小口徑彈丸炮口無線裝定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張明躍,房立清,郭愛強(qiáng)

(1.陸軍工程大學(xué) 火炮工程系, 石家莊 050003; 2.陸軍工程大學(xué) 彈藥工程系, 石家莊 050003)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭的發(fā)展對彈丸的智能化和信息化提出了更高的要求。具有定時(shí)空炸、定距空炸功能的彈丸在復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境中能夠使彈藥的殺傷力達(dá)到最大化[1]。由于對小口徑彈丸的相關(guān)研究較少,所以目前大多數(shù)小口徑彈丸依舊使用傳統(tǒng)的機(jī)械沖擊引信[2-3]。然而在小規(guī)模作戰(zhàn)中,能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)炸點(diǎn)控制的小口徑彈丸發(fā)揮著不可替代的作用[4]。

無線裝定是指為使炮彈命中目標(biāo),在射擊時(shí)將各種影響彈道因素的數(shù)據(jù),通過無線傳輸?shù)姆绞窖b定到電子引信中的技術(shù)[5]。無線裝定簡化了電子引信的線路裝配,受環(huán)境影響較小,面對復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境具有迅速反應(yīng)的能力,并且能適應(yīng)多口徑彈藥,避免了因彈藥儲存時(shí)間長,線路老化導(dǎo)致裝定失敗的情況,使引信可以在復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制,所以無線裝定技術(shù)是實(shí)現(xiàn)小口徑彈丸精準(zhǔn)控制的主要技術(shù)之一[6]。

將影響彈道的信息裝定至電子引信中,是實(shí)現(xiàn)小口徑彈丸精準(zhǔn)炸點(diǎn)控制的基礎(chǔ)。目前廣泛研究的無線裝定技術(shù)主要有3種方式,電磁感應(yīng)裝定、射頻裝定和磁耦合共振裝定。電磁感應(yīng)裝定是利用交變磁場傳輸信息,最早應(yīng)用于發(fā)射前裝定,如美國艾連特公司研制的PIAFS系統(tǒng),是一款手持式便攜感應(yīng)裝定器[7-9]。射頻裝定的特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)信息的雙向傳遞,并且能夠通過儲能電容與線圈耦合實(shí)現(xiàn)能量傳輸。射頻裝定的研究也大多集中在發(fā)射前裝定[10-11]。磁耦合共振裝定是近年來新興的技術(shù),最早應(yīng)用在無線電能傳輸方面,磁耦合共振裝定能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離的能量與信息傳輸,然而目前技術(shù)應(yīng)用不夠成熟,傳輸機(jī)理尚不明確[12-15]。

針對小口徑彈丸信息化程度較低的現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)一種基于電磁感應(yīng)的無線裝定系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括信息采集、信號調(diào)制、功率放大器、發(fā)射與接收線圈、信號解調(diào)等模塊。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無線裝定接收端的小型化設(shè)計(jì)。能夠應(yīng)用于35 mm小型榴彈中。使用輕氣炮對數(shù)據(jù)與信號接收情況進(jìn)行檢驗(yàn)與采集,結(jié)果表明接收端能夠在小口徑彈丸發(fā)射過程中實(shí)現(xiàn)信息接收。

1 發(fā)射端設(shè)計(jì)

選擇電磁感應(yīng)裝定的方式進(jìn)行小口徑彈丸無線裝定系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要基于以下2點(diǎn):

1) 相關(guān)研究較多,技術(shù)相對成熟,可以在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。

2) 硬件設(shè)計(jì)簡潔,由于小口徑彈丸內(nèi)部空間有限,所以需要實(shí)現(xiàn)空間利用率最大化。

小口徑彈丸無線裝定系統(tǒng)的發(fā)射端主要包括環(huán)境信息與發(fā)射信息采集、以FPGA為核心的信號調(diào)制、DA轉(zhuǎn)換、功率放大器、發(fā)射線圈等,引信內(nèi)部的接收端主要包括接收線圈、AD采集與控制器。整個(gè)無線裝定系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 無線裝定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)射端中,信息采集包括溫濕度、氣壓、風(fēng)速等環(huán)境信息測量與射角、空炸距離等發(fā)射信息輸入。MCU通過AD轉(zhuǎn)換采集風(fēng)速傳感器的電壓信號,通過線性關(guān)系將電壓轉(zhuǎn)化為風(fēng)速。溫濕度、氣壓傳感器與MCU之間使用IIC、RS485等通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與讀取。信息采集與輸入系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 信息獲取模塊設(shè)計(jì)

信息獲取模塊中,通過觸摸面板輸入彈丸爆炸距離與射角后,控制器將環(huán)境信息與發(fā)射信息進(jìn)行二進(jìn)制轉(zhuǎn)換,并將二進(jìn)制數(shù)據(jù)通過串口傳輸至FPGA。

在小口徑彈丸無線裝定系統(tǒng)中,由于彈丸穿越線圈時(shí)間極短,且炮口發(fā)射環(huán)境較為惡劣,所以調(diào)制方式選擇主要考慮抗干擾性與頻帶利用率[16]。目前高速數(shù)據(jù)傳輸中常使用差分相移鍵控(DPSK)[17]。DPSK調(diào)制的信號變化過程如圖3所示。

圖3 DPSK調(diào)制信號變化

首先將二進(jìn)制編碼進(jìn)行差分運(yùn)算,再添加8位字節(jié)11 101 011作為幀頭,10 010 000作為幀尾。差分運(yùn)算后將二進(jìn)制結(jié)果轉(zhuǎn)化為調(diào)制信號,轉(zhuǎn)化方法是將原始信號直接與載波信號相乘。

使用FPGA進(jìn)行DPSK調(diào)制,程序主要包括串口讀取模塊、分頻器模塊、正弦載波生成模塊、數(shù)據(jù)差分模塊等。程序各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞如圖4所示。

圖4 FPGA數(shù)據(jù)傳遞

對上述模塊進(jìn)行例化后,頂層原理圖如圖5所示。

圖5 FPGA調(diào)制程序框圖

通過仿真產(chǎn)生時(shí)鐘、二進(jìn)制編碼等激勵(lì)信號,對輸出進(jìn)行監(jiān)測,仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 FPGA調(diào)制仿真波形

FPGA將二進(jìn)制信息進(jìn)行調(diào)制后,輸出數(shù)字信號。此時(shí)需要使用DA轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號。DA轉(zhuǎn)換電路如圖7所示。

圖7 DA轉(zhuǎn)換電路

信號經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換芯片后輸出差分電流信號,通過三階LC濾波器去除高頻干擾,再經(jīng)過運(yùn)放得到單端模擬電壓信號,最終通過可變電阻實(shí)現(xiàn)幅值的調(diào)節(jié)。

使用Howland電流泵對信號進(jìn)行電流放大,使信號能夠驅(qū)動(dòng)線圈。功率放大電路如圖8所示。

圖8 功率放大器電路設(shè)計(jì)

Howland電流泵輸出的電流Il可以用式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中:Rx為R5∥R6∥R7∥R8,為使得輸出電流與負(fù)載無關(guān),僅受到輸入電流源的電壓進(jìn)行控制,使R3=R4=R9=R11,則輸出電流可以表示為

(2)

此時(shí)輸出電流只與Rx有關(guān),而與負(fù)載無關(guān)。這種設(shè)計(jì)可以保證以恒定電流驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈。

2 線圈設(shè)計(jì)

在無線裝定過程中,通信使用的發(fā)射天線與接收天線都是由線圈組成,發(fā)射端與接收端可以等效為一次線圈與二次線圈,如圖9所示。

圖9 線圈等效電路

將通信信號的頻率設(shè)為ω,通過發(fā)射線圈的電流的有效值為I1,則發(fā)射端與接收端的RLC諧振公式如式(3)所示。

(3)

諧振電路的諧振頻率應(yīng)與通信頻率相同,以達(dá)到濾波、選頻的作用。諧振電路的波特圖如圖10所示。

圖10 諧振電路頻響特性

由波特圖可以看出,諧振電路會將特定頻率的信號進(jìn)行放大,對其他頻率信號都具有衰減作用,所以使用諧振電路也可以減小其他頻率信號的干擾。

線圈之間的影響程度可以通過互感系數(shù)表示,線圈耦合的互感系數(shù)可以表示為

(4)

式中,φ12與φ21分別是線圈之間的磁通匝鏈數(shù),即磁通量乘線圈匝數(shù)。流過兩線圈的電流分別是I1和I2,發(fā)射線圈為L1,接收線圈為L2,根據(jù)電路等效模型,列出基爾霍夫定律方程如式(5)所示。

(5)

兩線圈的阻抗Z1、Z2使用阻抗與感抗可以表示為Z1=jωL1+r與Z2=jωL2+r,將阻抗代入式(5),可以得到流過接收線圈與發(fā)射線圈的電路I1與I2的表達(dá)式,如式(6)所示。

(6)

輸入端與輸出端功率可以表示為

(7)

將式(6)代入式(7),可以得到輸入功率與輸出功率的表達(dá)式為

(8)

無線功率傳輸?shù)男适禽敵龉β收驾斎牍β实陌俜直?即式(9)。

(9)

由式(9)可以看出,在系統(tǒng)負(fù)載不變的情況下,系統(tǒng)的傳輸效率僅僅與線圈的耦合系數(shù)相關(guān)。在理想的發(fā)射過程中,接收線圈與發(fā)射線圈相對位置關(guān)系如圖11所示。

圖11 接收線圈與發(fā)射線圈相對位置

當(dāng)發(fā)射過程中,經(jīng)過校準(zhǔn)后,可以近似地認(rèn)為線圈之間的中心點(diǎn)在一條軸線上。由圖11可以推導(dǎo)出,線圈邊緣的距離L可以表示為

(10)

將式(10)代入式(4),可以得到線圈耦合公式如式(11)所示。

(12)

由式(12)可以看出,當(dāng)計(jì)算互感時(shí),線圈的半徑、匝數(shù)和2個(gè)線圈相互間的位置關(guān)系,是影響線圈互感系數(shù)的因素。在線圈發(fā)射過程中,發(fā)射線圈與接收線圈的距離是時(shí)變的,所以不考慮線圈距離的影響。由于引信內(nèi)部空間有限,所以接收線圈的參數(shù)也是基本固定,此時(shí)線圈的互感系數(shù)與發(fā)射線圈的半徑關(guān)系如圖12所示。

圖12 發(fā)射線圈互感系數(shù)與半徑的關(guān)系

由圖12關(guān)系可以看出,當(dāng)線圈距離與接收線圈半徑確定時(shí),合理的設(shè)計(jì)發(fā)射線圈半徑r1,可以使線圈之間的互感達(dá)到最大。但是由于榴彈炮炮口半徑的限制,在圖12中,由于發(fā)射線圈最小半徑必須大于炮口半徑,此時(shí)發(fā)射線圈與接收線圈的關(guān)系應(yīng)在峰值之后,即半徑越大,線圈之間的互感系數(shù)逐漸減小。所以在設(shè)計(jì)中,需要保證系統(tǒng)正常工作的前提下發(fā)射線圈半徑盡可能小。所以發(fā)射線圈半徑選擇35 mm,如圖13所示。

圖13 發(fā)射線圈設(shè)計(jì)

FPGA對裝定信息進(jìn)行調(diào)制后,通過功率放大器驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈,采集發(fā)射線圈兩端波形,示波器采集結(jié)果如圖14所示。

圖14 發(fā)射過程中感應(yīng)線圈波形采集結(jié)果

根據(jù)示波器采集結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),裝定信號與仿真信號相同,且經(jīng)過長時(shí)間觀測,整個(gè)系統(tǒng)均正常工作。

3 接收端設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)

由于小口徑彈丸內(nèi)部空間有限,所以在進(jìn)行器件選型、電路設(shè)計(jì)、PCB布線時(shí),需要著重考慮引信內(nèi)部空間問題,接收系統(tǒng)主要包括電源、控制器、AD采集、接收線圈等。

鑒別信號相位變化的方式選擇非相干解調(diào)。解調(diào)的過程是,模數(shù)轉(zhuǎn)換器將信號接收后,在DSP內(nèi)部將信號經(jīng)過濾波后,進(jìn)行延遲處理。延遲后的信號與原信號進(jìn)行相乘后,通過低通濾波器將載波信號進(jìn)行去除。此時(shí)信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。再經(jīng)過判決器,將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息。上述過程通過DSP程序?qū)崿F(xiàn),信號主要變化過程如圖15所示。

圖15 DSP解調(diào)算法實(shí)現(xiàn)過程

非相干解調(diào)使用軟件實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程,不僅簡化了硬件系統(tǒng),減小接收端所占空間,同時(shí)也避免了信號經(jīng)過電路時(shí)產(chǎn)生的干擾。

電源部分采用微型電池進(jìn)行供電,使用干簧管進(jìn)行開關(guān)設(shè)計(jì)。發(fā)射前通過磁鐵的滑動(dòng)控制電子引信開關(guān)。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片應(yīng)選擇采樣率較高、5 V供電、體積較小、能夠采集正負(fù)電壓的芯片。整個(gè)電子引信接收端設(shè)計(jì)如圖16所示。

圖16 電子引信設(shè)計(jì)與封裝

將引信封裝后,通過輕氣炮驗(yàn)證數(shù)據(jù)的接受情況,試驗(yàn)裝置如圖17所示。

圖17 輕氣炮實(shí)驗(yàn)裝置

為觀察彈丸發(fā)射時(shí)引信接收的信號波形與信息接收情況,將接收端連接至示波器,使用OLED顯示接收的數(shù)據(jù),示波器測得的波形與接收數(shù)據(jù)的結(jié)果如圖18所示。

圖18 實(shí)測波形與數(shù)據(jù)接收

由接收波形可以看出,彈丸穿越發(fā)射線圈時(shí),除了接收交變磁場產(chǎn)生的波形,還包括穿越磁場時(shí)切割直流分量產(chǎn)生的變化。由于調(diào)制方式選擇DPSK,所以可以忽略接收信號的幅值變化。

輕氣炮實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)小口徑低速彈丸炮口裝定。并且在高過載沖擊下,電路仍能夠保持正常工作狀態(tài)。

4 結(jié)論

針對于小口徑低速彈丸提出一種無線裝定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過傳感器進(jìn)行環(huán)境信息采集,將采集結(jié)果與發(fā)射信息通過串口傳輸至以FPGA為核心的調(diào)制系統(tǒng)。FPGA將信息進(jìn)行DPSK調(diào)制,經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換,將調(diào)制信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。設(shè)計(jì)功率放大器驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈,使電信號轉(zhuǎn)化為磁場信號。為實(shí)現(xiàn)功率傳輸?shù)淖畲蠡?使用線圈的耦合關(guān)系確定了線圈的最佳參數(shù)。接收端采用非相干解調(diào),設(shè)計(jì)電子引信進(jìn)行輕氣炮實(shí)驗(yàn),實(shí)測發(fā)射波形與仿真波形一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明數(shù)據(jù)能夠在小口徑彈丸發(fā)射過程中實(shí)現(xiàn)炮口裝定。針對小口徑彈丸設(shè)計(jì)的無線裝定系統(tǒng),為電子引信構(gòu)建更精準(zhǔn)的彈道模型,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)炸點(diǎn)控制奠定了基礎(chǔ),具有較高的軍事意義與實(shí)戰(zhàn)價(jià)值。