ESAD中多路起爆輸入信號優(yōu)化識別方法

李會兵，孫國先

（西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065）

目前，引信安全系統(tǒng)由機械式安全系統(tǒng)、機電式安全系統(tǒng)和全電子安全系統(tǒng)（ESAD）組成。全電子安全系統(tǒng)是由沖擊片雷管結合不含敏感火工品發(fā)展起來的第三代引信安全系統(tǒng)[1-3]。全電子安全系統(tǒng)根據預先設定的不可逆的環(huán)境信息，自主識別并解除保險后，起爆輸入信號的有效確認決定了起爆的時機、方位和空間,進而提高戰(zhàn)斗部的有效毀傷效果。當多路起爆輸入信號同時滿足預先設定的起爆閾值要求時，對其進行識別與處理至關重要。

對于起爆輸入信號的識別，文獻[4]提出了利用MEMS加速度傳感器將碰撞目標產生的過載信號轉變?yōu)殡妷盒盘?，利用“閾?時間窗”的算法對導彈碰撞目標過程中產生的過載信號進行識別，但是利用該方法進行識別時，時間窗寬度設置相對較小，當多路起爆輸入信號同時輸入時，存在漏識別或者晚識別到有效輸入信號的可能，實時性較差。文獻[5]提出了將引信起爆輸入信號進行AD采集，采集結果平滑濾波和信號最大值、最小極值判斷等處理，對起爆輸入信號的有效性進行確認，但是該方法只對低頻起爆輸入信號有效，對于導彈碰撞目標時產生的微秒級多路輸入信號，不能有效識別，可能造成瞎火，可靠性不高。

針對ESAD中多路起爆輸入信號同時滿足起爆要求時，識別可靠性不高，實時性較差的問題，提出了ESAD中多路起爆輸入信號優(yōu)化識別方法。

1 研究基礎

1.1 觸發(fā)過載輸入信號

目前,在導彈飛行時，觸發(fā)引信與目標直接撞擊，通過碰撞過載感知目標信息[6-7]，若感知的過載信息滿足預先設定的觸發(fā)起爆條件，則輸出起爆信號，引爆戰(zhàn)斗部。隨著導彈導引精度、直接力控制等新技術的發(fā)展，導彈在飛行過程中直接碰撞目標的概率在增大[8]，觸發(fā)引信的重要性也越來越重要。在設計觸發(fā)引信時，表征引信在碰觸目標時反應速度的指標為靈敏度。靈敏度設計時基于安全性的考慮，防止誤輸出，設計觸發(fā)過載小于某一個值（200 g）時，不能啟動；但是基于工作可靠性的考慮，保證可靠有效的輸出，大于等于某一個值（300 g）時，必須啟動。為了避免觸發(fā)引信的觸發(fā)開關因彈體振動，意外閉合而可能導致任務失敗[9],利用MSMS加速度傳感器感應撞擊目標時的觸發(fā)過載，根據導彈的軸向將感應到的過載信號分解為X方向、Y方向和Z方向，每個方向感應各自方向過載的大小，輸出相應的電壓信號，采用微控制器軟件進行識別，能夠有效地提高觸發(fā)過載的可靠性和實時性。在實際飛行試驗中，根據彈體與目標碰撞的著角不同，MEMS加速度傳感器3個方向感受的過載值大小不同[4]，需要通過軟件算法，對X、Y、Z方向進行實時采集，確認某一個方向的觸發(fā)過載滿足預先設定的起爆條件，輸出起爆信號。

1.2 硬目標侵徹引信過載識別方法

硬目標侵徹引信在侵徹過程中，利用安裝于引信內部的MEMS加速度傳感器對侵徹過程中的目標信息進行識別，感受撞擊目標的過程[10-12]。利用MEMS加速度傳感器感受層目標，確定引信與目標的接觸策略，具體工作過程如下所示。

假設引信工作后，實時采集采樣傳感器輸出的值為a1，為3個預先設定的加速度閾值，設計識別一個有效目標層的方法，如下：

1）引信上電后，連續(xù)采集傳感器輸出的過載信號，當采集到3個加速度值滿足，時，認為彈丸已經碰擊目標；

2）在確認到彈丸已經碰擊目標后，繼續(xù)采集n1個加速度值（根據彈速預先設定），若有n2個大于或等于，則認為彈丸整體已經侵入有效目標，不是異常振動干擾；

3）根據預先設定的時間，延時一段時間t；

4）記錄彈體侵入的有效層數，判斷結果是否與預先設定的起爆層數一致，若滿足設定，則發(fā)出起爆信號，否則跳轉至1）繼續(xù)識別[9]。

1.3 發(fā)射過載識別方法

采用“閾值+時間窗”的方法，對發(fā)射過載進行辨識，是引信設計中有效的方法之一。根據預先設定的條件，進行發(fā)射環(huán)境確認，實現保險解除。

利用“閾值+時間窗”的方法完成發(fā)射過載的識別，即在一個以采樣頻率為移動速度的時間窗內保存每次采集的發(fā)射過載值，并且對整個時間窗內的閾值進行判斷，如果滿足預先設定的閾值要求，則認為識別到發(fā)射過載；否則繼續(xù)執(zhí)行采集，直到滿足要求[13]。利用這種方法能夠在一定條件下去除軟件識別過載時周期性的干擾信號，提高發(fā)射過載有效性的辨識能力。

2 多路起爆輸入信號優(yōu)化識別方法

對于多路起爆輸入信號都滿足起爆條件時，識別可靠性不高、實時性較差的問題，提出了ESAD中多路起爆輸入信號優(yōu)化識別方法，即采用并行滑動采集多路起爆輸入信號，在一個采樣周期T內，對每一路起爆輸入信號同時進行采樣，并保存采樣結果，在每一路相應的時間窗內，用最新的采集數據替換最舊的采集數據，并且判斷時間窗內每一路起爆輸入信號的采樣結果是否滿足預先設定的閾值要求，若滿足，則認為起爆輸入信號有效，輸出起爆信號；否則繼續(xù)執(zhí)行下一個采樣周期T。多路起爆輸入信號優(yōu)化識別方法能夠實現在單內核控制器中的多路準并行處理。具體方法如圖1所示。

圖1 多路起爆輸入信號優(yōu)化識別方法

并行滑動采集多路起爆輸入信號，在一個采樣周期內，通過調節(jié)每一路輸入信號的采集點數，提高采樣頻率，增加此路信號有效性識別的寬度，提高識別多路輸入信號的可靠性，降低出現誤識別輸入信號的概率；且當多路輸入信號同時滿足要求時，與串行采集執(zhí)行完某一路后進行有效性判斷相比，并行滑動采集在每一個采樣點利用滑窗采集后，都進行是否起爆的有效性判斷，可以提高多路起爆信號同時輸入時的實時響應時間。

圖1以四路起爆輸入方式為例說明并行滑動采集多路起爆輸入信號，即以指令起爆，X、Y、Z方向觸地過載為例說明多路起爆輸入信號優(yōu)化識別方法。先設定每一個輸入方式的時間窗，再設定一個采集周期內每一個輸入方式需要采集的次數Q（該方法中，指令起爆一個周期內的采集次數Q=3；X方向過載、Y方向過載和Z方向過載的采集次數Q=1）；然后在一個采樣周期T內，分別依次采集指令起爆、X方向觸地過載、Y方向觸地過載、Z方向觸地過載，將采集的數據保存在與之對應的時間窗內，且每次采集的最新結果data最新總是替換時間窗內最久保存的數據data最舊，最后判斷在該次采集時刻，相應的時間窗中保存的有效數據是否滿足起爆要求，若滿足起爆要求，則輸出起爆信號；否則繼續(xù)循環(huán)依次采集，直到某一路輸入信號滿足設定要求。

3 試驗驗證

為了驗證該方法的可行性，在試驗室中搭建驗證環(huán)境，采用軟件編寫并行滑動采集多路起爆輸入信號的過程，模擬四路起爆輸入信號：指令起爆，X、Y、Z方向觸地過載進行軟件算法驗證。模擬輸入驗證框圖如圖2所示。

圖2 模擬輸入驗證框圖

測試判斷條件：在試驗過程中，利用試驗室模擬碰撞過程，如果模擬輸出有效值（高電平），則表明利用并行滑動采集多路起爆輸入信號的方法有效，正確識別到輸入信號；若模擬輸出無效值（低電平信號），則表示利用并行滑動采集多路起爆輸入信號的方法沒有正確識別到輸入信號。

3.1 X、Y、Z 3個方向觸地過載輸入算法驗證

引信觸發(fā)過載采用MEMS加速度傳感器進行感應[14-16]，為了驗證該算法的有效性，在試驗室環(huán)境模擬AD公司的MEMS加速度傳感器ADXL001碰撞目標時[17]，將感受到的過載變化信息作為輸入，利用任意波形發(fā)生器進行模擬，完成驗證。

在X、Y、Z3個方向觸地過載輸入驗證過程中，利用任意波形發(fā)生器模擬X方向過載（Q=1）、Y方向過載（Q=1）和Z方向過載（Q=1），驗證X、Y、Z3個方向觸地過載起爆信號同時輸入時，驗證并行滑動采集算法的可靠性和實時性。

設定過載值D，當D>250 g時，且過載維持寬度H>530μs時，過載值有效。利用任意波形發(fā)生器1、2、3分別模擬不同方向碰撞目標的過載值，并利用同步信號控制任意波形發(fā)生器同步輸出預先設定信號的時機，模擬ESAD碰撞目標時的過載變化情況。

MEMS加速度傳感器的初值為2.5 V（模擬0 g），變化0.6 V（模擬變化250 g），過載維持時間t設置為480μs、560μs、800μs。根據并行滑動采集算法的設計，采樣周期T設置為53μs（采樣頻率約為18 kHz左右），當過載維持時間大于530μs時，輸出起爆信號。設定的過載輸入波形如圖3所示，測試結果見圖4，測試數據見表1。

表1 X、Y、Z方向模擬過載輸入

圖3 模擬碰合瞬間輸入波形

圖4 實際測試結果

由圖4可以看出，在模擬碰撞目標過程中，X、Y、Z3個方向都產生了觸地過載，根據預先設定的條件，過載大于250 g，且過載維持時間大于530μs時，利用并行滑動多路采集方法識別到有效輸入信號，并且輸出起爆信號。圖4中，Z向過載值、過載維持時間也滿足起爆輸入條件，但是并沒有輸出起爆信號，因為并行滑動多路采集已經識別到了X方向的過載，且輸出了起爆信號。不存在晚識別其他輸入通道的情況，多次采集過程中得到的結論相同,因此不會存在晚識別的情況,提高了起爆輸出信號的實時性。

由表1可以看出，模擬碰撞目標過程時，在滿足預先設定的530μs瞬發(fā)度時間內，都可以進行過載采集，增加了X、Y、Z3個方向觸地過載的有效識別寬度，與參考文獻[4]中識別寬度占設定值相比，能夠提高到90%以上，使識別可靠性大大增強。且其他通道的干擾信號不影響有效通道的輸入，能夠有效剔除干擾，提高可靠性和實時性。

3.2 X、Y方向觸地過載和指令起爆輸入算法驗證

采用任意波形發(fā)生器4，調節(jié)指令起爆（Q=3）的輸出寬度；利用任意波形發(fā)生器1和2，模擬碰撞目標的X、Y方向觸地過載（Q=1），進一步驗證三路起爆輸入信號優(yōu)化識別方法的有效性[18-19]。過載輸入模擬情況與上文相同，瞬發(fā)度要求不大于530μs；設置指令起爆瞬發(fā)度不大于5 ms。設定輸入波形如圖5所示，實際測試波形如圖6所示，實際測試數據見表2。

表2 實際測試數據

圖5 模擬過載輸入和指令超爆

由圖6可以看出，在模擬指令起爆輸入時，X、Y方向觸地過載都有周期性的干擾過載信號輸入，起爆輸出信號并沒有因為存在干擾過載輸入而影響瞬發(fā)度的輸出，對于干擾過載的輸入可以有效剔除，增強了識別的抗干擾能力和可靠性，經過多次測試，得到的結果一致。

圖6 實際測試情況

由表2可以看出，當指令起爆輸入信號輸入設定為5 ms時，指令起爆輸出瞬發(fā)度為4.7 ms，輸出起爆信號沒有任何延時，實時性較高，不存在由于識別X、Y方向過載，使得起爆延時輸出。當X、Y方向過載輸入與指令起爆同時滿足條件時，并行滑動識別算法識別到X、Y方向過載滿足要求，輸出起爆信號，瞬發(fā)度由4.7 ms變化為530μs，提高了多路起爆輸入信號都滿足起爆條件時的響應時間。

4 結 論

文中提出了ESAD中多路起爆輸入信號的優(yōu)化識別方法。該方法在單核芯片中，采用準并行方式實現了多路輸入信號的采集。在每一路輸入信號采集的時間窗內，用最新采集結果替換最舊的數據，實現在固定時間窗內采集結果進行滑動的先入先出控制模式[20]。通過判斷時間窗內的輸入信號是否滿足預先設定的閾值要求，確定此路起爆輸入信號是否有效；否則繼續(xù)執(zhí)行下一路采樣。試驗結果表明，采用準并行滑動采集多路起爆輸入信號軟件算法，能夠同時識別X、Y、Z3個方向觸地過載以及指令起爆輸入信號，提高了多路輸入信號識別的可靠性和實時性，適用于對多路信號同時輸入進行識別。