同時,考慮到降低噪聲,提高信號的信噪比,減少系統(tǒng)電磁干擾以及體積功耗等方面的因素,還必須有一些必要的輔助電路。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4 探測電路設(shè)計

4.1 元器件選型

4.1.1 微處理器

系統(tǒng)選用了基于ARM核心的中等容量增強型32位微處理器STM32F103C8T6,如圖4所示。其工作頻率為72MHz,內(nèi)置高速存儲器(高達128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM),擁有豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。而且支持睡眠、停機和待機三種低功耗模式,可以在要求低功耗、短啟動時間和多種喚醒事件之間達到最佳的平衡。一系列的省電模式保證了低功耗應(yīng)用,非常適合本系統(tǒng)的低功耗要求。

4.1.2 地震動傳感器

對現(xiàn)有的地震動傳感器進行充分的結(jié)構(gòu)分析和產(chǎn)品調(diào)研,最終選用了DX20動圈磁電式傳感器。該傳感器具有抗旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),能夠經(jīng)受火炮發(fā)射的高過載和高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境。市場上的此傳感器的尺寸較大,難以滿足系統(tǒng)的小型化要求。為此,聯(lián)系了有關(guān)工廠在原傳感器的基礎(chǔ)上進行了改造,生產(chǎn)了具有抗高過載和高旋轉(zhuǎn)性能的小型地震動傳感器。

4.1.3 磁傳感器

從本系統(tǒng)實際出發(fā),綜合考慮實際傳感器結(jié)構(gòu)特點、體積、功耗、磁場探測范圍和經(jīng)濟性等因素,采用霍尼韋爾公司的磁阻傳感器HMC5883L,它是一種表面貼裝的高集成模塊,并帶有數(shù)字接口的弱磁三軸磁阻傳感器芯片,采用霍尼韋爾各向異性磁阻(AMR)技術(shù),具有體積小、成本低、工作電壓低、功耗低、高集成、易于裝配、適用于電池供電的特點,主要應(yīng)用于低成本磁場檢測領(lǐng)域。

4.2 電路設(shè)計

4.2.1 地震動信號采集與調(diào)理接口電路

設(shè)計由多運放組合的放大電路如圖3所示,采用了兩級儀用放大器,兩個對稱的同相放大器U6A和U6B構(gòu)成第一級,第二級U6C為差動放大器。每一級放大電路都附加了一個一階低通濾波器以消除較高頻環(huán)境噪聲。選用合適的阻值容值,就可把信號限制在某一頻率范圍內(nèi)。此外,由于采用單電源模式,供電電壓為5V,因此需提供一偏置電壓將參考電平拉高2.5V,由電源模塊的5V電阻分壓后經(jīng)U6D的電壓跟隨器提供,以保證信號的完整性。為了提高電路的抗共模干擾能力和抑制漂移的影響,在電路設(shè)計過程中嚴格保證各級反饋電阻的平衡匹配。嚴格保證R34=R46,R38=R42,R35=R43,R36=R44。由于運放U6A和U6B的參數(shù)匹配,所以放大電路的輸入失調(diào)誤差大為減小。第二級運放U6C的失調(diào)參數(shù)折算到放大器輸入端的等效失調(diào)參數(shù)更小。所以該放大電路既滿足電路穩(wěn)定性要求,又可提供上千倍的增益。

圖3 地震動信號放大及濾波電路

4.2.2 磁信號采集與調(diào)理接口電路

HMC5883L磁信號采集電路如圖4所示。外接5V電源。C1(10)接一個4.7μF的電容用于儲能,同時為避免VDD的電壓被拉低,儲能電容C1在充電時電流是受限的。SETC(12)與SETP(8)接一個0.22μF的電容以完成傳感器的復(fù)位/置位,每次測量時,會自動完成置位/復(fù)位。首先一次置位脈沖產(chǎn)生后進行測量,然后一次復(fù)位脈沖產(chǎn)生后進行測量,兩次測量的差值的一半將會被放置在三軸上每根軸的數(shù)據(jù)輸出寄存器上。這樣,在所有測量中傳感器的內(nèi)部偏差和溫度漂移差值就可以被移除/抵消了。串行時鐘(SCL)和串行數(shù)據(jù)(SDA)線需要微處理器和HMC5883L之間裝有上拉電阻(即圖中R40與R41)。引腳DRDY(15)為信號輸出腳,接微處理器。

圖4 HMC5883L磁信號采集電路

5 識別軟件設(shè)計

本文只涉及車輛的探測與識別,軟件流程如圖5所示。初始化主要將沒有使用的引腳設(shè)置成上拉電阻輸入形式以減小功耗;設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換、定時器及通信的串口參數(shù)。封鎖初期為降低能耗子彈群進入靜默值守狀態(tài),當(dāng)震動信號超過門限,激活微處理器,微處理器每2ms采樣一次地震動信號,取最近的500個采樣點進行分類,若是車輛信號按信號強度確定目標(biāo)距離,若信號源距離較遠,啟用通信模塊將目標(biāo)類型及位置坐標(biāo)發(fā)回己方接收站;若信號源距離較近(10m),啟動磁探測器區(qū)分干擾信號,確認目標(biāo)后將目標(biāo)類型及位置坐標(biāo)發(fā)回己方接收站,目標(biāo)距離最近時(信號剛由大變小時)起爆[6]。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

6 試驗及結(jié)果分析

按設(shè)計的原理圖制作PCB板,按軟件流程圖編寫相應(yīng)軟件,對方案性能進行測試。測試中將震動及磁傳感器按實際位置置于模擬子彈外部,模擬子彈放于地面,各模塊可靠連接。讓一輛輕型卡車(9.5t)從250m距離接近子彈,并從子彈旁經(jīng)過,距子彈最近時5m,反復(fù)5次。測試震動傳感器模塊接口、磁傳感器模塊接口、點火模塊接口和通信模塊接口的信號電平,結(jié)果如表1所示。

表1 試驗結(jié)果

由上表可看出,震動傳感器可在約200m時探測到目標(biāo),磁傳感器可在約10m時探測到目標(biāo),通信模塊同時發(fā)送數(shù)據(jù)可知分類識別方案可靠識別出遠距離和近距離車輛,點火模塊作用時雖已進入子彈殺傷范圍(10m),但距離并非最近,具體原因有待進一步研究。同時,系統(tǒng)對目標(biāo)的探測距離與震源有關(guān),車輛越大越重,產(chǎn)生的震動信號越強,引起周圍的磁場變化也越強烈,系統(tǒng)對其實際探測范圍越大,反之車輛越小越輕則對其探測距離越小。

7 結(jié)語

針對戰(zhàn)場車輛目標(biāo),本文采取震動和磁探測結(jié)合的手段,選用相應(yīng)元器件設(shè)計了信號采集及放大電路,根據(jù)預(yù)定算法編制軟件流程,試驗證明:此方法可在預(yù)定距離內(nèi)分類識別戰(zhàn)場車輛目標(biāo),當(dāng)車輛進入攻擊范圍后就近起爆殺傷目標(biāo),抗干擾能力強,算法簡單,易于硬件實現(xiàn)。

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VehicleTarget’sDetectandIdentifyandDetonateOpportunityDetermineofABlockadeBomb

YIN Ximei1ZHANG Yunbing2

(1.Ammunition Engineering Staff Room, Army Officer Academy, Hefei 230031)

(2.Graduate Management Team, Army Officer Academy, Hefei 230031)

This article designed a detection and identification scheme to deal with battlefield vehicle target for a blockade bomb weapon system.Corresponding to its own motion characteristics, seismic signal detection combined with the magnetic signal detection are used.Screening the corresponding microprocessors and sensors, the hardware circuit and software process is design.Test proved that the detection and recognition means taken in this paper can effectively detect and identify battlefield vehicle target, eliminate vibrations interfering signals, detonate within attack range, anti-jamming capability is strong, and algorithm is simple and easily implemented in hardware.

blockade bomb, vehicle target, ground motion detection, magnetic detection

2014年3月14日,

:2014年4月29日

殷希梅,女,碩士,副教授,研究方向:信息化彈藥彈載電路。張運兵,男,碩士研究生,研究方向:信息化彈藥彈載電路。

TJ413DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.09.032