侵徹引信起爆控制電路性能樣機設(shè)計方法

郝相揚,李 蓉,2

(1.西安機電信息技術(shù)研究所,陜西 西安 710065;2.機電動態(tài)控制重點實驗室,陜西 西安 710065)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,彈藥庫、指揮中心、導(dǎo)彈發(fā)射井等重要軍事目標(biāo)往往建設(shè)在地下并受堅固防御工事保護,侵徹彈藥用于打擊此類堅固目標(biāo),因此侵徹彈藥毀傷技術(shù)成為各國軍事技術(shù)的重要研究方向。侵徹引信是根據(jù)預(yù)先裝定指令識別目標(biāo),使侵徹彈藥完成高效毀傷任務(wù)的核心部件[1]。

引信傳統(tǒng)設(shè)計過程中測試驗證只能在實物試驗中進行,為縮短引信研制周期和提高引信研發(fā)質(zhì)量,迫切需要使用數(shù)字化技術(shù)為引信研制過程賦能。虛擬樣機技術(shù)于20世紀(jì)80年代提出,如今正處在快速發(fā)展階段。通過構(gòu)建與引信實際產(chǎn)品功能和性能一致的數(shù)字樣機,可以對其進行不限次數(shù)、不限邊界的測試,從而將引信測試驗證過程提前至設(shè)計階段,可有效滿足未來引信產(chǎn)品的交付需求和技術(shù)發(fā)展需求。

國外對數(shù)字樣機技術(shù)的研究中,美國軍方在2018年頒布了《數(shù)字工程戰(zhàn)略》,旨在以數(shù)字化技術(shù)手段保障武器裝備發(fā)展,進一步擴大國際戰(zhàn)略優(yōu)勢,通過在下一代軍用飛機、車輛等型號預(yù)研項目中引入數(shù)字孿生、數(shù)字線索等數(shù)字化技術(shù),實現(xiàn)了數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)與型號預(yù)研的相互促進[2-5]。目前國外面向性能分析的數(shù)字樣機技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)覆蓋到引信相關(guān)技術(shù)的各個領(lǐng)域,如在目標(biāo)識別系統(tǒng)建模、仿真工具集成方法[6]、協(xié)同仿真平臺構(gòu)建等方面[7]國外學(xué)者已經(jīng)取得了大量研究成果。

國內(nèi)則較晚開始研究數(shù)字化技術(shù),目前通過構(gòu)建數(shù)字樣機性能模型為引信產(chǎn)品研制過程賦能正處于起步階段。文獻[8]通過建立引信發(fā)火電路數(shù)字化模型,分析了干擾信號在引信電路間的干擾耦合和傳遞規(guī)律。文獻[9]通過性能仿真方法分析了不同工況下彈體侵徹多層靶板時多層墊片式引信防護結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。文獻[10]利用自建實驗平臺驗證了魚類激光引信接收與發(fā)射系統(tǒng)的性能。

目前我國的引信數(shù)字化技術(shù)水平還相對落后,大多使用單一平臺完成基于參數(shù)的數(shù)字樣機性能模型構(gòu)建,取得成果中具有高逼真度的性能模型較少。本文結(jié)合侵徹引信起爆控制電路設(shè)計和驗證過程中的關(guān)鍵特征,基于Proteus和Matlab/Simulink平臺開展侵徹引信起爆控制電路性能樣機設(shè)計方法研究。

1 起爆控制電路性能樣機設(shè)計方法

1.1 性能樣機設(shè)計方法概述

數(shù)字樣機是相對物理樣機而言,使用計算機技術(shù)表達物理樣機的數(shù)字化模型,它與物理樣機具有相同的幾何信息、屬性信息,且可實現(xiàn)相同功能。數(shù)字樣機設(shè)計過程涵蓋需求設(shè)計、功能設(shè)計、性能設(shè)計、物理設(shè)`計,構(gòu)建產(chǎn)品性能樣機的目的是通過建立一套可無損耗使用、不受空間限制、具有通用性的數(shù)字化性能模型,來驗證物理樣機的功能和性能,驗證結(jié)果有助于對物理樣機做出改進。

侵徹引信起爆控制電路性能樣機應(yīng)能夠真實有效地反映物理特性,其一般構(gòu)建流程:起爆控制電路傳統(tǒng)設(shè)計過程經(jīng)歷由硬件和軟件的原理圖進行PCB設(shè)計進而制造出物理樣機,首先將傳統(tǒng)設(shè)計過程中的設(shè)計要求分解為功能單元,細化確定各功能單元的實現(xiàn)方式為構(gòu)建性能樣機提供支撐,然后將戰(zhàn)斗部參數(shù)、靶標(biāo)參數(shù)、彈速參數(shù)和著靶角度參數(shù)等工況參數(shù)以數(shù)據(jù)矩陣形式輸入,使性能樣機能夠與物理樣機對輸入數(shù)據(jù)響應(yīng)一致。圖1為侵徹引信起爆控制電路性能樣機設(shè)計過程示意圖。

圖1 性能樣機設(shè)計過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of theperformance prototype design process

1.2 起爆控制電路工作機理

侵徹引信起爆控制電路采用加速度傳感器實時識別戰(zhàn)斗部侵徹目標(biāo)的歷程和相對于目標(biāo)的位置完成最佳炸點識別,適時輸出發(fā)火信號給發(fā)火電路,控制戰(zhàn)斗部在最佳炸點位置處爆炸以實現(xiàn)對目標(biāo)的高效毀傷。

侵徹引信起爆控制電路主要由電源電路、傳感器電路、信號預(yù)處理電路、接口電路等部分組成,其組成框圖如圖2所示。加速度傳感器實時感知戰(zhàn)斗部侵徹目標(biāo)過程中的侵徹過載并輸出電壓信號,電壓信號經(jīng)過信號預(yù)處理電路放大和濾波后進入微控制器。微控制器實時采集信號預(yù)處理電路輸出的過載信號,并按照預(yù)定的起爆模式選擇相應(yīng)的起爆控制算法,判斷預(yù)定起爆時機輸出發(fā)火信號。

圖2 起爆控制電路組成框圖Fig.2 Block diagram of the initiation control circuit

侵徹過程中,彈體侵徹每一層靶板的加速度信號疊加上應(yīng)力波干擾和環(huán)境噪聲形成加速度傳感器識別到的過載信號,應(yīng)力波沿著彈體方向來回傳播,行進波與反射波疊加形成過載信號中的高頻分量,導(dǎo)致過載信號層間粘連,為侵徹引信計層造成困難?？筛鶕?jù)應(yīng)力波傳播理論計算出彈體內(nèi)應(yīng)力波傳播的固有頻率f,計算方法為[1]

(1)

式中:L為戰(zhàn)斗部長度,Ce是應(yīng)力波在鋼體中傳播的速度。應(yīng)力波的傳播速度和彈體所用材料有關(guān),即當(dāng)戰(zhàn)斗部完成設(shè)計后彈體應(yīng)力波的傳播頻率便隨之確定。應(yīng)力波干擾作為過載信號中的高頻分量,根據(jù)應(yīng)力波的傳播頻率對過載信號進行低通濾波,理論上能夠有效凸顯過載信號層包絡(luò)。

硬目標(biāo)侵徹引信的炸點控制方法包括計時、空穴識別、計層、計行程等多種起爆方式。計層起爆作為目前主要的起爆方式基于微控制器編寫計層起爆控制算法實現(xiàn)[11-13],通過靶標(biāo)參數(shù)信息完成對侵徹引信起爆控制任務(wù)設(shè)定,通過分析過載信號層間粘連程度可以為提升計層起爆控制算法性能提供支撐[14]。定義層間粘連系數(shù)p(n)用來反映過載信號各層層間的粘連程度,對于過載信號s(t),其第n層的過載峰值出現(xiàn)時刻記作tn,該層的過載峰值記作s(tn),則過載信號第n-1層與第n層的層間粘連系數(shù)p(n)計算方法為[15]

(2)

過載信號的層間粘連系數(shù)越大說明相鄰兩層粘連越嚴(yán)重,層信息越難識別;層間粘連系數(shù)越小說明相鄰兩層粘連影響越小,具有更為明顯的層信息。

2 性能樣機建模過程

根據(jù)起爆控制電路設(shè)計要求,結(jié)合實際引信設(shè)計和驗證過程中的關(guān)鍵參數(shù),基于Matlab/Simulink平臺將起爆控制電路功能分解為功能單元,并確定功能單元間的工作時序與信號傳遞關(guān)系。進一步細化確定各功能單元的實現(xiàn)方式,基于Proteus平臺建立信號預(yù)處理電路模型,基于Matlab/Simulink平臺建立起爆控制算法模型,并確定模型間接口匹配關(guān)系。

起爆控制電路在侵徹引信中負責(zé)接收加速度傳感器輸出信號,處理后適時輸出發(fā)火信號,將上述功能分解為如下功能單元:建立信號預(yù)處理電路功能單元,接收過載信號,實現(xiàn)對過載信號放大、濾波的功能;建立起爆控制算法功能單元,可根據(jù)預(yù)先裝定指令選擇合適的起爆控制算法,實現(xiàn)目標(biāo)識別功能,在靶標(biāo)預(yù)定位置輸出發(fā)火信號。確定每個功能單元的輸入輸出關(guān)系、工作順序及數(shù)據(jù)交互方式。圖3為基于Matlab/Simulink平臺建立侵徹引信起爆控制電路功能單元結(jié)構(gòu)。

圖3 起爆控制電路功能單元結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of the functional unit of the initiation control circuit

在起爆控制電路功能單元基礎(chǔ)上進一步確定各功能單元硬件構(gòu)成及軟件實現(xiàn)方法完成相應(yīng)模型構(gòu)建。信號預(yù)處理電路基于放大電路和濾波電路實現(xiàn),起到放大過載信號電壓和濾除過載信號中的高頻分量的功能。起爆控制算法基于微控制器實現(xiàn),以計層起爆控制算法為例,要具備實時分析過載信號,記錄戰(zhàn)斗部穿透硬目標(biāo)層數(shù),當(dāng)識別到預(yù)先設(shè)定層數(shù)時發(fā)出發(fā)火信號等功能。信號預(yù)處理電路模型的輸入關(guān)系如圖4所示,起爆控制算法模型的輸入關(guān)系如圖5所示。

圖4 信號預(yù)處理電路模型輸入關(guān)系Fig.4 Signal preprocessing circuit model input relationships

圖5 起爆控制算法模型輸入關(guān)系Fig.5 Initiation control algorithm model input relationship

為滿足微控制器的使用條件,需要通過信號預(yù)處理電路對過載信號進行放大處理,首先根據(jù)過載峰值確定放大電路的放大倍數(shù),為避免過載信號出現(xiàn)奇異值影響電路放大性能,取過載信號中幅值最大的n(n≥10)個采樣點,以這n個采樣點幅值的均值作為過載峰值s峰值。起爆控制電路中微控制器的工作電壓為0～uc,將過載峰值s峰值根據(jù)微控制器工作電壓的上限uc按一定比例β放大,則信號調(diào)理電路對過載信號的放大倍數(shù)MAu可以表示為

(3)

同時為減少應(yīng)力波干擾,以式(1)中應(yīng)力波傳播頻率作為截止頻率設(shè)計低通濾波電路。

信號預(yù)處理電路由一級放大電路和二級放大低通濾波電路組成,信號調(diào)理電路輸入信號電壓為vi(t),一級放大電路輸出為v1(t),二級放大低通濾波電路輸出為vo(t),建立信號調(diào)理電路的微分方程為

(4)

對式(4)各項求拉氏變換,并令Ui(s)=L[vi(t)],U1(s)=L[v1(t)],Uo(s)=L[vo(t)],可得s的代數(shù)方程為

(5)

簡化式(5),得到信號預(yù)處理電路的傳遞函數(shù)為

(6)

以計層起爆控制方式為例構(gòu)建起爆控制算法模型,傳統(tǒng)的計層算法基于固定閾值實現(xiàn),計層歷程如圖6所示。其原理為:在一定時間內(nèi)若過載峰值高于閾值g1的采樣點數(shù)量超過一定比例,則判定入靶;入靶后一定時間內(nèi)若過載峰值低于閾值g2的采樣點數(shù)量超過一定比例,則判定出靶;在經(jīng)歷入靶和出靶過程后認為彈體穿透一層硬目標(biāo)。

圖6 閾值計層原理示意圖Fig.6 Schematic diagram of the threshold gauge layer

傳統(tǒng)的固定閾值計層算法適應(yīng)能力較差,難以滿足性能樣機設(shè)計要求,根據(jù)層間粘連系數(shù)對計層算法的閾值和判定持續(xù)時間進行修正,制定基于粘連程度的參數(shù)化閾值計層策略。首先過載信號經(jīng)過信號調(diào)理電路處理幅值會有衰減,需要根據(jù)信號調(diào)理電路輸出信號的峰值s峰值,按比例初步確定一組閾值g1和g2,如下所示:

(7)

式中:x1和x2為調(diào)整閾值的系數(shù),取值范圍在0～1之間。

圖7所示為侵徹3層硬目標(biāo)的過載信號,計算得到第1層和第2層的層間粘連系數(shù)為0.127 1,第2層和第3層的層間粘連系數(shù)為0.435 1。其中第1,2層的層間粘連系數(shù)較小,層信息較為明顯,則在判定第1層出靶時,適當(dāng)減小出靶閾值g2,防止重復(fù)計層;在判定第2層入靶時,適當(dāng)提高入靶閾值g1,防止過早判定入靶;第2,3層的層間粘連系數(shù)較大,層信息不易識別,則在判定第2層出靶時,適當(dāng)提高出靶閾值g2,并延長出靶判定持續(xù)時間;在判定第3層入靶時,適當(dāng)減小入靶閾值g1,并延長入靶判定持續(xù)時間,防止漏計層。

圖7 侵徹3層硬目標(biāo)過載信號Fig.7 Penetrate the 3-layer hard target overload signal

(8)

建立侵徹引信起爆控制電路性能樣機,其組成框圖如圖8所示。

圖8 起爆控制電路性能樣機框圖Fig.8 Block diagram of theperformance prototype of the initiation control circuit

3 起爆控制電路性能樣機設(shè)計示例

3.1 工況說明

某次戰(zhàn)斗部侵徹12層硬目標(biāo)有限元仿真的工況示意圖如圖9,戰(zhàn)斗部相關(guān)參數(shù)見表1,加速度傳感器輸出的過載信號如圖10,以上述工況信息為例設(shè)計起爆控制電路性能樣機,并測試樣機的起爆控制結(jié)果。

表1 戰(zhàn)斗部參數(shù)Tab.1 Warhead parameters

圖9 戰(zhàn)斗部侵徹12層硬目標(biāo)工況示意圖Fig.9 Schematic diagram of the working condition of the warhead penetrating 12 layers of hard targets

圖10 12層硬目標(biāo)過載信號Fig.10 Penetrate 12 layers of hard target overload signals

3.2 參數(shù)設(shè)置及測試結(jié)果

根據(jù)以上工況,結(jié)合信號預(yù)處理電路放大倍數(shù)和應(yīng)力波傳播頻率的計算方法,計算得到信號調(diào)理電路的放大倍數(shù)為25,截止頻率為1.031 7 kHz,分別確定性能樣機中元器件的相應(yīng)參數(shù),計算出信號預(yù)處理電路的傳遞函數(shù)為

(9)

過載信號通過傳遞函數(shù)的輸出結(jié)果如圖11所示。

圖11 過載信號通過傳遞函數(shù)的輸出結(jié)果Fig.11 The output result of the overload signal through the transfer function

信號調(diào)理電路輸出信號的過載峰值為0.342 1 V,根據(jù)式(2)計算出其層間粘連系數(shù),根據(jù)式(7)、式(8),計算出各層的入靶閾值g1和出靶閾值g2如表2所示。

表2 信號調(diào)理電路輸出信號層間粘連系數(shù)和計層算法閾值Tab.2 The signal conditioning circuit outputs the signal interlayer adhesion coefficient and the threshold of the layering algorithm

以上述閾值對信號調(diào)理電路輸出信號進行計層,計層結(jié)果如圖12所示,圖中標(biāo)識線條表示計層算法識別到的出靶時刻。結(jié)果表明,該戰(zhàn)斗部侵徹12層硬目標(biāo),每一層出靶時刻均被準(zhǔn)確識別到。

圖12 侵徹12層硬目標(biāo)過載信號計層結(jié)果Fig.12 Penetrate 12 layers of hard target overload signal gauge layer results

為驗證以本文方法設(shè)計的性能樣機能否在噪聲更為強烈環(huán)境下實現(xiàn)計層起爆功能,對原始過載信號進行插值和加噪聲處理,具體方法為:在原始過載信號相鄰兩個采樣點之間插值,插值大小為相鄰兩采樣點的均值,對插值后信號以原始過載信號采樣率重新采樣。對采樣后的信號分別添加信噪比為11.608 7 dB和3.098 5 dB的隨機噪聲得到加噪過載信號,加噪過載信號表示在噪聲較大環(huán)境下得到的粘連更為嚴(yán)重的過載信號。

加噪過載信號經(jīng)性能樣機處理的結(jié)果如圖13所示,圖(a)和(b)分別為原始過載信號添加信噪比為11.608 7 dB和3.098 5 dB隨機噪聲的加噪過載信號,圖(c)和(d)分別為兩信號通過信號預(yù)處理電路模型的輸出結(jié)果,圖(e)和圖(f)分別為圖(c)和圖(d)信號經(jīng)起爆控制算法模型的計層結(jié)果。

圖13 加噪信號通過起爆控制電路性能樣機驗證結(jié)果Fig.13 The noise signal is verified by a performance prototype of the initiation control circuit

測試結(jié)果表明,以本文方法完成侵徹引信起爆控制電路性能樣機設(shè)計可以在當(dāng)前工況條件下以及存在一定程度環(huán)境噪聲條件下準(zhǔn)確進行層識別。

4 結(jié)論

本文提出侵徹引信起爆控制電路性能樣機的設(shè)計方法,該方法將起爆控制電路在設(shè)計和驗證過程中的關(guān)鍵特征總結(jié)為數(shù)據(jù)矩陣,結(jié)合起爆控制電路工作原理在數(shù)字空間中構(gòu)建出與實際產(chǎn)品功能性能一致的性能模型。設(shè)計示例體現(xiàn)出通過建立起爆控制電路性能樣機可以在一定程度上代替物理樣機完成性能測試,從而提升研發(fā)效率、降低研發(fā)成本。目前起爆控制電路性能樣機還沒有測試溫度異常、電磁干擾等情況對性能的影響,后續(xù)將對相關(guān)問題開展進一步研究。