基于恒比定時甄別的引信測試系統定時點優化方法

摘 要：考慮到引信點火脈沖輸出的電信號波形具有極短的上升時間和較長的衰落時間特征，對其進行采樣時，定時精度往往會存在較大誤差。該文提出基于恒比定時甄別的定時點優化策略，其將原始信號通過FIR低通濾波處理，并對采樣點進行波形重構，之后進行尋峰并在線消除基線漂移，最后根據重構后波形，進行衰減、延遲與疊加，最終獲得恒比定時點。測試結果表明，所提方法將定時點的測試精度提高40%，具有較好的性能。

關鍵詞：引信測試;恒比定時;信號重構;定時點;優化方法

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）30-0001-06

Abstract： As regards the characteristic of the fuze ignition pulse output electrical signal waveform， which has an extremely short rise time and a relatively long decay time， there is often a significant error in timing accuracy when sampling it. An optimized timing point strategy based on constant ratio timing discrimination is proposed. This strategy processes the original signal through FIR low-pass filtering， reconstructs the waveform for the sampling points， performs peak detection and online elimination of baseline drift， and finally， based on the reconstructed waveform， carries out attenuation， delay， and superposition to ultimately obtain the constant ratio timing point. Test results indicate that the proposed method has improved the timing point test accuracy by 40%， demonstrating good performance.

Keywords： fuze testing; constant ratio timing; signal reconstruction; timing point; optimization method

引信主要指在使用武器時將高技術武器配置的保險裝置加以解除、移開保險件與隔爆機構，防止導彈在勤務處理、發射過程和達到延期解除保險時間之前的各種環境條件下解除保險的裝置，它能否及時地解除保險和引爆、傳爆序列至關重要[1-2]。

引信在現代武器系統中的重要性日益凸顯，研制和生產過程中對其性能指標的高精度測試也變得愈發關鍵，是包括了信號采集、信號變化與傳輸、信號處理分析與識別、記錄和顯示及存儲的綜合技術[3-5]。現有的測試方式主要利用人工對其進行手動測試，一方面測試數量不斷增加，導致連續測試時勞動強度增大，容易造成測試效率低;另一方面，人工測試環節流程多，人工水平參差不齊，受到操作熟練程度的影響，極易導致測試出現較大誤差。因此，引信自動化測試系統的研發亦至關重要，有助于科研人員快速發現故障產品的問題，找到產品技術缺陷，從而大幅提高電子時間引信產品的測試效率，降低產品的生產成本，對引信的研制、生產和實際使用都具有重大意義。

在實際引信自動化系統測試過程中，主要目標是提取系統定時點，但是受到引信點火脈沖輸出的電信號波形的影響，測試精度降低，難以滿足定時點技術指標要求。因此，本文針對定時點別提出基于恒比甄別定時算法的定時點優化方法，基于前沿定時與過零定時，并綜合了過零定時和上升沿定時的優點，首先，將原始波形進行延遲，經放大與反轉后再與原始波形疊加。其次，計算恒比值點，采用插值法求出精確解，并通過調節時延和增益均百分比實現恒比甄別，達到以提升特征參量的測試精度的目標。最后，構建引信綜合測試系統，并在測試系統上對利用所提算法進行了評估驗證。

1 引信工作原理

時間引信是指彈藥發射、投擲、布設后，在裝定時間結束后作用的引信，亦被稱為定時引信，其廣泛配用于空炸、跳炸、穿透目標后爆炸和深入目標內部爆炸等各種定時起爆的彈藥。按計時裝置的作用原理，時間引信可分為化學時間引信、機械時間引信、電子時間引信、射流時間引信等幾大類[6-7]。其工作原理主要包括2個階段。彈藥發射前，需先通過人工裝定或感應裝定來完成對電子時間引信的計時時間設置。彈藥發射后，武器系統會觸發引信開始計時，到達引信定時點后，引信向武器戰斗部發送點火脈沖信號，從而引爆戰斗部。電子時間引信工作過程中，引信信號與供電信號的波形示意圖如圖1所示。當供電信號產生時，引信隨即開始計時，待到達預先裝定的時間后，引信釋放放電脈沖。

測試系統的核心目標是提取電子時間引信定時點信號。對于電子時間引信定時點主要誤差來源于引信信號中上電時刻和放電時刻的提取方式，不合適的提取方式會導致精度降低。因此，需要設計定時點優化策略以達到提高定時點提取準確度的要求。

2 基于恒比甄別的定時點優化方法

考慮到引信點火脈沖的信號實際特性，其輸出的電信號波形通常具有極短的上升時間和較長的衰落時間。一般情況下，對于采集系統而言，當上升時間小于采樣周期時，定時精度往往會存在一定誤差。因此，為了準備估計信號的真實到達時刻，提出基于恒比定時甄別的定時點優化策略，提高定時點精度。

恒比甄別是具有可調恒定觸發比的定時方法，其原理基于前沿定時與過零定時，并綜合了過零定時和上升沿定時的優點。

2.1 前沿定時與過零定時

前沿定時的原理是一個帶有固定閾值的觸發電路被經過放大器的脈沖觸發，當其脈沖的上升沿超過閾值時，會輸出一個脈沖，此即為定時信號。影響該方法定時精度的原因主要為：輸入信號幅度和上升時間的變化及超閾延遲導致的時間游動;輸入信號的噪聲以及信號采集電路的噪聲導致的時間晃動。輸入信號幅度和上升時間的變化，以及超閾延遲引起的定時時間游動如圖2所示。

輸入信號νi（t）的函數表達式為

， （1）

令定時時間tL為

式中：VM為輸入信號最大幅值，tM為最大幅值處對應的時間，VT為閾電平。

圖2（a）中所展示的是3種幅值不同但上升時間相同的輸入信號A、B、C，橫縱坐標分別表示信號時間與信號電壓。圖2（b）中所展示的是3種輸入信號經放大器后觸發的輸出定時信號，是閾電平觸發時刻的理論值，分別對應td1、td2、td3。圖2（c）中所展示的是超閾延遲的情況，在實際情況中，輸入信號剛剛達到或超過閾電平時，甄別電路并不會立即被觸發，而是當輸入信號超過閾電平的某個量值后才被觸發，該觸發時間要晚于td1、td2、td3，即實際觸發時間為t、t、t，超閾延遲對應圖2（b）中的Δ1、Δ2、Δ3。對輸入信號幅度和上升時間變化所引起的時間游動進行分析，共有3種情況，即信號幅度改變但上升時間不變、上升時間改變但信號幅度不變、信號幅度和上升時間均改變，分別對應公式（3）—（5）

輸入信號中疊加的噪聲，以及信號采集電路本身的噪聲所引起的定時時間晃動，分別如圖3、4所示。

圖3、圖4中td為觸發時刻的理論值，σT1和σT2分別表示2種不同噪聲導致時間晃動的標準偏差。將噪聲的均方根值即有效值定義為νn，輸出信號中疊加的噪聲定義為νn0，信號采集電路本身的噪聲定義為νns，那么σT1和σT2的計算方法如公式（6）、（7）所示

為了減小時間游動和時間晃動對定時誤差的影響，脈沖信號的觸發需設定觸發比f，該值的定義如公式（8）所示

f=QT/Q ， （8）

式中：QT為輸出電流脈沖達到閾值并觸發時的輸出電荷量，Q為輸出電流脈沖的總電荷量。而將電荷量進行積分即可得到電壓信號，所以觸發比f可進一步表示為觸發閾值VT與輸出信號幅度V的比值，如公式（9）所示

f=VT/V 。 （9）

為了減小信號幅度和上升時間變化引起的時間游動，f應盡量小;考慮到保證時檢電路不被噪聲誤觸發，故需保證觸發閾值VT不能過小。為了確保由噪聲所引起的時間晃動降至最低，觸發比f的選擇一般位于輸入信號上升沿的最大斜率點。

綜上所述，對于一定的采集系統，可能存在某一最佳觸發比，所以需在實際的采集系統中對觸發比進行調節，以獲得最佳的定時精度。

雖然前沿定時方法受噪聲導致的時間晃動較小，但對于時間游動引起的定時誤差并未有較為理想的優化結果，而過零定時則可以有效地消除時間移動的影響[8-9]。

由圖4可知，假設輸入信號波形不變，只有在VT=0時，才能實現在信號幅度變化時不產生時間游動。將輸入信號νi（t）表示為Af（t），其中A為幅度，f（t）為任意函數，則到達閾值的時間tT取決于以公式（10）中t的解

Af（t）-VT=0 。 （10）

當VT≠0時，只有f（t）為階躍函數，幅值A的變化才不會對到達閾值的時間tT產生影響。若f（t）為任意函數，要使得tT不受A的影響，唯一解是VT=0。

因此，應該使用信號過零時間作為定時點，以此消除因幅度變化而引起的時間游動，該方法即為過零定時。其實現方法是利用單極性的輸入信號生成雙極性的信號，以產生一個與幅值無關的過零點。與前沿定時相反，過零定時雖然可以消除輸入信號幅度變化引起的時間游動，但無法消除由噪聲引起的時間晃動，因此使用過零定時需控制標準偏差σr1和σr2在合理的范圍內，從而保證定時精度。

2.2 恒比甄別算法

結合過零定時和前沿定時的特性，恒比甄別可以對時間游動和時間晃動產生的誤差進行補償。與上述過零定時和前沿定時不同，恒比甄別不采用固定不變的閾值電壓VT，而是令VT和信號幅度A成正比，即設VT=pA，則公式（11）可寫為

Af（t）-pA=0 。 （11）

上式的解與A無關，而觸發比f如公式（12）所示

f=pA/A=p ， （12）

式中：f為定值，通過調節p即可方便地實現對觸發比的調節，從而使得時間晃動導致的定時誤差達到最小[10]。

采用的數字化恒比甄別算法即用數值算法來代替傳統的模擬定時電路，恒比甄別算法框圖如圖5所示。

與通過硬件電路來實現的恒比甄別技術相比，數字化恒比甄別算法不需要對原始的數字信號波形進行調整即可方便地實現恒比定時。其實現方法與模擬恒比定時不同，首先需將數字信號送入數字信號處理模塊進行分析，再根據待測試的特征參量從信號中提取相應的信息。之后對采樣點做波形重構，進行尋峰并在線消除基線漂移。根據重構后的波形，設定恒定觸發比p，找出信號幅度A，通過對波形做衰減、延遲和疊加，最終找出恒比定時點[11]。

數字化恒比甄別算法的原理如圖6所示。先將原始波形進行延遲，經放大與反轉后再與原始波形疊加。在這個過程中單極性信號被轉化成雙極性信號，而疊加后的波形中幅度為0的時刻即為脈沖到達的時刻。由于恒比值點一般落在2個采樣點之間，所以，若幅度為0的時刻在2個采樣時刻之間，則采用插值法求出精確解，以確定到達時刻，其中時延和增益均是可調參量，具體則是通過調節峰值的百分比實現。

圖6 數字化恒比甄別原理示意圖

該算法中的f值即觸發比，一般選擇在輸入信號脈沖上升沿的斜率最大處，在實際應用中，一般選取在最大幅值的0.3倍處作為觸發點，即f=0.3。延遲時間td與脈沖上升沿的上升時間tr以及觸發比f相關，需滿足的條件是使延遲td之后的脈沖上升沿與脈沖衰減f倍后的脈沖尖端相交。td的計算方法如公式（13）所示

td=（1-f）tr 。 （13）

最后，利用延時對比計算定時點，計算原理如圖7所示，其中斜率較大的直線即為延遲波形，斜率較小的直線即為衰減波形，左右端點均為實際采樣點，根據比例即可計算處定時點的時間值。

計算過程如公式（14）（15）所示

。 （15）

3 算法驗證

為了驗證所提恒比甄別定時點提取算法的有效性，搭建了引信自動化測試系統，分別設計硬件框架以及軟件流程方案，并基于LabVIEW 2017[12]，對所搭建的引信自動化測試系統進行了實現。

3.1 引信自動化測試系統

引信自動化測試的硬件采用模塊化設計，包括工控機、信號調理電路、信號轉接電路、電源管理電路以及操作臺。其中操作臺包括按鍵控制電路、LED顯示電路、總線接口電路以及通信接口電路。待測產品則通過測試線纜直接與操作臺相連。采用3U標準機箱結構設計，液晶顯示器和鍵盤等設備安裝在前面板，電源及測試電纜插座統一安裝在后面板。除操作臺外均安裝于機柜中，各操作臺通過測試電纜獨立下掛于機柜[13-15]。測試系統框圖與硬件結構如圖8、圖9所示。

測試系統的軟件設計基于LabVIEW 2017平臺進行開發。該軟件是圖形化程序編譯平臺，具有界面與功能設計相互獨立、開發周期短的優點，在電子測量、信號分析、控制理論仿真和跨平臺設計等領域均有廣泛應用。根據該測試系統的功能需求，采用模塊化、結構化的設計思想[16-18]，本測試系統的軟件總體框圖如圖10所示。

3.2 實測信號驗證

通過數字信號采集系統采集回該信號的原始波形如圖11所示，波形總長為45.8 s，在引信點火脈沖到達之前無有效信號輸出，到達定時時間后會產生一次點火脈沖，隨后點火電壓迅速下降。

對圖11中脈沖上升沿產生前后時間段內的信號進行放大，信號的上升沿產生前后時間段內的信號圖12所示，截取的波形片段在45.566 6～45.568 6 s，共計21個采樣點（實際采樣率為10 kHz）。縱坐標為電壓幅值，橫坐標為采樣時間，為方便顯示，將采樣時間單位設為毫秒。對實測信號進行統計分析可以發現，脈沖上升沿的上升時間分布于1～2個采樣點，即0.1～0.2 ms。

其中f=0.3，fr=0.1 ms，即上升時間選擇使用占比更大的0.1 ms，由延遲時間dt的計算公式可知，延遲時間dt為0.07 ms。根據數字化恒比甄別算法原理，將原始信號延遲0.07 ms得到延遲信號，再將原始信號衰減至0.3倍獲得衰減信號。將二者與原始信號繪制于圖13，可得原始波形及其恒比甄別處理的示意圖，其中橫坐標為采樣點的個數，延遲波形與衰波形的交叉點即為待計算的定時點。

從圖13中可以看出，t1=0.06 ms，即定時點選擇在上升沿發生時第一個采樣點后0.06 ms處。而實際采樣頻率為10 kHz，即采樣點的間隔為0.1 ms，由此即可在一定程度上補償在選擇脈沖最大幅值處作為定時點的情況下，實際脈沖最大值落在2個采樣點中間所造成的誤差，即通過數字化恒比甄別算法提升定時點的采集精度。

4 結論

考慮到引信點火脈沖輸出的電信號波形具有極短的上升時間和較長的衰落時間的特征，對其進行采樣時，定時精度往往會存在較大誤差。提出基于恒比定時甄別的定時點優化策略，其根據待測試的定時點信號從信號中提取相應的信息。之后對采樣點做波形重構，進行尋峰并在線消除基線漂移。根據重構后的波形，通過對波形做衰減、延遲和疊加，最終找出恒比定時點。結果表明算法可以在一定程度上抵消由于波形幅值變化和噪聲等因素導致的時間游動和時間晃動誤差，且該方法可以對實際脈沖最大值落在2個采樣點中間所造成的誤差進行補償。對比分析實驗結果可以驗證，該方法可將定時精度提高40%。

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第一作者簡介：張建鵬（1980-），男，碩士，高級工程師。研究方向儀器儀表與測試技術。