硬目標(biāo)侵徹引信計(jì)層技術(shù)現(xiàn)狀與展望

于潤祥，石庚辰

（機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京分部，北京 100081）

0 引言

自海灣戰(zhàn)爭以來，無論武器的威力還是打擊精度都在迅速提高，因此不同形式的防護(hù)目標(biāo)相繼出現(xiàn)，例如指揮控制中心、彈藥庫、機(jī)庫、航母等。為了對這些防護(hù)能力強(qiáng)的高價(jià)值目標(biāo)進(jìn)行有效攻擊，出現(xiàn)了硬目標(biāo)侵徹武器。在硬目標(biāo)侵徹武器的發(fā)展中，硬目標(biāo)侵徹引信技術(shù)的地位至關(guān)重要，將其配備于航空炸彈、鉆地導(dǎo)彈、反航母戰(zhàn)斗部等，可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的最大毀傷效果。硬目標(biāo)侵徹引信一般具有定時(shí)、計(jì)行程、計(jì)層數(shù)／空缺、介質(zhì)識別等功能［1－2］。具有在高過載條件下能夠自適應(yīng)起爆的功能，主要通過高g值加速度傳感器或者加速度閾值開關(guān)來敏感彈丸的侵徹狀態(tài)，對獲取的信號進(jìn)行相關(guān)的處理，提取彈丸與侵徹介質(zhì)的相對狀態(tài)，最后利用控制器來實(shí)時(shí)地判斷是否起爆彈藥。

多層硬目標(biāo)侵徹引信由于作用方式多樣化，靈巧化，能夠自適應(yīng)的感知目標(biāo)信息，所以與常規(guī)的機(jī)電引信相比，涉及的技術(shù)要相對復(fù)雜。目前歐美軍事強(qiáng)國已經(jīng)發(fā)展了多個(gè)系列的侵徹硬目標(biāo)引信并將其裝備到部隊(duì)，且在實(shí)戰(zhàn)中發(fā)揮了巨大的威力。國內(nèi)根據(jù)實(shí)際的戰(zhàn)場需要，也發(fā)展了相關(guān)的侵徹彈藥，但是與歐美等國相比還是存在一定的差距［3］。

為了促進(jìn)我國侵徹引信的發(fā)展，對硬目標(biāo)侵徹領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)行了梳理；歸納與分析目前硬目標(biāo)侵徹引信所涉及的技術(shù)難點(diǎn)，在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，通過尋找新的技術(shù)途徑，才可能解決所涉及的難題。

1 多層硬目標(biāo)侵徹引信研究現(xiàn)狀

我國在多層侵徹硬目標(biāo)引信領(lǐng)域起步較晚，但是發(fā)展的很快，已有相關(guān)的引信配備于戰(zhàn)斗部。可用于反機(jī)場跑道侵徹彈、鉆地彈、反艦戰(zhàn)斗部等［4］。主要起爆方式還是以定時(shí)起爆為主，因此毀傷效能有限。目前相關(guān)單位圍繞著侵徹機(jī)理、高g值傳感器、信號處理等做了系統(tǒng)的研究，取得了一系列的成果。

歐美國家一直引領(lǐng)著侵徹智能引信的發(fā)展，每年的美國引信年會(huì)都會(huì)涉及侵徹引信方面的最新研究報(bào)道［5－8］。目前比較典型的多層硬目標(biāo)侵徹引信包括硬目標(biāo)靈巧引信（HTSF）、硬目標(biāo)空缺感知引信（HTVSF）、可編程智能多用途引信（PIMPF）。

其中HTSF硬目標(biāo)智能引信在ATK公司經(jīng)過幾年的改進(jìn)后仍未解決其存在的技術(shù)問題，主要是定深問題。美軍啟動(dòng)了HTSF的后續(xù)研究，這就是被稱為HTVSF的硬目標(biāo)空缺感知引信，HTVSF提出的技術(shù)指標(biāo)主要包括：（1）侵徹硬度不低于具有10 000（lb／in2）抗力的混凝土目標(biāo)時(shí)仍能正常工作；（2）空缺敏感；（3）可座艙裝定；（4）引信具有良好的可生產(chǎn)性與高可靠性。

表1 HTSF、HTVSF、PIMPF三種引信系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)對比Tab.1 Contrast study on main technical of HTSF、HTVSF、PIMPF

由表1可見HTVSF是HTSF的縮水版，其作用模式中已經(jīng)沒有了HTSF所要求的計(jì)行程起爆模式。從我國研究的情況看，鑒于目標(biāo)的復(fù)雜性（鋼筋、石塊的尺度、硬度、分布等）、著角的散布、加速度計(jì)的精度等多方面的影響，計(jì)行程、深度的誤差很難達(dá)到50%以下，沒有實(shí)用價(jià)值。說明國外對產(chǎn)品性能廣告性的宣傳，不可全信。包括有關(guān)報(bào)道中提到的侵徹60m深度，以其速度、質(zhì)量、阻力計(jì)算，從理論上都講不通。

從某種意義上來說，PIMPF已經(jīng)符合了美國的HTVSF技術(shù)需求。由于PIMPF已經(jīng)成功裝備了德國的TAURUS空地導(dǎo)彈，并已經(jīng)被瑞典選為新一代反艦導(dǎo)彈NSM的引信，說明該產(chǎn)品的可靠性已經(jīng)得到了肯定。

從上可得出一個(gè)結(jié)論：高準(zhǔn)確度的穿層算法、高可靠性已經(jīng)成為硬目標(biāo)侵徹引信應(yīng)首要滿足的指標(biāo)要求。

2 多層硬目標(biāo)侵徹引信關(guān)鍵技術(shù)

多層硬目標(biāo)侵徹引信是一種在侵徹過程中，具有自適應(yīng)控制起爆的智能引信，主要涉及傳感與控制領(lǐng)域的技術(shù)，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。目標(biāo)探測裝置用于探測彈丸碰目標(biāo)時(shí)目標(biāo)特性的檢測，得到彈丸侵徹目標(biāo)過程的減加速度，經(jīng)過信號處理與控制裝置的處理，可得到彈丸的穿層數(shù)量或彈丸在目標(biāo)中的行程，并根據(jù)預(yù)定的起爆條件，控制彈丸在穿過預(yù)定的層數(shù)后或到達(dá)預(yù)定的侵徹深度后起爆，達(dá)到最大的毀傷效果。

從目前發(fā)表的有關(guān)侵徹引信的研究論文來看，以對傳感器與信號處理的研究居多，而對計(jì)層算法的研究相對較少。

圖1 硬目標(biāo)侵徹引信系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System composition block diagram of hard target penetrating fuze

2.1 信號獲取與處理方式

要想對彈丸穿層進(jìn)行正確的計(jì)數(shù)，首先要獲取正確的穿層信號。當(dāng)前主要使用高g值加速度傳感器和加速度閾值開關(guān)來獲取最原始的彈丸穿層時(shí)的加速度信號［9－10］。得益于 MEMS技術(shù)的快速發(fā)展，由于多層侵徹過程中，減加速度幅值一般低于10萬g，因此基于MEMS技術(shù)的高g值傳感器基本可以滿足多層侵徹用對加速度傳感器的需求。加速度開關(guān)也可以用于多層侵徹過程中對空缺和穿層的技術(shù)，但是由于高頻振動(dòng)，容易引起誤操作，一般和加速度傳感器結(jié)合起來使用。

多層侵徹硬目標(biāo)信號是一種典型的非平穩(wěn)隨機(jī)信號。對其貢獻(xiàn)最大的兩種組成信號是彈丸碰目標(biāo)時(shí)的過載信號和彈丸結(jié)構(gòu)振動(dòng)造成的擾動(dòng)信號。其中彈丸的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號是干擾信號，如何去除干擾信號是準(zhǔn)確計(jì)層的基礎(chǔ)，因此針對不同的情況，需要研究合適的去噪方法。

對于通過加速度傳感器獲取的穿層信號，一般進(jìn)行濾波，將高頻響應(yīng)信號濾除，獲取剛體過載信號，一般有機(jī)械濾波和電氣濾波兩種濾波方式。其中機(jī)械濾波是從緩沖和對應(yīng)力波進(jìn)行衰減的角度進(jìn)行濾波。一般使用緩沖材料進(jìn)行機(jī)械濾波，將引信與彈丸通過緩沖材料隔離開，其主要的機(jī)理是利用應(yīng)力波在不同界面處會(huì)發(fā)生透射與反射衰減，從而將高頻響應(yīng)信號濾除。圖2是文獻(xiàn)［11］使用橡膠墊進(jìn)行機(jī)械濾波前后的沖擊信號對比圖，從圖中可以看出，濾波后的信號比較平緩，可以濾除高頻信號。機(jī)械濾波受緩沖材料的特性影響，不同的材料對濾波的截止頻率的影響不同，需要在多次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上合理的選取截止頻率。

圖2 沖擊加速度信號機(jī)械濾波圖Fig.2 Mechanical filter diagram of impact acceleration

電氣濾波同樣面臨如何選取合理截止頻率的問題。文獻(xiàn)［12］對獲取的侵徹加速度信號進(jìn)行了電氣濾波。首先對彈丸進(jìn)行模態(tài)分析，并將實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析，選取合適的截止頻率進(jìn)行濾波，從而獲取相應(yīng)的剛體過載。由于利用LSDYNA進(jìn)行模擬仿真時(shí)，彈丸視為剛體，無法得到彈丸在侵徹過程中的真實(shí)約束條件，因此根據(jù)模擬的各階頻率選取截止頻率與實(shí)際是存在差別的。

文獻(xiàn)［13］針對濾波截止頻率難以準(zhǔn)確地確定，提出使用相關(guān)濾波法對侵徹加速度信號進(jìn)行去噪，并指出使用半正弦信號作為與侵徹加速度進(jìn)行相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)信號，利用FPGA實(shí)現(xiàn)對侵徹兩層混凝土信號進(jìn)行相關(guān)，有效地抑制了噪聲信號。該方法未在實(shí)際中應(yīng)用，有效性尚未得到驗(yàn)證。

文獻(xiàn)［14］將仿真過載信號利用小波變換逐層分解，得到了信號中各頻率成分的時(shí)頻分布圖，提取了彈丸的剛體加速度信息。文獻(xiàn)［15］利用小波分析將硬目標(biāo)侵徹加速度信號進(jìn)行分解，獲取特征信號。由于小波變換是一種線性變換，只能根據(jù)信號的特征選擇小波基，一旦確定下來小波基，在整個(gè)分解過程不能更換小波基，因此對不同的侵徹加速度信號，誤差可能較大。

隨著信號處理技術(shù)的快速發(fā)展，可以使用現(xiàn)代信號處理方法對多層侵徹信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，從而獲取侵徹信號的特征。文獻(xiàn)［16］系統(tǒng)的對侵徹加速度信號進(jìn)行了研究。在Hilbert－Huang變換理論的基礎(chǔ)上，利用總體經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法（EEMD）對侵徹加速度信號進(jìn)行分解，得到一系列的固有模態(tài)函數(shù)（IMF）。每階的IMF分量體現(xiàn)了侵徹加速度信號高頻和低頻信號的組成成分，與彈體在錘擊實(shí)驗(yàn)條件下得到的振動(dòng)規(guī)律基本吻合，證明EEMD算法能夠有效地提取侵徹加速度信號的穿層特征。針對EEMD算法硬件實(shí)現(xiàn)困難，提出匹配相關(guān)算法，其本質(zhì)上是一種互相關(guān)算法。通過對多層侵徹加速度信號進(jìn)行兩次互相關(guān)運(yùn)算，獲取了準(zhǔn)確的侵徹特征，原理如圖3所示。由于要進(jìn)行多次FFT變換，不適用于實(shí)時(shí)性要求高的侵徹場合。

圖3 侵徹加速度信號相關(guān)匹配原理Fig.3 Autocorrelation matching principle of penetration acceleration

2.2 計(jì)層技術(shù)

對于侵徹多層硬目標(biāo)時(shí)的層數(shù)識別問題，包括兩方面的問題，即軟件算法和硬件實(shí)現(xiàn)問題。文獻(xiàn)［17］提出了一種過載閾值識別法計(jì)層原理，其本質(zhì)與文獻(xiàn)［18］論述的基于幅值的計(jì)層原理是相同的。其思路為：對侵徹加速度信號濾波，得到如圖4（a）所示的過載信號；該過載信號只含有濾波后侵徹加速度成分（考慮到濾波后侵徹振動(dòng)加速度的能量相對較小，將其視為零），其中，每一個(gè)濾波后侵徹加速度信號均代表侵徹一層靶板。通過電壓比較器將該過載信號轉(zhuǎn)化為圖4（b）所示的脈沖信號，比較器的比較電壓（電壓閾值）對應(yīng)過載閾值，每一個(gè)脈沖信號均代表侵徹一層靶板，為了抗干擾，對加速度信號增加延時(shí)比較功能，只有當(dāng)侵徹加速度大于設(shè)定閾值一定時(shí)間后才認(rèn)為是真正侵徹一層目標(biāo)。將脈沖信號送入微控制器，當(dāng)脈沖數(shù)等于設(shè)定的層數(shù)時(shí)，給出起爆信號，達(dá)到層數(shù)識別的目的。

上述中的閾值識別法只對侵徹多層信號特征明顯的信號有效，文獻(xiàn)［19］針對侵徹過載信號出現(xiàn)粘連的現(xiàn)象，提出了一種基于加速度傳感器和開關(guān)信號融合的計(jì)層算法。圖5（a）和圖5（b）分別為通過加速度傳感器和MEMS開關(guān)獲取的多層侵徹信號。由于應(yīng)力波衰減的比較慢，過載信號與高頻響應(yīng)信號混疊在一起，利用濾波的方法，無法有效地提取穿層特征。該算法通過對加速度傳感器和MEMS開關(guān)信號分別與不同窗函數(shù)在時(shí)域中的卷積加權(quán)和得到復(fù)合信號來判斷彈丸侵徹過程中的分層特征。

圖4 過載閾值法識別原理Fig.4 Principle of overload threshold method

圖5 基于加速度信號和開關(guān)信號融合的計(jì)層原理Fig.5 Algorithm based on fusion of acceleration sensor and MEMS impact switch signals

復(fù)合信號的公式可以表述為；

其中α，β為權(quán)值，g1（t），g2（t）為加速度輸出信號與MEMS開關(guān)輸出的信號分別與窗信號進(jìn)行卷積后得到的特征信號。圖5（c）為最后得到的復(fù)合信號，可以看出，融合后的復(fù)合信號特征明顯，清晰地表述了穿層特征，從而可以使用幅值檢測法對層數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。該算法需要大量靶場試驗(yàn)數(shù)據(jù)來統(tǒng)計(jì)確定權(quán)值，才可得到準(zhǔn)確的復(fù)合信號。

綜合目前相關(guān)的研究文獻(xiàn)，侵徹信號的獲取與處理可歸納為：（1）先獲取信號再處理的原則。通過壓電或者壓阻式加速度傳感器獲取準(zhǔn)確的加速度信號，再進(jìn)行一系列的信號處理，獲取表述侵徹狀態(tài)的信息。（2）先濾波再獲取信號的原則。先采用機(jī)械濾波的方法，將引起高頻振動(dòng)的應(yīng)力波反射或者隔離一部分，再通過傳感器獲取相對光滑的信號，然后提取響應(yīng)的穿層信息。

3 多層侵徹硬目標(biāo)技術(shù)展望

雖然近幾年多層硬目標(biāo)侵徹技術(shù)取得了長足的發(fā)展，但是還存在一些需要深入研究的問題。

3.1 新原理傳感檢測技術(shù)的研究

彈丸與彈速及侵徹目標(biāo)的特性對計(jì)層起爆方法影響很大。當(dāng)彈丸較短、彈速較小時(shí)，由于彈丸的振動(dòng)響應(yīng)衰減的比較快，獲取的侵徹信號特征明顯，如圖6所示。因?yàn)橛?jì)層起爆方式不需要獲取準(zhǔn)確的過載信號，所以穿層信號特征明顯，信號處理相對簡單。但是當(dāng)彈丸較長，彈速較高時(shí)，彈體結(jié)構(gòu)響應(yīng)衰減慢，造成層與層過載信號相互粘連，無法有效對穿層進(jìn)行識別，如圖7所示?？梢栽趶椡枧c加速度傳感器之間添加緩沖墊，進(jìn)行濾波隔離，衰減振動(dòng)過程中產(chǎn)生的高頻應(yīng)力波；研究具有機(jī)械濾波作用的新型加速度傳感器，比如在普通加速度傳感器的基礎(chǔ)上，增加隔振元件，使傳感器能夠衰減應(yīng)力波，本質(zhì)上與緩沖墊濾波是一個(gè)道理。

圖6 低速小彈丸侵徹多層硬目標(biāo)時(shí)加速度曲線Fig.6 The penetration acceleration curve for multi－plate hard target of low speed projectile

圖7 高速長彈丸侵徹多層硬目標(biāo)時(shí)加速度曲線Fig.7 The penetration acceleration curve for multi－plate hard target of long projectile with high speed

在穿層過程中，對于侵徹不同的硬目標(biāo)，使用不同檢測原理的傳感器，獲取的穿層信號有很大的差異。侵徹多層金屬硬目標(biāo)時(shí)，在保證彈體強(qiáng)度的條件下，可在彈體上安裝電渦流傳感器，利用電渦流效應(yīng)只對金屬敏感的原理，提取侵徹多層金屬目標(biāo)的信息。

3.2 侵徹多層硬目標(biāo)計(jì)層算法的硬件實(shí)現(xiàn)

目前單片機(jī)在實(shí)現(xiàn)算法上實(shí)時(shí)性差，相關(guān)文獻(xiàn)研究了侵徹信號提取算法，只仿真了算法的有效性，未見硬件實(shí)現(xiàn)。對復(fù)雜的侵徹信號提取算法，控制器需要耗費(fèi)過多的時(shí)間對信號處理以提取層數(shù)，而計(jì)層算法要求實(shí)時(shí)性高，如果耗時(shí)過長，即使層數(shù)能夠準(zhǔn)確地提取出來，彈丸已經(jīng)穿過預(yù)定層。隨著DSP、FPGA等控制器的發(fā)展，可以考慮用DSP數(shù)字信號處理器或者FPGA等硬件邏輯器件來實(shí)現(xiàn)計(jì)層算法的可能性及有效性。

3.3 多層硬目標(biāo)侵徹模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研究

目前對多層硬目標(biāo)侵徹的實(shí)驗(yàn)研究一般采用縮比彈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。但由于彈長的問題，采用縮比的方法很難真實(shí)地反應(yīng)實(shí)際情況，尤其是彈體振動(dòng)的影響，對于穿層的識別考核，難以反應(yīng)真實(shí)情況。因此，深入研究簡單有效的模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)是侵徹硬目標(biāo)引信發(fā)展的重要關(guān)鍵技術(shù)之一。

4 結(jié)論

歸納了國內(nèi)外侵徹多層硬目標(biāo)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。指出多層硬目標(biāo)侵徹引信涉及的關(guān)鍵技術(shù)有：侵徹信號獲取與處理方式、計(jì)層算法的研究及其實(shí)現(xiàn)。對于信號獲取與處理，可以先通過機(jī)械濾波，對高頻振動(dòng)信號進(jìn)行衰減，再利用傳感器獲取侵徹信號；或者對獲取的信號進(jìn)行一般的電氣濾波、相關(guān)濾波、小波分析、EEMD等相關(guān)的信號處理方式。并且指出，對于低速、長徑比小的彈丸，穿層獲取的侵徹信號特征明顯，能夠清晰地分辨出穿層和非穿層（自由飛行）狀態(tài)，可以準(zhǔn)確地對層數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。對于高速、長徑比大的彈丸，信號混疊嚴(yán)重，現(xiàn)有的信號處理等技術(shù)難以準(zhǔn)確地計(jì)算層數(shù)。最后，作出要在新原理傳感檢測技術(shù)、計(jì)層算法的硬件實(shí)現(xiàn)、硬目標(biāo)侵徹模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)等方面進(jìn)入深入研究的展望。

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