基于恒比定時甄別的引信測試系統(tǒng)定時點(diǎn)優(yōu)化方法

摘 要：考慮到引信點(diǎn)火脈沖輸出的電信號波形具有極短的上升時間和較長的衰落時間特征，對其進(jìn)行采樣時，定時精度往往會存在較大誤差。該文提出基于恒比定時甄別的定時點(diǎn)優(yōu)化策略，其將原始信號通過FIR低通濾波處理，并對采樣點(diǎn)進(jìn)行波形重構(gòu)，之后進(jìn)行尋峰并在線消除基線漂移，最后根據(jù)重構(gòu)后波形，進(jìn)行衰減、延遲與疊加，最終獲得恒比定時點(diǎn)。測試結(jié)果表明，所提方法將定時點(diǎn)的測試精度提高40%，具有較好的性能。

關(guān)鍵詞：引信測試;恒比定時;信號重構(gòu);定時點(diǎn);優(yōu)化方法

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）30-0001-06

Abstract： As regards the characteristic of the fuze ignition pulse output electrical signal waveform， which has an extremely short rise time and a relatively long decay time， there is often a significant error in timing accuracy when sampling it. An optimized timing point strategy based on constant ratio timing discrimination is proposed. This strategy processes the original signal through FIR low-pass filtering， reconstructs the waveform for the sampling points， performs peak detection and online elimination of baseline drift， and finally， based on the reconstructed waveform， carries out attenuation， delay， and superposition to ultimately obtain the constant ratio timing point. Test results indicate that the proposed method has improved the timing point test accuracy by 40%， demonstrating good performance.

Keywords： fuze testing; constant ratio timing; signal reconstruction; timing point; optimization method

引信主要指在使用武器時將高技術(shù)武器配置的保險裝置加以解除、移開保險件與隔爆機(jī)構(gòu)，防止導(dǎo)彈在勤務(wù)處理、發(fā)射過程和達(dá)到延期解除保險時間之前的各種環(huán)境條件下解除保險的裝置，它能否及時地解除保險和引爆、傳爆序列至關(guān)重要[1-2]。

引信在現(xiàn)代武器系統(tǒng)中的重要性日益凸顯，研制和生產(chǎn)過程中對其性能指標(biāo)的高精度測試也變得愈發(fā)關(guān)鍵，是包括了信號采集、信號變化與傳輸、信號處理分析與識別、記錄和顯示及存儲的綜合技術(shù)[3-5]?，F(xiàn)有的測試方式主要利用人工對其進(jìn)行手動測試，一方面測試數(shù)量不斷增加，導(dǎo)致連續(xù)測試時勞動強(qiáng)度增大，容易造成測試效率低;另一方面，人工測試環(huán)節(jié)流程多，人工水平參差不齊，受到操作熟練程度的影響，極易導(dǎo)致測試出現(xiàn)較大誤差。因此，引信自動化測試系統(tǒng)的研發(fā)亦至關(guān)重要，有助于科研人員快速發(fā)現(xiàn)故障產(chǎn)品的問題，找到產(chǎn)品技術(shù)缺陷，從而大幅提高電子時間引信產(chǎn)品的測試效率，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，對引信的研制、生產(chǎn)和實(shí)際使用都具有重大意義。

在實(shí)際引信自動化系統(tǒng)測試過程中，主要目標(biāo)是提取系統(tǒng)定時點(diǎn)，但是受到引信點(diǎn)火脈沖輸出的電信號波形的影響，測試精度降低，難以滿足定時點(diǎn)技術(shù)指標(biāo)要求。因此，本文針對定時點(diǎn)別提出基于恒比甄別定時算法的定時點(diǎn)優(yōu)化方法，基于前沿定時與過零定時，并綜合了過零定時和上升沿定時的優(yōu)點(diǎn)，首先，將原始波形進(jìn)行延遲，經(jīng)放大與反轉(zhuǎn)后再與原始波形疊加。其次，計(jì)算恒比值點(diǎn)，采用插值法求出精確解，并通過調(diào)節(jié)時延和增益均百分比實(shí)現(xiàn)恒比甄別，達(dá)到以提升特征參量的測試精度的目標(biāo)。最后，構(gòu)建引信綜合測試系統(tǒng)，并在測試系統(tǒng)上對利用所提算法進(jìn)行了評估驗(yàn)證。

1 引信工作原理

時間引信是指彈藥發(fā)射、投擲、布設(shè)后，在裝定時間結(jié)束后作用的引信，亦被稱為定時引信，其廣泛配用于空炸、跳炸、穿透目標(biāo)后爆炸和深入目標(biāo)內(nèi)部爆炸等各種定時起爆的彈藥。按計(jì)時裝置的作用原理，時間引信可分為化學(xué)時間引信、機(jī)械時間引信、電子時間引信、射流時間引信等幾大類[6-7]。其工作原理主要包括2個階段。彈藥發(fā)射前，需先通過人工裝定或感應(yīng)裝定來完成對電子時間引信的計(jì)時時間設(shè)置。彈藥發(fā)射后，武器系統(tǒng)會觸發(fā)引信開始計(jì)時，到達(dá)引信定時點(diǎn)后，引信向武器戰(zhàn)斗部發(fā)送點(diǎn)火脈沖信號，從而引爆戰(zhàn)斗部。電子時間引信工作過程中，引信信號與供電信號的波形示意圖如圖1所示。當(dāng)供電信號產(chǎn)生時，引信隨即開始計(jì)時，待到達(dá)預(yù)先裝定的時間后，引信釋放放電脈沖。

測試系統(tǒng)的核心目標(biāo)是提取電子時間引信定時點(diǎn)信號。對于電子時間引信定時點(diǎn)主要誤差來源于引信信號中上電時刻和放電時刻的提取方式，不合適的提取方式會導(dǎo)致精度降低。因此，需要設(shè)計(jì)定時點(diǎn)優(yōu)化策略以達(dá)到提高定時點(diǎn)提取準(zhǔn)確度的要求。

2 基于恒比甄別的定時點(diǎn)優(yōu)化方法

考慮到引信點(diǎn)火脈沖的信號實(shí)際特性，其輸出的電信號波形通常具有極短的上升時間和較長的衰落時間。一般情況下，對于采集系統(tǒng)而言，當(dāng)上升時間小于采樣周期時，定時精度往往會存在一定誤差。因此，為了準(zhǔn)備估計(jì)信號的真實(shí)到達(dá)時刻，提出基于恒比定時甄別的定時點(diǎn)優(yōu)化策略，提高定時點(diǎn)精度。

恒比甄別是具有可調(diào)恒定觸發(fā)比的定時方法，其原理基于前沿定時與過零定時，并綜合了過零定時和上升沿定時的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 前沿定時與過零定時

前沿定時的原理是一個帶有固定閾值的觸發(fā)電路被經(jīng)過放大器的脈沖觸發(fā)，當(dāng)其脈沖的上升沿超過閾值時，會輸出一個脈沖，此即為定時信號。影響該方法定時精度的原因主要為：輸入信號幅度和上升時間的變化及超閾延遲導(dǎo)致的時間游動;輸入信號的噪聲以及信號采集電路的噪聲導(dǎo)致的時間晃動。輸入信號幅度和上升時間的變化，以及超閾延遲引起的定時時間游動如圖2所示。

輸入信號νi（t）的函數(shù)表達(dá)式為

， （1）

令定時時間tL為

式中：VM為輸入信號最大幅值，tM為最大幅值處對應(yīng)的時間，VT為閾電平。

圖2（a）中所展示的是3種幅值不同但上升時間相同的輸入信號A、B、C，橫縱坐標(biāo)分別表示信號時間與信號電壓。圖2（b）中所展示的是3種輸入信號經(jīng)放大器后觸發(fā)的輸出定時信號，是閾電平觸發(fā)時刻的理論值，分別對應(yīng)td1、td2、td3。圖2（c）中所展示的是超閾延遲的情況，在實(shí)際情況中，輸入信號剛剛達(dá)到或超過閾電平時，甄別電路并不會立即被觸發(fā)，而是當(dāng)輸入信號超過閾電平的某個量值后才被觸發(fā)，該觸發(fā)時間要晚于td1、td2、td3，即實(shí)際觸發(fā)時間為t、t、t，超閾延遲對應(yīng)圖2（b）中的Δ1、Δ2、Δ3。對輸入信號幅度和上升時間變化所引起的時間游動進(jìn)行分析，共有3種情況，即信號幅度改變但上升時間不變、上升時間改變但信號幅度不變、信號幅度和上升時間均改變，分別對應(yīng)公式（3）—（5）

輸入信號中疊加的噪聲，以及信號采集電路本身的噪聲所引起的定時時間晃動，分別如圖3、4所示。

圖3、圖4中td為觸發(fā)時刻的理論值，σT1和σT2分別表示2種不同噪聲導(dǎo)致時間晃動的標(biāo)準(zhǔn)偏差。將噪聲的均方根值即有效值定義為νn，輸出信號中疊加的噪聲定義為νn0，信號采集電路本身的噪聲定義為νns，那么σT1和σT2的計(jì)算方法如公式（6）、（7）所示

為了減小時間游動和時間晃動對定時誤差的影響，脈沖信號的觸發(fā)需設(shè)定觸發(fā)比f，該值的定義如公式（8）所示

f=QT/Q ， （8）

式中：QT為輸出電流脈沖達(dá)到閾值并觸發(fā)時的輸出電荷量，Q為輸出電流脈沖的總電荷量。而將電荷量進(jìn)行積分即可得到電壓信號，所以觸發(fā)比f可進(jìn)一步表示為觸發(fā)閾值VT與輸出信號幅度V的比值，如公式（9）所示

f=VT/V 。 （9）

為了減小信號幅度和上升時間變化引起的時間游動，f應(yīng)盡量小;考慮到保證時檢電路不被噪聲誤觸發(fā)，故需保證觸發(fā)閾值VT不能過小。為了確保由噪聲所引起的時間晃動降至最低，觸發(fā)比f的選擇一般位于輸入信號上升沿的最大斜率點(diǎn)。

綜上所述，對于一定的采集系統(tǒng)，可能存在某一最佳觸發(fā)比，所以需在實(shí)際的采集系統(tǒng)中對觸發(fā)比進(jìn)行調(diào)節(jié)，以獲得最佳的定時精度。

雖然前沿定時方法受噪聲導(dǎo)致的時間晃動較小，但對于時間游動引起的定時誤差并未有較為理想的優(yōu)化結(jié)果，而過零定時則可以有效地消除時間移動的影響[8-9]。

由圖4可知，假設(shè)輸入信號波形不變，只有在VT=0時，才能實(shí)現(xiàn)在信號幅度變化時不產(chǎn)生時間游動。將輸入信號νi（t）表示為Af（t），其中A為幅度，f（t）為任意函數(shù)，則到達(dá)閾值的時間tT取決于以公式（10）中t的解

Af（t）-VT=0 。 （10）

當(dāng)VT≠0時，只有f（t）為階躍函數(shù)，幅值A(chǔ)的變化才不會對到達(dá)閾值的時間tT產(chǎn)生影響。若f（t）為任意函數(shù)，要使得tT不受A的影響，唯一解是VT=0。

因此，應(yīng)該使用信號過零時間作為定時點(diǎn)，以此消除因幅度變化而引起的時間游動，該方法即為過零定時。其實(shí)現(xiàn)方法是利用單極性的輸入信號生成雙極性的信號，以產(chǎn)生一個與幅值無關(guān)的過零點(diǎn)。與前沿定時相反，過零定時雖然可以消除輸入信號幅度變化引起的時間游動，但無法消除由噪聲引起的時間晃動，因此使用過零定時需控制標(biāo)準(zhǔn)偏差σr1和σr2在合理的范圍內(nèi)，從而保證定時精度。

2.2 恒比甄別算法

結(jié)合過零定時和前沿定時的特性，恒比甄別可以對時間游動和時間晃動產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。與上述過零定時和前沿定時不同，恒比甄別不采用固定不變的閾值電壓VT，而是令VT和信號幅度A成正比，即設(shè)VT=pA，則公式（11）可寫為

Af（t）-pA=0 。 （11）

上式的解與A無關(guān)，而觸發(fā)比f如公式（12）所示

f=pA/A=p ， （12）

式中：f為定值，通過調(diào)節(jié)p即可方便地實(shí)現(xiàn)對觸發(fā)比的調(diào)節(jié)，從而使得時間晃動導(dǎo)致的定時誤差達(dá)到最小[10]。

采用的數(shù)字化恒比甄別算法即用數(shù)值算法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬定時電路，恒比甄別算法框圖如圖5所示。

與通過硬件電路來實(shí)現(xiàn)的恒比甄別技術(shù)相比，數(shù)字化恒比甄別算法不需要對原始的數(shù)字信號波形進(jìn)行調(diào)整即可方便地實(shí)現(xiàn)恒比定時。其實(shí)現(xiàn)方法與模擬恒比定時不同，首先需將數(shù)字信號送入數(shù)字信號處理模塊進(jìn)行分析，再根據(jù)待測試的特征參量從信號中提取相應(yīng)的信息。之后對采樣點(diǎn)做波形重構(gòu)，進(jìn)行尋峰并在線消除基線漂移。根據(jù)重構(gòu)后的波形，設(shè)定恒定觸發(fā)比p，找出信號幅度A，通過對波形做衰減、延遲和疊加，最終找出恒比定時點(diǎn)[11]。

數(shù)字化恒比甄別算法的原理如圖6所示。先將原始波形進(jìn)行延遲，經(jīng)放大與反轉(zhuǎn)后再與原始波形疊加。在這個過程中單極性信號被轉(zhuǎn)化成雙極性信號，而疊加后的波形中幅度為0的時刻即為脈沖到達(dá)的時刻。由于恒比值點(diǎn)一般落在2個采樣點(diǎn)之間，所以，若幅度為0的時刻在2個采樣時刻之間，則采用插值法求出精確解，以確定到達(dá)時刻，其中時延和增益均是可調(diào)參量，具體則是通過調(diào)節(jié)峰值的百分比實(shí)現(xiàn)。

圖6 數(shù)字化恒比甄別原理示意圖

該算法中的f值即觸發(fā)比，一般選擇在輸入信號脈沖上升沿的斜率最大處，在實(shí)際應(yīng)用中，一般選取在最大幅值的0.3倍處作為觸發(fā)點(diǎn)，即f=0.3。延遲時間td與脈沖上升沿的上升時間tr以及觸發(fā)比f相關(guān)，需滿足的條件是使延遲td之后的脈沖上升沿與脈沖衰減f倍后的脈沖尖端相交。td的計(jì)算方法如公式（13）所示

td=（1-f）tr 。 （13）

最后，利用延時對比計(jì)算定時點(diǎn)，計(jì)算原理如圖7所示，其中斜率較大的直線即為延遲波形，斜率較小的直線即為衰減波形，左右端點(diǎn)均為實(shí)際采樣點(diǎn)，根據(jù)比例即可計(jì)算處定時點(diǎn)的時間值。

計(jì)算過程如公式（14）（15）所示

。 （15）

3 算法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提恒比甄別定時點(diǎn)提取算法的有效性，搭建了引信自動化測試系統(tǒng)，分別設(shè)計(jì)硬件框架以及軟件流程方案，并基于LabVIEW 2017[12]，對所搭建的引信自動化測試系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。

3.1 引信自動化測試系統(tǒng)

引信自動化測試的硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，包括工控機(jī)、信號調(diào)理電路、信號轉(zhuǎn)接電路、電源管理電路以及操作臺。其中操作臺包括按鍵控制電路、LED顯示電路、總線接口電路以及通信接口電路。待測產(chǎn)品則通過測試線纜直接與操作臺相連。采用3U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，液晶顯示器和鍵盤等設(shè)備安裝在前面板，電源及測試電纜插座統(tǒng)一安裝在后面板。除操作臺外均安裝于機(jī)柜中，各操作臺通過測試電纜獨(dú)立下掛于機(jī)柜[13-15]。測試系統(tǒng)框圖與硬件結(jié)構(gòu)如圖8、圖9所示。

測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于LabVIEW 2017平臺進(jìn)行開發(fā)。該軟件是圖形化程序編譯平臺，具有界面與功能設(shè)計(jì)相互獨(dú)立、開發(fā)周期短的優(yōu)點(diǎn)，在電子測量、信號分析、控制理論仿真和跨平臺設(shè)計(jì)等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。根據(jù)該測試系統(tǒng)的功能需求，采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)思想[16-18]，本測試系統(tǒng)的軟件總體框圖如圖10所示。

3.2 實(shí)測信號驗(yàn)證

通過數(shù)字信號采集系統(tǒng)采集回該信號的原始波形如圖11所示，波形總長為45.8 s，在引信點(diǎn)火脈沖到達(dá)之前無有效信號輸出，到達(dá)定時時間后會產(chǎn)生一次點(diǎn)火脈沖，隨后點(diǎn)火電壓迅速下降。

對圖11中脈沖上升沿產(chǎn)生前后時間段內(nèi)的信號進(jìn)行放大，信號的上升沿產(chǎn)生前后時間段內(nèi)的信號圖12所示，截取的波形片段在45.566 6～45.568 6 s，共計(jì)21個采樣點(diǎn)（實(shí)際采樣率為10 kHz）。縱坐標(biāo)為電壓幅值，橫坐標(biāo)為采樣時間，為方便顯示，將采樣時間單位設(shè)為毫秒。對實(shí)測信號進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可以發(fā)現(xiàn)，脈沖上升沿的上升時間分布于1～2個采樣點(diǎn)，即0.1～0.2 ms。

其中f=0.3，fr=0.1 ms，即上升時間選擇使用占比更大的0.1 ms，由延遲時間dt的計(jì)算公式可知，延遲時間dt為0.07 ms。根據(jù)數(shù)字化恒比甄別算法原理，將原始信號延遲0.07 ms得到延遲信號，再將原始信號衰減至0.3倍獲得衰減信號。將二者與原始信號繪制于圖13，可得原始波形及其恒比甄別處理的示意圖，其中橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)的個數(shù)，延遲波形與衰波形的交叉點(diǎn)即為待計(jì)算的定時點(diǎn)。

從圖13中可以看出，t1=0.06 ms，即定時點(diǎn)選擇在上升沿發(fā)生時第一個采樣點(diǎn)后0.06 ms處。而實(shí)際采樣頻率為10 kHz，即采樣點(diǎn)的間隔為0.1 ms，由此即可在一定程度上補(bǔ)償在選擇脈沖最大幅值處作為定時點(diǎn)的情況下，實(shí)際脈沖最大值落在2個采樣點(diǎn)中間所造成的誤差，即通過數(shù)字化恒比甄別算法提升定時點(diǎn)的采集精度。

4 結(jié)論

考慮到引信點(diǎn)火脈沖輸出的電信號波形具有極短的上升時間和較長的衰落時間的特征，對其進(jìn)行采樣時，定時精度往往會存在較大誤差。提出基于恒比定時甄別的定時點(diǎn)優(yōu)化策略，其根據(jù)待測試的定時點(diǎn)信號從信號中提取相應(yīng)的信息。之后對采樣點(diǎn)做波形重構(gòu)，進(jìn)行尋峰并在線消除基線漂移。根據(jù)重構(gòu)后的波形，通過對波形做衰減、延遲和疊加，最終找出恒比定時點(diǎn)。結(jié)果表明算法可以在一定程度上抵消由于波形幅值變化和噪聲等因素導(dǎo)致的時間游動和時間晃動誤差，且該方法可以對實(shí)際脈沖最大值落在2個采樣點(diǎn)中間所造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。對比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以驗(yàn)證，該方法可將定時精度提高40%。

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第一作者簡介：張建鵬（1980-），男，碩士，高級工程師。研究方向儀器儀表與測試技術(shù)。