共線式底火裝定電纜對信號傳輸的影響研究

陳德亮,丁立波,廖 翔

(南京理工大學 智能彈藥技術國防重點學科實驗室， 南京 210094)

【裝備理論與裝備技術】

共線式底火裝定電纜對信號傳輸的影響研究

陳德亮,丁立波,廖 翔

(南京理工大學 智能彈藥技術國防重點學科實驗室， 南京 210094)

針對引信共線式底火裝定過程中裝定信號受電纜影響的問題，利用圓柱形電容器和平板電容器計算模型，推導了不平行電纜間以及電纜與坦克車金屬板間分布電容的表達式；利用Orcad對共線式底火裝定系統等效電路模型進行仿真分析，最后通過實驗對上述結論進行驗證；研究結果表明：影響裝定信號傳輸的兩個主要因素是電纜長度和工作環境；相較于空氣中，50 m電纜在水中的傳輸信號波形的下降沿變化時間增加了約25 μs，對裝定信號傳輸速率影響巨大。

引信；裝定信號；共線式底火裝定；分布電容

信息化戰爭要求武器系統之間及時將有用信息進行交聯，以便快速、實時、準確地打擊目標。引信裝定技術是對引信作用時間，作用方式和技術參數等預定條件進行選擇和調整的技術[1]。共線式底火裝定技術是一種適用于現代坦克炮的引信與武器平臺信息交聯技術，國內外研究者對此課題進行了較多研究。加拿大Stephan Dietrich在2008年美國引信年會上介紹了底火裝定方案；Rheinmetall W&M和JUNCHANS Micrtec 兩家公司于2009年聯合開發了雙功能引信DM173，通過底火對引信電路進行信息裝定。南京理工大學王穎翌在2007年博士論文中對同時傳遞信息和能量的有線裝定技術進行了初步的系統設計[2]，南京理工大學的洪黎在2012年對有線裝定系統進行了高精度和安全性設計[3]。西安理工大學的陳祖安在2008年提出了身管炮膛內有線裝定構想[4]。南京理工大學204教研室已經研制出共線裝定電底火、裝定器和引信專用電路模塊，但對裝定過程中數據的解調能力與電纜的長度、環境的關系及給定參數下裝定數據的傳輸距離等問題并未深入探討。

目前，已就傳輸線間分布電容計算模型[5-8]和傳輸線上分布電容對系統的影響[9-12]進行了不少研究。本文將基于現有的共線式底火裝定系統，結合傳輸線間分布電容計算模型、RC電路放電模型和本系統的工作要求，推導出給定傳輸距離下電纜間分布電容值的表達式；探討不同的電纜長度和環境對裝定數據解調的影響，給出給定條件下最大傳輸距離的參考值，最后通過實驗對理論分析進行驗證。

1 共線式底火裝定系統原理

共線式底火裝定技術，即在不改變原武器系統機械結構前提下，當彈丸裝填入發射管后，利用原電擊發裝置，通過從彈丸底火引入頭部引信的一根導線，實現發射前信息裝定。信息裝定中所使用的能量在底火安全能量以下，以保證裝定中的安全性。共線式底火裝定系統整體框圖如圖1，從左向右依次為裝定器、擊發電路、電纜、底火開關和引信裝定模塊，其中，電纜的長度根據實際情況選取。火控系統將裝定信息通過武器系統接口發送給裝定器，裝定器檢測到擊針與底火接觸后，對引信進行裝定。在此過程中，裝定器要同時實現數據裝定和能量供給兩種功能。由于本系統利用了原電擊發裝置，為了保證裝定中的安全性，在原電擊發裝置中間加入了底火開關，底火開關設計為具有電壓識別功能，當輸入擊發電壓時，開關閉合，高電壓通過橋絲，底火作用，實現擊發功能；當輸入引信裝定電壓時，開關斷開，底火安全，實現數據裝定功能。

圖1 共線式底火裝定系統框圖

共線式底火裝定系統的整體電路模型如圖2所示，其中，電阻R1、R2為電纜的阻值，電容C為電纜間分布電容與電纜與金屬環境之間的感應電容值之和，r1和C1為裝定器內部等效電阻值和等效電容值，r2和C2為引信裝定模塊內部等效電阻值和等效電容值。當裝定器和引信裝定模塊的電路確定后，r1、r2、C1和C2的值隨之確定，但R1、R2和C的值與電纜的長度等因素有關。

2 信號傳輸性能分析

在實際工程應用中，裝定信號的波形圖如圖3所示。從圖3可以看出，在數據波形的上升沿和下降沿處，波形緩慢上升和降低，并不是由低到高或由高到低直接變化。在實際應用中發現，上升沿波形由低到高的變化時間固定，對數據傳輸的影響很小，而下降沿波形由高到低的變化時間不固定，對數據傳輸有較大影響。當波形由高到低的變化時間過長時，將會影響引信裝定模塊對占空比的判斷，從而使解調失敗，影響裝定結果。由于波形的變化與裝定器和引信裝定模塊之間的負載有關，因此需要進一步分析確定兩者之間的關系。

圖2 共線式底火裝定系統整體電路模型

圖3 裝定信息波形

2.1 電纜間分布電容計算

共線式底火裝定系統應用在坦克中時，電纜會與坦克上的金屬材料接觸。將坦克中的金屬材料看成一塊無限大的金屬板，建立共線式底火裝定系統的電纜模型，如圖4所示。其中，1和2是兩根半徑為R的導線，3是無限大的金屬板，導線1和導線2放置在金屬板3上，di是導線1和導線2之間的距離，假設導線1和導線2之間距離為di時的導線長度為Li。系統工作時，假設導線1為激勵源，這樣會在導線2和金屬板3上感應出電荷，構成2個電容器。

圖4 電纜模型

對于導線1和導線2之間分布電容的計算，可以使用圓柱形電容器計算公式進行計算。如圖5所示，設有兩根半徑為R的平行直導線，兩導線中心之間的距離為d，且d>>R，中間介質的介電常數為ε,計算可得出兩平行直導線單位長度電容值：

根據電纜模型，可得導線1和導線2之間距離為di、長度為Li段的分布電容值：

于是，可得到導線1和導線2之間的分布電容值：

(1)

其中，n=1,2,3,…。對于導線1和金屬板3之間的分布電容計算，可以將導線1看成很窄的金屬極板，導線1放置在金屬板3上，這樣導線1和金屬板3之間的分布電容值可以根據平板電容器的計算方法求解，可得到：

(2)

其中，D為導線1的中心點到金屬板3的距離，L為導線1的總長度。由公式可以看出，當導線1直接放置在金屬板上時，C13的值最大。

圖5 平行直導線

上述式(1)和式(2)中ε表示電纜間介質的電容率，即介電常數。不同的工作環境下介電常數是不同的，介電常數是相對介電常數與真空中絕對介電常數乘積，其中真空中絕對介電常數ε0為固定值。共線式底火裝定系統需要在不同的環境下工作。由表1中常見物質的相對介電常數可以看出，不同的工作環境下相對介電常數值相差較大，所以在電纜本身物理參數確定的情況下，電纜之間的分布電容值主要與電纜長度和電纜工作環境有關。

表1 常見物質的相對介電常數

2.2 電纜對信號傳輸的影響

由圖2可知，裝定器與引信裝定模塊之間的負載包括裝定器內部等效電容C1和等效電阻r1，引信接收端內部等效電容C2和等效電阻r2，電容C為導線1和導線2之間分布電容值C12與導線1和金屬板3之間分布電容值C12的和，R0為單位長度電纜的阻值。那么裝定器端與引信接收端之間的總電容值和電阻值分別為

R=R1+R2+r1+r2=2L*R0+r1+r2

根據RC電路電壓隨時間變化公式：

uc=U0exp(-t/RC)

可得到裝定器與引信接收端之間負載的電壓隨時間變化公式：

電路的時間常數為

假設電纜線之間的距離di服從正態分布，即di～N(u,σ2)，且導線1和導線2之間的最大距離為dmax，最小距離為dmin。那么電纜線之間距離的數學期望u=(dmax+dmin)/2，從而可得到：

于是，RC電路的時間常數

其中C1、r1、C2和r2根據裝定器和引信裝定模塊電路確定，由具體電路計算可得到C1=50μF，C2=10μF，r1為50Ω，r2為500Ω。

共線式底火裝定系統信息裝定過程中，采用占空比編碼方式對數字信號進行調制和編碼。為了提高系統裝定的可靠性，使系統準確識別和解調信息，當給定傳輸速率后，應合理選擇電纜長度。

3 仿真與實驗驗證

3.1 仿真驗證

選取以下參數進行計算分析：共線式底火裝定系統工作在空氣中，相對介電常數εr=1，電纜的半徑R=0.69mm，導線1到金屬板3之間的距離D=0.69mm，單位長度電纜的阻值R0為0.008 2Ω，取導線1和導線2之間的最大距離dmax=20cm，最小距離dmin=0cm。利用Orcad軟件對不同距離下共線式底火裝定系統電路模型進行仿真，分別選取L為10m、20m、30m、40m和50m進行仿真，其波形圖如圖6所示。由圖6可以看到，由于裝定器和引信裝定模塊內部等效電阻電容和電纜間分布電容的存在，信號傳輸的波形緩慢降低。由圖7可看出，隨著電纜距離的增加，波形下降沿處的變化越來越快，在降低到0.5V時，經Orcad軟件中專用工具測量，50m處比10m處的時間多約0.004 5ms，系統的傳輸速率降低。

利用Orcad軟件對不同環境下共線式底火裝定系統電路模型進行仿真，選取以下參數進行計算分析：電纜的半徑R=0.69mm，單位長度電纜的阻值R0為0.008 2Ω，導線1到金屬板3之間的距離D=0.69mm，取導線1和導線2之間的最大距離dmax=20cm，最小距離dmin=0cm，L分別為10m和50m。利用ORCAD軟件對水環境下共線式底火裝定系統電路模型進行仿真，其波形如圖8和圖9所示。由Orcad軟件中專用工具對圖8和圖7測量比較得出，10m電纜在水環境下，波形下降沿處的變化時間比在空氣中的約多0.012ms。由Orcad軟件中專用工具對圖9和圖7測量比較得出，50m電纜在水環境下，波形下降沿處的變化時間比在空氣中的約多0.025ms。因此，要考慮環境對信號波形的影響，合理的選擇共線式底火裝定系統工作需要的相關參數。

圖6 不同傳輸距離下波形

圖7 10 m和50 m距離下波形放大圖

圖8 10 m電纜水中信號波形

圖9 50 m電纜水中信號波形

3.2 實驗驗證

利用現有的裝定器、電底火和引信裝定模塊進行實驗，實驗中電纜的半徑R=0.69 mm，將電纜放置在金屬容器中，用來模擬坦克車金屬環境，兩根電纜之間的距離按照仿真條件進行設置。在空氣中分別利用10 m和50 m電纜通過裝定器對引信裝定模塊進行裝定，波形圖如圖10和圖11所示，通過兩圖對比可以看出隨著電纜長度的增加，波形下降時間變長，當長度由10 m增加到50 m時，時間增加了約5 μs。

圖10 空氣中10 m電纜的傳輸波形

圖11 空氣中50 m電纜的傳輸波形

在水中，分別利用10 m和50 m電纜通過裝定器對引信裝定模塊進行裝定，波形圖如圖12和圖13所示，通過兩圖對比可以看到，10 m電纜波形下降的時間增加到45.6 μs，50 m電纜波形下降的時間已經增加到57.6 μs，且波形畸變較嚴重。

圖12 水中10 m電纜的傳輸波形

圖13 水中50 m電纜的傳輸波形

4 結論

本文對共線式底火裝定過程中裝定信號受電纜影響的問題進行了研究，推導得到了不平行的電纜間以及電纜與坦克車金屬板間分布電容的具體表達式；得到了影響裝定信號傳輸速率的兩個主要因素：電纜長度和工作環境。仿真和實驗表明，相同環境條件下，當電纜長度由10 m增加到50 m時，信號波形下降沿變化時間增加了約5 μs；相同電纜長度條件下，將10 m和50 m的電纜放在水中進行裝定時，信號波形下降沿變化時間分別增加了約12 μs和25 μs，很大程度地降低了信號傳輸速率。

[1] 張合.引信與武器系統交聯理論與技術[M].北京：國防工業出版社，2010.

[2] 王穎翌.基于金屬管殼的引信信息交聯技術研究[D].南京：南京理工大學,2007.

[3] 洪黎,張合,丁立波.電子時間引信通用有線裝定系統設計[J].制造業自動化,2012,34(16):113-116.

[4] 陳祖安,易躍生.身管炮膛內有線裝定引信構想[J].火炮發射與控制學報,2008(4):5-8.

[5] ZHANG S H.Calculation of the Partial Capacitance in a System of Conductors Within the Calculable Resistor[J].Instrumentation & Measurement IEEE Transactions on,1995,43(6):929-932.

[6] WAJMAN R,BANASIAK R,MAZURKIEWICZ L,et al.Spatial Imaging with 3D Capacitance Measurements[J].Measurement Science & Technology,2007,17(8):3671-3671(1).

[7] 鄭羽,李紅志,梁捷,等.水下XCTD剖面儀傳輸線間分布電容的建模與計算[J].海洋通報,2013(3):332-337.

[8] 葛松華,唐亞明.傳輸線的電容和電阻特性及其應用[J].物理與工程,2011(5):31-32，44.

[9] 黃業緒,史忠科,秦永元,等.傳輸線上分布電容對微動同步傳感器輸出的影響分析[J].傳感技術學報,2004(4):560-564.

[10]張顯丕,劉建湖,潘建強,等.傳輸線長度對爆炸壓力測量的影響研究[J].兵工學報,2014(S2):288-293.

[11]劉錫朋,舒澤勝,劉彬,等.旋入式底火防過擰裝配控制技術[J].四川兵工學報，2015(4):56-59.

[12]丁凱,陳曉光,溫源.電纜分布電容對航天器低頻交流信號傳輸的影響分析[J].航天器環境工程,2012(5):554-556.

(責任編輯 周江川)

Study on Effect of Collinear Primer Set Cable on Signal Transmission

CHEN De-liang，DING Li-bo，LIAO Xiang

(Ministerial Key Laboratory of ZNDY, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

In order to research the effect of the fuze collinear primer set cable on signal transmission, the cylindrical capacitor and plate capacitor calculation theories were used to deduce the specific expression to calculate distributed capacity in the non-parallel cables and the cable and the tank’s metal plate. The equivalent circuit model of the collinear primer set system was analyzed by the Orcad software and the result was verified by experiment. The results show that the cable length and the working environment are the two main factors that affect the setting signal transmission. Compared with air, the falling edge of the 50 meters of cable’s transmission signal waveform increased by about 25us in the water, and it had a huge impact on the rate of the setting signal transmission.

fuze; set signal;collinear primer set; distributed capacitance

2016-10-10；

2016-11-30 作者簡介：陳德亮(1992—)，男，碩士研究生，主要從事機械電子工程、引信與武器系統信息交聯技術研究。

丁立波(1977—)，男，副教授，碩士生導師，主要從事機械電子工程、引信與武器系統信息交聯技術研究。

10.11809/scbgxb2017.03.014

陳德亮,丁立波,廖翔.共線式底火裝定電纜對信號傳輸的影響研究[J].兵器裝備工程學報，2017(3):62-66.

format:CHEN De-liang，DING Li-bo，LIAO Xiang.Study on Effect of Collinear Primer Set Cable on Signal Transmission[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):62-66.

TJ43

A

2096-2304(2017)03-0062-05