云爆子引信與云團高速交會的云霧濃度探測試驗方法

付勝華，婁文忠，李楚寶，潘曉建，汪金奎，吉童安，劉偉桐

(1.北京理工大學 機電學院，北京 100081;2.北京理工大學 重慶創(chuàng)新中心，重慶 401120；3.西安機電信息技術(shù)研究所，西安 陜西 710065)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭“遠程打擊，高效毀傷”一直是世界各國競相發(fā)展的重大技術(shù)，云爆彈(FAE)以其獨特的作用方式及大面積毀傷特點受到世界各軍事強國的大力追捧。二次起爆型云爆戰(zhàn)斗部毀傷模式為：當?shù)竭_目標上空時，通過一次引信起爆拋撒裝藥，將云爆劑高速分散與空氣混合形成燃料空氣炸藥云團，同時多個二次子引信與云團高速動態(tài)交會，多點協(xié)同起爆形成云霧爆轟，最終通過沖擊波效應、熱效應及窒息效應對大面積目標造成高效毀傷。在這一過程中，二次子引信與云爆劑拋撒云團的高速動態(tài)交會，最優(yōu)起爆云團濃度識別，形成高效爆轟反應，一直是云霧爆轟技術(shù)和云爆彈發(fā)展的熱點和難點。

云爆彈毀傷研究主要包括云爆劑組成、云霧特性、起爆方式、投放方式和戰(zhàn)場應用等。當前研究集中在云霧拋撒特性(速度、湍流、云團形狀、濃度分布)對爆轟性能的理論研究和相關(guān)試驗驗證[1-5]。云爆劑拋撒云團濃度是決定毀傷效能的關(guān)鍵。Zhang等[6]和陳嘉琛等[7]通過數(shù)值模擬建立了云爆劑拋撒過程中云團濃度與湍流的關(guān)系。Yamazaki等[8]和Omotayo等[9]通過光學傳感器構(gòu)建檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了云團濃度的識別。郭明儒等[10]結(jié)合超聲在云團中的衰減特性建立云團濃度檢測微系統(tǒng)，通過陣列式布置，獲得了云團濃度峰值的變化規(guī)律。

然而，由于光線衰減特性與粉塵濃度之間的函數(shù)關(guān)系很難確定，因此并不能直接給出粉塵瞬態(tài)濃度分布的確切值。脈沖驅(qū)動下云爆燃料云團的瞬態(tài)濃度實時檢測是當前尚未解決的技術(shù)難題。對于二次起爆型云爆戰(zhàn)斗部，子引信在高速運動復雜環(huán)境條件下，與拋撒云團的動態(tài)交會，進而快速實時獲取云團濃度信息，實現(xiàn)多子引信在云團最優(yōu)爆轟濃度條件下協(xié)同起爆的問題更是懸而未決。

超聲波在含顆粒的氣體與固體兩相流中傳播時，超聲的透射和反射會引起能量的衰減和相位變化，基于相關(guān)頻率的超聲脈沖波被廣泛應用于多相混合物的粒度估計、濃度分布檢測[11-14]。本文對研制的脈沖超聲云團濃度檢測系統(tǒng)進行了模型分析，研制了云爆子引信的原型樣機，進行云爆子引信與云團高速交會的云團濃度動態(tài)探測的試驗研究。形成了高速復雜環(huán)境下子引信動態(tài)識別云團濃度的變化曲線，得到了不同濃度下子引信脈沖超聲的特征梯度規(guī)律。為二次起爆型云爆戰(zhàn)斗部的最優(yōu)起爆濃度識別，在高落速下的引信與戰(zhàn)斗部配合、子引信間的協(xié)同起爆控制提供數(shù)據(jù)支撐。

1 云團濃度計算模型

子引信濃度探測裝置與云團交會狀態(tài)原理如圖1所示，圖1中：D為超聲換能器直徑；L為超聲傳播的距離。當超聲波由測量云團垂直入射時，由于云團中云爆燃料顆粒和空氣的聲學特性不同，動態(tài)交會時云團分布狀態(tài)變化，導致超聲的透射衰減和反射衰減存在不確定性。為解決動態(tài)濃度下超聲衰減的不確定性因素，本文建立了一次脈沖超聲回波反射的濃度探測方法。

圖1 脈沖超聲回波反射云團濃度探測原理圖Fig.1 Schematic diagram of FAE cloud concentration detection by pulsed ultrasound echo reflection

超聲波在云團中傳播時，超聲的聲阻抗Z定義為

Z=ρc，

(1)

式中：ρ為云團的密度(泛指一定空間里的云爆燃料的質(zhì)量和空氣質(zhì)量之和，對標準體積的商)；c為超聲在云團中的傳播速度。

云爆燃料的質(zhì)量濃度φm可以計算為

φm=Z/c-ρa，

(2)

式中：ρa為標準空氣的密度，ρa=1.293 kg/m3.

超聲的反射系數(shù)R由(3)式給出：

(3)

式中：k為修正系數(shù)；Zl為云團的聲阻抗；Zw為空氣的聲阻抗，Zw=ρaca，ca為空氣中的聲速。

基于超聲反射系數(shù)R根據(jù)超聲回波幅值的比例關(guān)系得到：

Anj=exp(-2αDnj)A0Rnj，

(4)

式中：A0表示初始波幅值；n表示回波次數(shù)；nj為第j次回波，j=1，2，3…；Anj表示第j次回波幅值；α為超聲在云團中的聲吸收系數(shù)。

對于第j、i次回波，可得超聲反射系數(shù)R為

lnR=(lnAnj-lnAni)/(nj-ni)+2αD，

(5)

式中：Ani為第i次回波幅值，ni為第i次回波，i=1，2，3，…. 利用超聲透射波與反射波的時間差Δt，聲程L確定超聲在云團中的傳播速度，即

c=2L/Δt.

(6)

通過測得的多次回波信號確定超聲的反射系數(shù)，進而求解超聲在云團中的聲學阻抗。同時根據(jù)回波測得的超聲傳播速度，即可得到云團濃度。該模型對于云團中云爆劑的粒度大小、分布狀態(tài)和溫度等不確定性參數(shù)具備濾波特性。從超聲反射回波的能量和相位的變化表征云團濃度，表現(xiàn)出良好的抗干擾能力和濃度特征分辨能力。

2 試驗條件及系統(tǒng)組成

基于脈沖超聲回波反射的云團濃度檢測原理，研制云團濃度檢測子引信原理樣機，模擬云爆戰(zhàn)斗部高速子引信拋撒，與燃料云團動態(tài)交會的火箭撬搭載試驗，最終實現(xiàn)云團的動態(tài)濃度實時檢測。試驗系統(tǒng)主要包括：

1)設(shè)計云爆劑拋撒濃度檢測子引信原理樣機，實現(xiàn)動態(tài)云團的瞬態(tài)濃度實時檢測；

2)建立基于火箭撬的模擬云爆拋撒云團- 子引信交會系統(tǒng)，實現(xiàn)對燃料云團的動態(tài)探測；

3)采用云爆燃料等效云團發(fā)生裝置，建立不同濃度梯度下的超聲特征- 濃度的映射關(guān)系。

2.1 云爆燃料濃度檢測子引信原理樣機

針對云爆劑拋撒的云團濃度，在子引信與云團動態(tài)交會過程中，能夠順利進入超聲檢測區(qū)域，進行子引信云團流道設(shè)計，如圖2所示。子引信以一定的速度穿過云團時，燃料云團在流道中以湍流擴散，保證穿過超聲檢測區(qū)域的濃度與云團濃度一致。

圖2 子引信濃度檢測組成Fig.2 Concentration detection composition of fuze

濃度檢測子引信原理樣機主要包括脈沖超聲濃度檢測換能器，脈沖超聲信號激勵及接收處理器，電源，信號采集與存儲器，保險繩，彈體及火箭撬裝配工裝。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 云爆濃度檢測子引信組成原理圖Fig.3 Fuze composition of FAE cloud concentration detection

濃度檢測系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方案，系統(tǒng)主要由控制處理器、計算處理器、信號驅(qū)動電路、信號處理電路、電源管理電路和接口電路等構(gòu)成。超聲信號發(fā)生電路產(chǎn)生脈沖波信號至傳感器發(fā)射端，接收端傳感器通過信號處理電路對特征信號進行濾波、調(diào)制、放大處理。濃度特征信號設(shè)置為數(shù)字聲信號存儲測試模式，即只對原始聲信號進行采樣和模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換，不進行濃度解算，數(shù)據(jù)存儲于微系統(tǒng)內(nèi)部，脈沖超聲頻率為200 kHz，采樣頻率為2 MHz，采樣長度為2 min.具體結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

圖4 FAE濃度檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Composition of FAE concentration detection system

2.2 試驗系統(tǒng)布置

二次起爆型云爆戰(zhàn)斗部子引信與拋撒云團的動態(tài)交會工作時間短，云團擴散速度與子引信飛行速度快，實現(xiàn)最優(yōu)爆轟效能的云團濃度識別，需要在具體的動態(tài)環(huán)境下測定?；鸺送ㄟ^設(shè)定不同子引信與云團交會速度試驗，獲得動態(tài)云團濃度信息，可以模擬真實的子引信與云團高速交會狀態(tài)，獲得可靠的引信探測云團濃度的動態(tài)特性。借助火箭撬平臺，針對云爆子引信與拋撒云團交會的濃度探測,試驗組成如圖5所示。

圖5 子引信與云團交會的云霧濃度檢測試驗組成Fig.5 Concentration detection of cloud at fuze-cloud intersection

如圖5所示，云爆燃料濃度檢測子引信安裝在火箭撬平臺上，分別設(shè)計75 m/s、100 m/s的子引信交會速度穿過云團。標準1.5 m×1.5 m×1.5 m內(nèi)通過發(fā)煙劑產(chǎn)生標稱濃度(一定質(zhì)量的燃料在標準體積內(nèi)的均勻分散)分別為75 g/m3、150 g/m3、225 g/m3的等效燃料云團。通過設(shè)置斷靶信號觸發(fā)和位標信號觸發(fā)裝置，進行彈載濃度檢測系統(tǒng)的上電控制、濃度特征獲取。具體試驗現(xiàn)場如圖6所示。

圖6 子引信與云團交會的云霧濃度檢測試驗現(xiàn)場圖Fig.6 Test site of cloud concentration detection at fuze-cloud intersection

3 試驗結(jié)果及分析

為了觀察和分析云團與子引信交會過程，采用高速運動分析系統(tǒng)觀測云爆燃料濃度檢測子引信與云團交會的全過程，如圖7所示。子引信中超聲濃度檢測部件在不同云團濃度下的特征信號如圖8所示。

圖7 子引信與云團交會圖Fig.7 Map of fuze-cloud intersection

圖8 子引信與云團交會的超聲信號(交會速度100 m/s)Fig.8 Ultrasonic signal of fuze-FAE cloud intersection (intersection speed:100 m/s)

對單位脈沖超聲信號在云團經(jīng)過前后的對比，超聲在云團中傳播的能量幅值較在空氣中傳播的原始信號有明顯的衰減，即對應的超聲反射系數(shù)在不同云團濃度下的特征變化，如圖9所示。

圖9 子引信與云團交會前后的超聲信號對比Fig.9 Comparison of ultrasonic signals for fuze-cloud intersection

對原始采集的超聲信號進行回波幅值特征提取，如圖10所示。通過(3)式和(4)式對一次回波和二次回波幅值進行超聲反射系數(shù)計算，得到如圖11所示反射系數(shù)變化曲線。由圖11可以看出，對超聲反射系數(shù)進行歸一化處理后，超聲在空氣中、75 g/m3云團、150 g/m3云團以及225 g/m3云團4種狀態(tài)下的反射系數(shù)呈梯度下降，表現(xiàn)出明顯的超聲回波反射系數(shù)衰減- 云團濃度的映射關(guān)系。

圖10 引信與云團交會的超聲回波信號提取Fig.10 Ultrasonic echo extraction of fuze-cloud intersection

圖11 引信與云團交會的超聲反射系數(shù)曲線Fig.11 Ultrasonic reflection coefficient of fuze-cloud intersection

針對云團擴散過程中濃度分布的動態(tài)特性，子引信與云團交會過程中，對云團濃度的檢測(超聲反射系數(shù))同樣存在差異。為了便于對超聲反射系數(shù)與云團濃度的標定測試，通過設(shè)定75 m/s、100 m/s不同交會速度，得到了不同交會速度下、不同濃度下的最大超聲反射系數(shù)的梯度特征，如圖12所示。由圖12可以看出，不同交會速度下的超聲反射系數(shù)具有一致性，對于真實云爆子引信與云團高速交會，通過超聲反射系數(shù)反映云團濃度特征的可行性。

圖12 不同交會速度下超聲反射系數(shù)與濃度梯度關(guān)系Fig.12 Ultrasonic reflection coefficient of fuze-cloud intersection

由(1)式～(3)式可知，通過計算反射系數(shù)R，反射時間差Δt，在已知子引信中超聲安裝距離L(L=20 mm)，修正系數(shù)k(設(shè)定k=1，即反射系數(shù)R與超聲在云團中阻抗的原始比例關(guān)系)，計算超聲在云團中的聲阻抗，同時定義空氣中的聲阻抗為單位量1，最終得到云爆燃料的質(zhì)量濃度。涉及參數(shù)如表1所示。

表1 燃料濃度計算物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters of fuel concentration calculation

通過的超聲反射系數(shù)- 云團濃度計算模型，與標稱濃度(燃料在標準體積內(nèi)的均勻擴散)進行對比分析，如表2所示。由表2可以得出，計算濃度誤差分別為8.0%、13.3%和6.7%。相比傳統(tǒng)的圖像法估算云團濃度(燃料質(zhì)量與云霧體積之比)，該云團濃度計算具備實時性、動態(tài)性。為二次起爆的濃度信息感知、起爆控制反饋提供了解決方案。

表2 燃料濃度計算誤差Tab.2 Calculation error of fuel concentration

4 結(jié)論

本文基于超聲反射衰減理論，分析了云爆劑粒度大小，分布狀態(tài)和溫度等不確定性參數(shù)對云團濃度測量精度的影響。建立了超聲反射系數(shù)與云爆燃料云團濃度的映射關(guān)系，為脈沖超聲換能器探測云團濃度提供了理論依據(jù)。得到主要結(jié)論如下：

1) 結(jié)合云爆燃料拋撒云團濃度的分布特性和起爆濃度，基于火箭撬平臺建立了子引信與云團交會速度分別為75 m/s、100 m/s的濃度檢測試驗系統(tǒng)，獲得了在標稱云團濃度75 g/m3、150 g/m3、225 g/m3下的超聲特征信號，表明了對于真實云爆子引信- 云團高速交會，通過超聲反射系數(shù)反映云團濃度特征的可行性。

2) 建立了在動態(tài)子引信- 云團交會環(huán)境下的超聲反射系數(shù)與云團濃度的映射關(guān)系。測試結(jié)果表明探測濃度能夠擬合標稱濃度，測試誤差控制在15%以內(nèi)，具備云爆子引信動態(tài)識別云團濃度的需求。為實現(xiàn)FAE武器拋撒的自適應濃度識別，最優(yōu)毀傷效能下智能起爆控制奠定了試驗基礎(chǔ)。

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