彈載彈丸參數測試技術的研究

楊　文，于文松，裴東興，張　瑜，祖　靜，2*

（1.中北大學計算機與控制工程學院，太原030051；2.中北大學電子測試技術重點實驗室，太原030051）

彈載彈丸參數測試技術的研究

楊文1，于文松1，裴東興1，張瑜1，祖靜1，2*

（1.中北大學計算機與控制工程學院，太原030051；2.中北大學電子測試技術重點實驗室，太原030051）

針對目前采用外彈道測試技術測量彈丸轉速，炮口初速及章動參數難度大，裝置復雜等問題，設計了彈載彈丸參數測試系統。該系統采用CC430芯片作為主控芯片，集控制功能和無線發送數據于一體。利用動態存儲測試技術采集和存儲地磁傳感器產生的感應電動勢信號，提出了解算彈丸炮口初速和基于希爾伯特變換法提取信號包絡解算章動參數的新算法。通過對某型殺爆彈數據的分析，所得彈丸參數均在理論范圍值內。

CC430；地磁傳感器；動態存儲測試；希爾伯特變換

對彈丸轉速，炮口初速及章動參數的精確測量對火炮的設計和精確打擊目標具有重要意義。目前，多采用雷達測速法，區截裝置測試法，紙靶法等對彈丸炮口初速和章動參數進行測量。這些方法都屬于外測法，容易受到外部環境的影響，并且測試裝置比較復雜。本文介紹了一種基于動態存儲測試技術和無線射頻傳輸技術的彈載彈丸參數測試系統，通過精確測得的彈丸轉速提出了解算彈丸炮口初速和章動參數的新方法［1-5］。

1　測試系統的工作原理

測試系統主要由CC430單片機、地磁傳感器、ADC轉換器、FLASH存儲器組成。系統的原理框圖如圖1所示。在實彈發射前，測試系統處于低功耗狀態。上電信號到來后，系統開始循環采樣，并把數據存儲在RAM中。當炮彈發射時，產生內觸發信號，單片機開始高速采集地磁線圈隨彈丸旋轉切割地磁場產生的信號，并把數據存入閃存，直至到達落點接收機通過無線收發裝置讀取數據［6-9］。

圖1　彈載彈丸轉速-炮口初速測試系統

收稿日期：2015-05-06修改日期：2015-06-06

2　測試系統的設計

2.1地磁傳感器的設計

地磁傳感器的實物圖如圖2所示，薄膜線圈式傳感器貼于單體外殼表面，根據法拉第電磁感應定律測量彈丸的轉速。當彈丸高速自旋時，薄膜線圈切割地磁線產生感應電動勢，通過感應電動勢的變化可以測出彈丸的轉速參數［10］。

圖2　薄膜線圈式地磁傳感器

2.2放大濾波電路的設計

地磁傳感器的輸出感應電動勢信號是mV，所以需要使用放大電路對信號放大。由于地磁傳感器會輸出負壓信號，需要給輸入端一個共模電壓。輸入與輸出電壓的關系為：Vout=（Vin+-Vin-）G+VREF。其中，Vin+-Vin-為差動輸出，VREF為正偏電壓，G為放大倍數。為去除噪聲干擾，運用大電阻、小電容組合設計了二階低通濾波器。放大、濾波電路圖分別如圖3和圖4所示。

圖3　放大電路原理圖

圖4　濾波電路原理圖

3　彈丸參數的測量

3.1彈丸轉速的測量

彈載彈丸參數測試系統隨彈飛行模擬圖如圖5所示。彈丸射出炮口后會沿彈道高速自旋，彈丸自旋時地磁線圈會切割磁場線產生感應電動勢E，地磁線圈匝數為N，磁通量為φ，彈丸轉速為w，θ為線圈旋轉角度，S為線圈面積，B為地磁場強度，γ為彈丸軸線與地磁場間夾角。有

圖5　彈丸飛行模擬圖

當彈丸在出炮口的一段時間內彈丸運動軌跡近似一條直線，因此γ幾乎不變。由推導可知，當sinθ取最大值時，地磁傳感器輸出的感應電動勢E=-NBS·sinγ·w。

圖6和圖7分別為某型彈丸的實測轉速信號曲線圖和其100 ms內的展開圖。

圖6　轉速信號曲線圖

由圖7可知，第1階段為0～17 ms，由于彈丸在炮膛內運動，炮膛產生了一定的屏蔽導致輸出信號較弱，第2階段是在炮口處產生了爆破，引起的巨大沖擊所致，第3階段的信號是比較規律的正弦波。由轉速測試原理可知，轉速即為輸出正弦信號的頻率。將數據經過小波降噪后，基于求零點的方法得出半個周期的轉速，連續求出相鄰周期的平均轉速再進行擬合，即可得到某一時間段的平均轉速。

圖7　100 ms內信號展開圖

表1為彈丸出炮口后1 s內的測量轉速值與理論值的對比結果，理論值與實測轉速的相對誤差小于3%，滿足測試精度要求。

表1　彈丸1 s內測量與理論轉速值

3.2彈丸炮口初速的解算

膛線繞炮彈旋轉一周，在軸向移動的長度稱為膛線的纏度，用η表示，D為彈丸口徑。彈丸在膛內旋轉2π，其軸向距離為ηD，有，其中dθ為在dt時間內彈丸旋轉的角度，dl為彈丸在dt時間內彈丸軸向運動的距離。兩邊同除以dt，有，則v=.其中η與D都是確定值。運用轉速解算炮口初速的結果與雷達測試結果如表2所示。

表2　炮口初速解算值與雷達測試結果

3.3章動參數的解算

彈丸出炮口后，一方面沿著彈軸高速自轉，另一方面沿著彈道的切線做周期的擺動，即章動。隨著彈丸的飛行章動的角度會不斷變化，章動周期和章動角的獲得對分析彈丸的飛行姿態及彈丸設計具有重要意義。圖8為彈丸有章動的飛行模擬圖，在有章動的情況下地磁傳感器產生的感應電動勢為E1，E1=·S·cosθ·sin（γ+δ）］。

僅由彈丸自旋產生的感應電動勢

E=-NBS·sinγ·w，而E1=-NBS·sin（γ+δ）·w，

則可求得章動角δ。

圖8　彈丸有章動模擬圖

對轉速信號濾波和去除基線處理后，通過希爾伯特變換法提取轉速信號包絡即為彈丸的章動曲線如圖9所示。從圖9可看出，彈丸的章動曲線近似于正弦信號。通過對曲線的分析，得出彈丸在0～3 s的章動周期值見表3。所得結果與理論分析相符，彈丸出炮口后章動角會逐漸變小，說明彈丸在飛行過程中逐漸趨穩，未發生空翻等異常現象。

圖9　彈丸章動曲線圖

表3　某型彈3 s內的章動周期值　單位：s

4　結束語

本文提出了一種基于動態存儲測試技術運用彈丸轉速信息解算彈丸參數的新方法。該系統以CC430單片機為主控芯片，集數據采集、存儲和無線傳輸于一體。克服了傳統外測法測試裝置復雜，易受環境干擾難以獲得完整數據的困難。設計系統實驗測試結果與傳統外測法測得的結果基本一致，說明該系統運行可靠，并簡單易行。

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楊文（1987-），男，漢族，湖北荊州人，碩士，研究方向為動態測試與智能儀器，yangwen8136@163.com；

祖靜（1933-），男，漢族，北京人，教授，博士生導師，主要研究方向為儀器科學與技術，動態測試與智能儀器等，Jingzu@pubilc.ty.sx.cn。

Study on the Missile Projectile Parameter Test Technology

YANG Wen1，YU Wensong1，PEI Dongxing1，ZHANG Yu1，ZU Jing1，2*
（1.School of Computer and Control Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China）

In order to overcome the shortage of external measurement method on testing projectile speed and nutation parameters.A test system of missile projectile parameters was proposed.The system uses CC430 chip as main control chip，combines control and sending wireless data integration based on dynamic storage measurement technology collection and storage of the induced electromotive force signal produced by geomagnetic sensor.A new method is proposed to resolve calculation projectile muzzle velocity and envelope extraction solution nutation parameters on the Hilbert Transform.Through the analysis of the high explosive bomb data，the projectile parameters are met good for the range of theory.

CC430；geomagnetic sensor；dynamic memory test；Hilbert Transform

TP212.13；TJ410.6

A

1005-9490（2016）03-0667-04

EEACC：721010.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.032