基于MEMS傳感器的空中目標(biāo)靜電測距研究

房立清，陳凱，張磊

（軍械工程學(xué)院，河北石家莊 050003）

基于MEMS傳感器的空中目標(biāo)靜電測距研究

房立清，陳凱，張磊

（軍械工程學(xué)院，河北石家莊 050003）

通過對現(xiàn)有國內(nèi)外較為先進(jìn)的MEMS傳感器技術(shù)和靜電探測技術(shù)的研究，提出一種采用MEMS傳感器與靜電探測技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行靜電測距的方法，采用理論分析的方法，闡述探測器對空中目標(biāo)進(jìn)行探測及確定彈丸和空中目標(biāo)之間距離的工作原理，為彈丸實現(xiàn)最佳爆炸奠定基礎(chǔ)。同時為研制一種能適應(yīng)戰(zhàn)場快速決定碰炸或近炸的新型復(fù)合引信，提高現(xiàn)有高炮毀殲概率提供技術(shù)支持。

MEMS傳感器；靜電測距；引信；彈丸

0 引言

目前的高炮，按其毀殲?zāi)繕?biāo)的特點可分為直接毀殲、間接毀殲和雙重毀殲3種方式。通過對現(xiàn)有高炮3種毀殲方式的分析，以提高毀殲概率為出發(fā)點，最有發(fā)展前景的方法是研制具有雙重毀殲方式的新型復(fù)合引信[1-2]。

新型的復(fù)合引信要想對空中目標(biāo)進(jìn)行有效地攔截和打擊，首先必須能對空中目標(biāo)進(jìn)行有效的探測。通過對目前國內(nèi)外先進(jìn)的對空彈藥工作機(jī)理的分析發(fā)現(xiàn)：對空中目標(biāo)的探測和攻擊，越來越多的采用被動式測量攻擊方法，即利用目標(biāo)在飛行過程中的自身特性，彈丸引信自行探測感知。其中，靜電探測引信以其獨特的抗電子干擾特性被人們所青睞。從部分公開資料中發(fā)現(xiàn)，國外從20世紀(jì)40年代開始就一直在進(jìn)行相關(guān)研究，并且已經(jīng)有相應(yīng)的研究成果使用在產(chǎn)品上。

如果想對現(xiàn)有高射炮彈丸引信有突破性發(fā)展，微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的引入必不可少。由于高射炮彈丸引信的工作環(huán)境很特別，尤其是小口徑彈丸引信，對電子器件提出了苛刻的要求，如：小型化、抗高過載、高可靠性、低功耗、成本低等。傳統(tǒng)的技術(shù)手段難以滿足這些要求，而MEMS器件則具有體積小、質(zhì)量輕、功能豐富以及批量生產(chǎn)成本低等特點，與彈丸引信技術(shù)發(fā)展的要求十分吻合。MEMS技術(shù)在國外受到了各發(fā)達(dá)國家軍方的廣泛關(guān)注，受到了高度重視。美國國防部高級研究計劃局也將MEMS技術(shù)在引信安全、引爆系統(tǒng)中的應(yīng)用作為一個重要領(lǐng)域大力開展研究。本文通過對空中目標(biāo)帶電特性的分析，提出利用MEMS技術(shù)和靜電探測技術(shù)相結(jié)合的方法對空中目標(biāo)進(jìn)行測距分析。

1 空中目標(biāo)帶電特性分析

空中目標(biāo)在飛行時會因摩擦、外場感應(yīng)、引擎燃燒等原因帶上靜電。然而，其所帶的電荷量也不會無限制地增加，在上述起電因素的共同作用下，空中目標(biāo)起電的同時，也存在著放電過程，當(dāng)積累的電荷超過其放電閡值時，將會發(fā)生放電。根據(jù)電磁場理論，空中目標(biāo)表面的電荷分布是不均勻的。對于全金屬外殼的空中目標(biāo)，可以將其表面看作等電位，而對于飛機(jī)等帶有塑料、玻璃鋼材料的目標(biāo)，其表面上的電位分布非常復(fù)雜。研究發(fā)現(xiàn)，空中目標(biāo)帶電特性有4個共同特性[3-5]，下面以飛機(jī)為例進(jìn)行闡述。

1.1 極低頻（ELF）變化特性

飛機(jī)起飛后，當(dāng)充放電流相等時，飛機(jī)為一瞬時恒等勢體。充放電流通常是壓強(qiáng)和溫度的函數(shù)，加上外界其他的變化因素，飛機(jī)的電勢是緩慢周期變化的。對于飛機(jī)的最大電勢值，在某一氣候條件下是由機(jī)身曲率最大處尖端的電暈放電閾值決定的。由于飛機(jī)飛行過程中充電，機(jī)身曲率最大處尖端電勢超過閾值，就在該處產(chǎn)生放電，使飛機(jī)電勢迅速降至最低，然后逐漸充電，至最大值再放電，如此周期變化，并表現(xiàn)出極低變化頻率的特性。經(jīng)測定美國Hind-D直升機(jī)電位變化的基頻為10Hz。因此，從嚴(yán)格意義上來說，飛機(jī)的靜電場是一種準(zhǔn)靜電場。

1.2 帶電數(shù)量巨大，難于去除

出于安全考慮，從20世紀(jì)初飛機(jī)發(fā)明以來，人們一直在設(shè)法削除飛機(jī)靜電。但由于電荷產(chǎn)生的固有機(jī)理，當(dāng)今飛機(jī)的帶電量仍是一個巨大的數(shù)值。據(jù)測量，噴氣飛機(jī)的帶電量可達(dá)10-3C，直升機(jī)的帶電量可達(dá)10-6～10-4C，巡航導(dǎo)彈可達(dá)10-5～10-3C，其電位一般為幾萬伏，最大可達(dá)500 kV，這一數(shù)值在上千米的距離內(nèi)可以被測得。因此，在這個電位上的飛機(jī)，很容易被一個安裝在彈丸上的小型靜電探頭檢測出來[4]。

1.3 受氣象條件影響較大

在擾動天氣條件下，大氣電場活動更加劇烈，飛機(jī)的電位受氣象因素，如溫度、氣壓、降水等影響很大。大氣中的各種降水粒子（如冰晶、雨滴、雪等）數(shù)量增大，目標(biāo)飛躍帶電云層的機(jī)會增多，飛機(jī)帶電變化更加大。通常，不同類型的降水粒子帶有不同大小和不同極性的電荷，且?guī)д姷慕邓Ｗ訑?shù)大于帶負(fù)電的降水粒子數(shù)，在此種情況下，飛機(jī)帶電量比晴天大。受這些因素的影響，飛機(jī)的電位不是一個恒定的量。

1.4 可近似為點目標(biāo)進(jìn)行探測

飛機(jī)表面大部分為金屬材料，其表面必定產(chǎn)生連續(xù)分布的表面電荷。利用空中目標(biāo)電荷的大致分布以及目標(biāo)周圍電場低頻變化的特性，對于被動式靜電探測系統(tǒng)，可將飛機(jī)近似為點目標(biāo)。經(jīng)Matlab軟件進(jìn)行仿真計算及理論分析得出：對于被動式靜電探測系統(tǒng)，當(dāng)空中目標(biāo)與探測器距離大于目標(biāo)3～6倍以上時，可將目標(biāo)視為點目標(biāo)，且當(dāng)探測距離在10 km范圍以內(nèi)，可將目標(biāo)的電場當(dāng)作靜電場進(jìn)行測量[6]。

通過以上對空中目標(biāo)帶靜電特性的分析，可以得出：空中目標(biāo)帶電特性是不會消失的，且?guī)щ娏烤薮螅床捎渺o電探測的方法是可行的；在極低頻變化的情況下，在一很短的時間段內(nèi)，是可以認(rèn)為空中目標(biāo)所帶電荷量恒定，及周圍電場為靜電場；在一定距離范圍內(nèi)可以把空中目標(biāo)作為點目標(biāo)進(jìn)行分析。這些條件的成立，將大大降低靜電測距的難度。

2 MEMS加速度傳感器的選型

在本研究中，所需MEMS器件是加速度傳感器，其安裝位置主要是高射炮彈丸引信內(nèi)。目的是利用所選傳感器測量的加速度信號來控制彈丸的安全系統(tǒng)、探測系統(tǒng)及發(fā)火系統(tǒng)。由于工作環(huán)境的限制，選擇傳感器時，主要考慮的因素有體積、測量范圍、抗過載能力、測量精度等。

為了便于選取合適本研究的傳感器，對現(xiàn)有幾種常用MEMS加速度傳感器進(jìn)行了研究[7-8]，并對其各自性能特點進(jìn)行簡單歸納，結(jié)果如表1所示。

表1 幾種MEMS加速度傳感器的性能對比表

高射炮彈丸引信的工作環(huán)境極其惡劣，其內(nèi)部空間十分狹小，對傳感器體積要求十分苛刻；彈丸出口速度很高，最大能達(dá)到幾萬個g的過載；所選用的傳感器主要應(yīng)用于連續(xù)測量彈丸外彈道的小量程加速度，同時還將用于引信的安全系統(tǒng)和發(fā)火系統(tǒng)中，因此對所選傳感器的可靠性和安全性能要求很高，而且應(yīng)具有一定的通用性。以上是對所選傳感器工作環(huán)境的分析。通過簡單分析可以發(fā)現(xiàn)：必須選取MEMS傳感器，同時所選MEMS傳感器不僅能正常測量小量程的加速度信號，即使經(jīng)受大的沖擊后依然能正常對小加速度信號進(jìn)行測量。

然而，動態(tài)測試領(lǐng)域中傳感器的高過載低量程是一個矛盾，主要是因為靈敏度與抗沖擊過載的矛盾。要承受強(qiáng)烈的高過載力的沖擊而不損壞，就要求有堅固的結(jié)構(gòu)；而低量程加速度的測量，則要求敏感軸要薄弱靈敏。在傳統(tǒng)加速度傳感器上，想二者同時兼顧，難度較大。

通過表1可以看出：滿足抗高過載要求的只有壓阻式加速度傳感器及熱對流式加速度傳感器。然而通過對兩者結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，壓阻式加速度傳感器屬于傳統(tǒng)式加速度傳感器，抗高過載和低量程在該型傳感器上不能實現(xiàn)。熱對流式加速度傳感器是一種新型的加速度傳感器，其工作原理是基于加熱氣流產(chǎn)生對流的原理。同傳統(tǒng)的實體質(zhì)量塊相比，這種加速度傳感器具有很大的優(yōu)勢，它不存在電容式傳感器所存在的粘連、顆粒等問題，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，具有較高的靈敏度和較好的線性，還具有較寬的工作頻帶，能夠測量靜態(tài)/動態(tài)加速度，并且能抵抗大于50000g的沖擊[9]。該型傳感器屬于高過載低量程加速度傳感器，可解決在偶爾的高沖擊環(huán)境下對微小加速度的測量。

3 靜電測距工作原理

將一個不帶電的導(dǎo)體放入外電場中，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子在外電場的作用下，沿著與外電場相反的方向移動，使導(dǎo)體的一端感應(yīng)出與源電荷極性相反的電荷，另一端則感應(yīng)出與源電荷極性相同的電荷，這種導(dǎo)體因為受到外電場的影響而在表面上出現(xiàn)電荷的現(xiàn)象稱為靜電感應(yīng)現(xiàn)象，這些電荷稱為感應(yīng)電荷[4]。

短路軸向電極探測法，是非接觸式感應(yīng)探測方法在引信上的一種應(yīng)用，原理如圖1所示，其原理即是利用上面所述的靜電感應(yīng)現(xiàn)象。該探測方法的探測器是由一對相互平行放置的金屬探測極板A、B組成，其中A電極作為探測極板，而B電極作為整個探測系統(tǒng)的參考地，這樣一對金屬探測電極可以等效為一個電容C。工作時，極板所探測的信號由電流檢測電路處理后傳送給微處理器，信號經(jīng)過微處理器綜合分析，將最終引爆的指令發(fā)送給執(zhí)行級，完成彈丸引爆。美國的新一代被動式靜電引信即是利用該種探測方法研制而成，該引信可以探測到模擬飛機(jī)目標(biāo)[6]。

圖1 短路軸向電極探測原理圖

短路軸向電極探測法注重對目標(biāo)位置信息的測量，引信的起爆位置選擇在距離目標(biāo)最近的位置，但其對作用距離不具有可選擇性。現(xiàn)結(jié)合前文所選取的MEMS加速度傳感器，對現(xiàn)有的短路軸向電極探測法進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到靜電測距的目的。

由靜電理論知，對一帶靜電量為Q的空中目標(biāo)，探測器處的電位、電場強(qiáng)度滿足如下關(guān)系式：

式中：V——探測器處的電位；

Q——空中目標(biāo)上的總的荷電量；

ε——空氣的介電常數(shù)；

R——空中目標(biāo)與探測器的距離；

E——空中目標(biāo)荷電量在探測器處的電場強(qiáng)度。

容易看出，靜電探測器處的電位和電場強(qiáng)度除了受探測器到帶電體的距離R影響之外，還受到環(huán)境介質(zhì)、帶電體電量等多種因素的影響。這樣靜電探測器測量到的電位、電場強(qiáng)度等量值并不能直接反映探測器和目標(biāo)之間的距離信息。如果空中目標(biāo)靜電變化頻率極低，在一很短的時間段內(nèi)（通常只有幾百甚至幾十毫秒的時間），可以認(rèn)為空中目標(biāo)所帶電荷量恒定。同時在探測器與目標(biāo)交會的過程中，空中目標(biāo)的速度和外形結(jié)構(gòu)等因素也基本保持不變，可以認(rèn)為空中目標(biāo)所帶電量及空間介質(zhì)的介電常數(shù)均為常量。這樣影響式（1）和式（2）結(jié)果的就只有探測器與空中目標(biāo)間距離等因素。以上即是該測距方法實施的前提條件，下面將對該測距方法工作方式進(jìn)行具體介紹。

首先，利用MEMS加速度傳感器測量探測器的加速度a和速度ν。具體過程為：當(dāng)微加速度傳感器開始測量探測器加速度時，微處理器時鐘開始計時，并記錄此時探測器的加速度，此后微加速度傳感器連續(xù)測量探測器加速度和飛行時間。根據(jù)探測器飛行時間和該時刻的加速度，就可以計算出任意時刻探測器的速度ν。

其次，計算探測器飛行距離S。設(shè)某一時刻t1，探測器加速度為a1，飛行速度為ν。飛行時間Δt后，在時刻t2測得探測器加速度為a2，由牛頓定律可知探測器飛行的距離S為

其中，Δt=t2-t1；a∈[a1，a2]。

最后，計算探測器與目標(biāo)的實際距離R。設(shè)在t1時刻，探測器與目標(biāo)距離為R1，靜電探測系統(tǒng)測得極板AB間電位差為V1；在t2時刻，探測器與目標(biāo)的距離為R2，靜電探測系統(tǒng)測得極板AB間電位差為V2。由于極板B接地，故此處AB間的電位差即是探測器位置的電位。由式（1）可知：

則得：

因R1-R2=S，故目標(biāo)所帶總的電荷量為

探測器從開始到進(jìn)入探測器與目標(biāo)交合區(qū)，時間很短，只有幾秒的時間，對地面防空武器系統(tǒng)而言，外界環(huán)境的變化可以忽略，可以認(rèn)為所帶電量是個常量，空間介質(zhì)的介電常數(shù)也是常量，因此，將式（6）代入式（5），可得

在開始階段，選取幾個時間段，可得n個Q值，取均值后得E（Q），即可認(rèn)為E（Q）是目標(biāo)實際所帶的荷電量。此時，認(rèn)為空間介質(zhì)常數(shù)ε為常量，則

將式（8）代入式（4），只要測得在任意時刻t極板AB間的電位差Vt，即可求出探測器與目標(biāo)的實際距離R為

其中，極板AB間的電位差Vt由靜電探測電路測出。故用此改進(jìn)方法可以使短路軸向電極探測方法不僅能及時反映彈丸與目標(biāo)交會時的彈目距變化情況，一定條件下也可以測得彈目距的真實數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

通過對空中目標(biāo)帶電特性的分析，得出了本文所采取的靜電測距方式成立的條件，同時證明所選測距方法的可行性。高炮引信工作環(huán)境惡劣，給MEMS加速度傳感器的選型帶來很大困難。通過對比分析，現(xiàn)有技術(shù)條件下能夠制造出滿足條件的加速度傳感器。最后，利用MEMS技術(shù)和靜電探測技術(shù)相結(jié)合的方法對空中目標(biāo)進(jìn)行測距分析，從理論層次證明了該測距方法的可行性，為彈丸對空中目標(biāo)進(jìn)行有效打擊提供很好的工作平臺和理論技術(shù)支持。該項研究對提高高射炮彈丸對空中目標(biāo)的毀傷概率、提升我國防空武器的作戰(zhàn)性能具有一定意義。

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Research on electrostatic ranging for air targets based on MEMS sensor

FANG Li-qing，CHEN Kai，ZHANG Lei
（Departmant of Artillery Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

Through investigating the existing advanced MEMS sensor technology and static detection technology at home and abroad，the authors put forward a electrostatic ranging method by combining the MEMS sensor with static detection technology.With the theoretical analysis method，this paper expounds the method to detect the air targets，and the working mechanism of the method to determine distance between the probe and the target，which lays the foundation for achieving the best explosion of the projectile.At the same time，it can provides the technical supports for developing the new composite fuze which meets the requirements of quick decision contact fuze or proximity fuze at the battlefield，this will be help for improve kill probability for present anti-aircraft guns.

MEMS sensor；electrostatic ranging；fuze；projectile

P215；O441.5；TP212.1；TJ410.3+3

A

1674-5124（2013）03-0006-04

2012-07-11；

：2012-09-08

房立清（1969-），男，河北欒城縣人，教授，研究方向為武器實驗、性能檢測與故障診斷。