新型磁敏感侵徹計層方法研究

張雄星， 鄒金龍， 王偉， 蘇思友

(1.機電動態控制重點實驗室， 陜西 西安 710065; 2.西安工業大學 光電工程學院， 陜西 西安 710021)

0 引言

當今，高速侵徹武器已經是一個國家軍事實力的代表。現代化戰爭中，硬目標靈巧引信研究是侵徹武器的關鍵技術之一[1-5]。引信從傳統的定時引信發展到現在的計層、計深、介質識別等多功能智能引信，其精度和智能化越來越高。隨著侵徹武器速度的提高，侵徹目標過程中，彈體受到的沖擊變大，振動也變大，大大增大了引信設計的難度。

在侵徹引信中，常采用壓阻式或壓電式加速度傳感器[6-8]獲得侵徹戰斗部侵徹目標的過載信號。加速度傳感器的輸出信號總是包含2種信號：侵徹戰斗部的過載信號和彈體的振動響應信號。這2種信號耦合在一起，當大長徑比侵徹戰斗部高速侵徹多層靶板時，過載信號與振動響應信號頻率接近，難以解耦，從而導致侵徹計層錯誤[9-10]。針對過載信號和振動信號耦合在一起，形成信號粘連的問題，有研究人員提出機械濾波[11]、數字濾波[12]等方法進行解決。由于加速度傳感采集的信號是侵徹戰斗部所受振動、沖擊響應的疊加，振動信號與過載信號在時域和頻域特征上沒有顯著區別，所以利用時域和頻域等信號處理的方法都無法提取有效的過載信號[13-14]。

用于鐵磁目標探測的磁敏感探測技術，尤其是針對水下目標的磁異常探測技術已在軍事領域應用多年[15-17]，但尚未有用于侵徹計層的技術見諸報道。本文提出一種新型磁敏感計層方法，該方法具有非接觸、靈敏度高、不受目標速度、振動等因素影響的優點，克服了傳統加速度計計層方式的缺點，不依賴加速度計、應變片等力學傳感器，通過磁場探測實現侵徹戰斗部空穴識別和計層，可以解決彈體振動帶來的信號粘連問題，對鋼甲、金屬目標、鋼筋混凝土地下工事等尤為敏感。磁敏感侵徹計層方法在高沖擊大過載條件下具有更高的可靠性，可作為基于加速度計的侵徹計層方法的有效補充，從而提升侵徹計層的性能。

1 磁敏感侵徹計層原理

本文采用磁敏感探測來實現侵徹的計層。侵徹戰斗部的彈殼是高強度鋼，引信位于侵徹戰斗部的尾部，引信管殼采用非磁性金屬鈦。在引信內部放置磁鋼產生激勵磁場，侵徹戰斗部對磁場不會完全屏蔽，戰斗部的尾部會有漏磁。通常打擊的硬目標是由鋼筋混凝土組成，混凝土中的鋼筋屬于導磁性材料。當侵徹戰斗部侵徹鋼筋混凝土目標時，鋼筋混凝土中的鋼筋會對侵徹戰斗部周圍的磁場產生影響。在侵徹過程中，引信內部的磁場會產生相應變化。在引信內部某些敏感位置，通過安置磁傳感器檢測引信內部的磁場變化，得到侵徹戰斗部的穿層響應信號，可實現計層。在彈體接近、接觸、穿越以及離開目標過程中，引信內部磁場信號特征如圖1所示，其中d為磁探測器與硬目標間的距離。

圖1 侵徹過程中磁場信號隨距離變化關系Fig.1 Magnetic signal versus distance in penetration process

2 磁敏感侵徹計層建模

2.1 磁敏感侵徹戰斗部建模

本文針對計層難題提出了一種磁敏感侵徹計層方法。根據提出的侵徹計層方法，建立侵徹戰斗部模型，采用有限元分析軟件進行仿真計算，驗證方案原理的可行性。

使用有限元分析軟件ANSYS建立戰斗部模型[18-19]，侵徹戰斗部的剖面圖如圖2所示。

圖2 侵徹戰斗部模型的剖面圖Fig.2 Profile of penetrating warhead model

侵徹戰斗部中后部為空心柱體，彈長1 500 mm，直徑為300 mm，壁厚為15 mm. 侵徹戰斗部彈殼采用低合金超高強度鋼，材料為35CrMnSi，相對磁導率為200. 侵徹引信為彈尾引信，通過螺紋安裝在侵徹戰斗部的尾部。引信管殼為非磁性金屬鈦，與鋼相比具有更高的抗過載能力。引信管殼的結構近似為空心圓柱體，壁厚為5 mm，直徑為100 mm，長度為200 mm.

圖3 引信結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of fuze structure

侵徹引信內部分為3個單元，分別為電子接口適配單元、電子模塊單元以及雷管和保險單元。其中，電子模塊單元位于引信的中段。

在電子模塊單元安裝2片磁鋼以及磁場傳感電路，如圖3所示。磁鋼選用釹鐵硼磁體，其最大磁能積為35MGOe. 磁體形狀是薄圓柱體，直徑為5 mm，厚度為1 mm，矯頑力為876 kA/m，相對磁導率為2 000. 2片磁鋼與引信底部管殼的間距為50 mm，與管殼側壁的距離為15 mm. 磁場傳感電路與引信底部管殼的間距為120 mm，其中磁場傳感芯片位于引信軸線上。采用鋁材料的夾具對磁鋼和磁場測量電路進行定位，通過灌封提高抗過載能力。

2片磁鋼的極性相反布置，使引信軸線上的磁場方向平行于磁場傳感電路所在平面。磁場傳感芯片的敏感軸平行于印制電路板，可選芯片(例如HMC1021S、HMC1021D)的高度為1.5 mm. 當2片磁鋼的極性相同布置時，引信軸線上的磁場方向垂直于磁場傳感電路，磁場傳感芯片的敏感軸需要垂直于印制電路板，可選芯片(例如HMC1021Z)的高度為4 mm. 所以，2片磁鋼的極性相反布置可以減小磁場傳感電路的整體高度。

根據以上條件，使用ANSYS對侵徹戰斗部進行建模，如圖4所示。

圖4 侵徹戰斗部模型Fig.4 Penetrating warhead model

戰斗部軸線與兩個磁鋼的軸線互相平行，并在同一個平面內，同時戰斗部關于該平面對稱，所以把戰斗部沿著該平面剖開，產生一個剖面，提取該剖面內磁場的分布，可以簡化仿真的復雜度。因此建立戰斗部三維磁場模型，并在戰斗部二維剖面上計算磁場分布。

在二維平面中建立OXY坐標系，侵徹戰斗部的模型如圖5所示。引信管殼為非磁性材料鈦，其相對磁導率為1.

圖5 侵徹戰斗部模型二維剖面圖Fig.5 Two dimensional profile of penetrator model

根據以上條件，對引信內磁鋼產生的磁場進行仿真，選取侵徹戰斗部模型的最優網格配置，生成的網格劃分效果如下圖6所示。

圖6 侵徹戰斗部網格劃分效果Fig.6 Meshing of penetrating warhead

仿真得到的侵徹戰斗部磁感應強度分布和引信內部的磁場分布情況，分別見圖7(a)和7(b).

圖7 彈體磁場分布Fig.7 Projectile magnetic field distribution

侵徹戰斗部的仿真計算結果表明：在戰斗部的前向和側向，由于侵徹戰斗部外殼的屏蔽，漏磁很微弱。在侵徹戰斗部的尾部，由于引信管殼為非磁性材料，所以在侵徹戰斗部的尾部，有較強的漏磁。這種磁場分布使得磁場對侵徹戰斗部前方和側方的鐵磁性介質不敏感，而對戰斗部后方的鐵磁性介質敏感。

2.2 鋼筋混凝土板目標建模

圖8 鋼筋混凝土靶板模型Fig.8 Reinforced concrete target plate model

在各種遮掩工事中，遮掩結構通常為鋼筋混凝土結構，可以把目標靶板等效為鋼筋混凝土板[20-21]。參照鋼筋混凝土板配筋的相關標準[22]，板在2個互相垂直方向上都有配筋(稱為縱筋和橫筋)，形成鋼筋網。取目標為長寬各為2 m，厚度為300 mm的鋼筋混凝土。鋼筋直徑為16 mm，間距為100 mm，距墻邊50 mm開始配置鋼筋。目標共有3層鋼網，每層鋼網有40條鋼筋，共有120條鋼筋。鋼筋混凝土板中，鋼筋的磁導率和戰斗部外殼取值相同，取相對磁導率為200，混凝土由水泥、沙、石組成，其相對磁導率為1. 鋼筋混凝土靶板模型如圖8所示。

3 1層目標靶板的穿層仿真計算

針對戰斗部垂直侵徹靶板情況，建立侵徹戰斗部穿過1層靶板的模型，如圖9所示。

圖9 侵徹戰斗部穿1層混凝土模型Fig.9 Model of penetrating warhead penetrating into Layer 1

計算鋼筋混凝土板對引信內磁場的影響時，把鋼筋混凝土板等效為3層鋼網。在二維平面內，用ANSYS對侵徹戰斗部侵徹1層混凝土靶板進行仿真計算，模型如圖10所示。

圖10 侵徹戰斗部穿1層混凝土二維模型Fig.10 2D model of penetrating warhead penetrating into Layer 1

在進行侵徹戰斗部侵徹1層混凝土靶板的仿真計算時，選取侵徹戰斗部模型的最優網格配置，生成的網格劃分效果如圖11所示。

圖11 1層混凝土模型網格劃分效果Fig.11 Meshing effect of single-layer concrete model

根據引信內部的結構設計，仿真時，在引信軸線上選取距離引信頭部80 mm處作為最佳磁場檢測點，記為P，用以檢測穿層仿真中的磁感應強度的變化。進而得到侵徹戰斗部的磁場分布和引信內部的磁場分布情況，分別見圖12(a)和12(b).

圖12 1層目標時彈體磁場分布Fig.12 Magnetic field distribution when projectile penetrating into single layer target

侵徹戰斗部的彈尾部距離靶板的初始位置是-2.5 m，假定將靶板向X軸負方向移動為正方向。為了得到在彈體侵徹過程中，引信內的磁場變化曲線，定義了7種工況，分別表示侵徹中彈體與靶板的典型相對位置。這7種工況分別為：

工況1彈頭距離靶板1.00 m，靶板相對彈尾的坐標為-2.50 m；

工況2彈頭接觸靶板，靶板相對彈尾的坐標為-1.50 m；

工況3彈的一半長度穿過靶板，靶板相對彈尾的坐標為-0.75 m；

工況4彈的3/4長度穿過靶板，靶板相對彈尾的坐標為-0.25 m；

工況5彈的尾部恰好脫離靶板時，靶板相對彈尾的坐標為0 m；

工況6彈穿過靶板，彈尾距離靶板0.20 m，靶板相對彈尾的坐標為0.20 m；

工況7彈穿過靶板，彈尾距離靶板1.00 m，靶板相對彈尾的坐標為1.00 m.

侵徹穿層仿真計算后，得到侵徹過程中P點磁感應強度的變化，見表1.

表1 P點處的磁感應強度

侵徹戰斗部侵徹靶板過程按照戰斗部與靶板的間距步進0.05 m進行仿真計算，包含了以上的7種典型工況。侵徹戰斗部侵徹1層混凝土靶板的仿真計算結果如圖13所示。圖13中縱坐標是磁感應強度，橫坐標是靶板相對于侵徹戰斗部的距離。

圖13 穿1層時P處磁感應強度變化曲線Fig.13 Change curve of magnetic field strength at point P when passing through the first layer

通過上述有目標靶板的仿真計算可知，侵徹戰斗部在侵徹含有導磁介質的目標時，侵徹戰斗部尾部引信內的磁感應強度發生改變。在侵徹目標過程中，磁場采樣位置的磁感應強度信號出現一個脈沖，脈沖高度為11.8 μT.

為了分析鋼筋混凝土中鋼網布設參數對計層的影響，使用更細的鋼筋以及更小的布設密度進行了仿真。仿真結果如表2所示。

仿真結果表明：鋼筋網布設參數的改變導致侵徹過程中磁感應強度信號的脈沖高度改變。采用磁阻傳感器進行磁場測量，傳感器分辨率可以達到0.003 μT. 可見，即使在使用較細的鋼筋以較低的密度布設鋼網時，侵徹過程對應的磁信號脈沖高度也是傳感器分辨率的1 000倍左右，從而保證侵徹脈沖檢測的可靠性。

表2 不同鋼筋直徑下的侵徹仿真數據

4 3層目標靶板穿層仿真計算

在實際戰爭環境中，重要軍事基地、戰斗指揮中心等一般為多層鋼筋混凝土的建筑結構，所以對多層硬目標能夠實現精確的侵徹計層尤為重要。本文進一步對侵徹戰斗部侵徹3層鋼筋混凝土板進行仿真計算，模型見圖14. 侵徹戰斗部侵徹3層鋼筋混凝土板的磁場變化如15所示。

圖14 3層混凝土靶板的模型圖Fig.14 Model of 3-layers concrete target plate

圖15 侵徹3層靶板磁場變化Fig.15 Magnetic field variation when penetrating into 3-layers target plate

從圖15可以看出，侵徹戰斗部穿層過靶的磁感應強度變化量約為12.5 μT. 結果表明：對于3層目標靶板，能夠得到3個獨立的磁場脈沖。所以，對于多層靶板的計層，理論上可以實現。

5 環境適應性仿真計算

為了分析周圍鐵磁性介質對計層的影響，進行環境適應性仿真。在第2層靶板前放置鐵柜，鐵柜為長方體結構，長、寬、高分別為0.8 m、0.6 m和2.0 m，鐵皮的厚度為4 mm，相對磁導率取200.

仿真結果表明：鐵柜對磁信號影響取決于鐵柜與侵徹彈道的距離。當鐵柜距離彈道0.2 m以上時，鐵柜對磁信號無顯著影響；當鐵柜接觸到彈道時，磁感應強度信號如圖16所示，鐵柜引起磁信號輸出有一個高度較低的脈沖，脈沖高度約為過靶脈沖的1/3，可以通過脈沖高度對侵徹脈沖進行鑒別，避免計層的誤判，提高環境適應性。

圖16 鐵柜干擾下的侵徹3層靶板信號Fig.16 Penetrating signal for 3-layers target plate under the interference of an iron cabinet

6 實驗驗證

在進行靜態半實物測試時，用鋼筋網模擬鋼筋混凝土板，搭建的靜態半實物測試實驗平臺如圖17所示。

圖17 模擬引信侵徹3層鋼網Fig.17 Simulation of fuze penetrating into 3-layers steel meshes

在進行靜態半實物測試實驗時，3層鋼筋網的間距是0.8 m. 其中，每層鋼筋網中心有一個邊長為170 mm的正方形通孔。模擬引信前端封閉，尾部開孔，并在P位置安裝磁傳感器，用來探測穿層過靶磁場信號。模擬引信由夾具夾持，初始位置位于第1層鋼網上方0.5 m處(坐標為-2.5 m)。當夾具釋放模擬引信時，觸發采樣電路對磁場進行同步采樣，采樣率為10 000次/s. 模擬引信做自由落體運動，依次穿過3層鋼網。由磁傳感器的采樣信號得到模擬引信下落過程中磁信號采樣的變化，見圖18.

圖18 侵徹3層鋼筋網的數據曲線Fig.18 Data curve for penetrating of 3-layers steel meshes

從圖18中可以看出，在模擬引信穿出鋼筋網時，采集得到的磁場數據輸出一個脈沖，驗證了在引信內部P處的穿層響應信號為正脈沖輸出。通過對穿層響應的位置個數進行計數，可以實現侵徹引信的計層。將采集得到的穿層響應信號進行轉換，得到的磁感應強度變化約10 μT. 由此可見，靜態半實物測試數據與侵徹彈戰斗部侵徹鋼筋混凝土板的仿真計算數據基本一致，驗證了磁敏感侵徹計層技術的可行性。

7 結論

本文通過在侵徹戰斗部引信內部放置磁鋼陣列產生激勵磁場，提出了一種磁敏感侵徹計層技術。即侵徹戰斗部侵徹含有導磁介質的目標時，引信內磁感應強度輸出一個脈沖，產生穿層響應信號。利用磁傳感器對穿層響應信號進行探測，轉換為原始脈沖式電壓信號輸出，送至微控制器中，根據脈沖式電壓信號個數進行計層。基于仿真分析和實際實驗結果，對磁敏感計層方法進行了驗證，得到主要結論如下：

1)采用有限元法建立了侵徹戰斗部和鋼筋混凝土模型，對侵徹過程進行了仿真計算，仿真結果表明，穿層響應信號為正脈信號。

2) 設計并制作磁敏感模擬引信，并使用鋼筋網模擬鋼筋混凝土靶板進行靜態半實物實驗。實驗中，磁敏感侵徹計層方法能夠實現侵徹計層，相比于仿真結果，穿層響應信號變化比較小。

3) 后期實驗中，可通過優化磁鋼的牌號、尺寸、外形以及在引信中的排列位置，提高磁場對靶板位置的靈敏度，同時，利用相關濾波跟蹤算法對穿層響應信號進行濾波處理，得到較低噪聲的電壓信號，對電壓信號中的正脈沖計數，提高磁敏感侵徹計層方法的可靠性。