游金川，李東杰，歐陽科，趙 慧

（中國工程物理研究院 電子工程研究所，綿陽 621900）

侵徹引信炸點精確控制技術(shù)

游金川，李東杰，歐陽科，趙 慧

（中國工程物理研究院 電子工程研究所，綿陽 621900）

為了實現(xiàn)侵徹彈藥的高效毀傷，硬目標(biāo)侵徹引信必須完成最佳炸點識別和起爆控制任務(wù)。對比研究了兩類炸點精確控制方案：一類是基于侵徹深度經(jīng)驗公式，另一類是基于侵徹引信記錄裝置中的高g值加速度計測量信息。前者的精度完全依賴于先驗信息，而后者的精度則取決于沖擊加速度的精確測量和控制算法的實時解算。給出了基于偽自相關(guān)的空穴識別算法。沖擊加速度信號自乘實現(xiàn)調(diào)頻脈沖壓縮，再通過低通濾波即可提取出平滑的侵徹信號包絡(luò)線。進(jìn)一步，詳細(xì)推導(dǎo)了實時計算侵徹深度的積分算法。利用數(shù)學(xué)仿真的侵徹兩層鋼靶和實測的侵徹五層混凝土靶沖擊加速度進(jìn)行了算法驗證。空穴識別算法能夠準(zhǔn)確識別出侵徹介質(zhì)的層數(shù)，而沖擊加速度的雙積分與彈體實際位移保持一致，相對誤差約3%。

硬目標(biāo)侵徹引信；經(jīng)驗公式；高g值加速度計；空穴識別；侵徹深度

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，世界各國紛紛將重要軍事設(shè)施掩埋于硬式掩體或深埋地下，侵徹武器應(yīng)運而生。為了對掩體和掩體保護(hù)的目標(biāo)實現(xiàn)最佳的殺傷破壞，其核心器件侵徹引信必須根據(jù)技戰(zhàn)術(shù)要求，結(jié)合對目標(biāo)環(huán)境的識別，實時監(jiān)控彈丸侵徹歷程和狀態(tài)，控制戰(zhàn)斗部在最佳起爆位置起爆，完成對目標(biāo)的最佳毀傷[1-3]。侵徹引信對其起爆位置的控制精度是硬目標(biāo)侵徹武器最重要的考核標(biāo)準(zhǔn)，也是硬目標(biāo)侵徹武器能否發(fā)揮最佳效能的直接因素。因此，對侵徹引信起爆位置的精確控制尤為重要。

目前，硬目標(biāo)侵徹引信的起爆控制方法主要有 4種：計時起爆、計層/計空穴起爆、計行程起爆和介質(zhì)識別起爆[4]。歐陽科等[5]給出了基于加速度傳感器和開關(guān)信號融合的計層算法。Sibeaud等[6]提出將侵徹前彈藥制導(dǎo)系統(tǒng)的信息傳遞給引信系統(tǒng)，進(jìn)而利用高g值加速度計信號實現(xiàn)自適應(yīng)起爆。本文擬對基于侵徹深度經(jīng)驗公式和基于加速度計信號的炸點控制技術(shù)進(jìn)行比較，并利用偽自相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)空穴識別。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了實時解算侵徹行程的算法。數(shù)學(xué)仿真和試驗數(shù)據(jù)驗證了算法的有效性。

1 基于經(jīng)驗公式的炸點控制

1.1 最大侵徹深度估計

國內(nèi)外對彈體侵徹進(jìn)行了大量的試驗研究，在經(jīng)驗公式的積累上取得了很多的科研成果。各國乃至各個實驗室都先后提出適合自己實際的經(jīng)驗公式。目前，用來計算侵徹混凝土、巖石的經(jīng)驗公式有40多種，這些公式在實際工程中得到廣泛應(yīng)用，其中最突出的以美國圣地亞國家實驗室（SNL）和陸軍水道實驗室（WES）提出的經(jīng)驗公式為代表。這里以Young公式[7]為例，估計侵徹彈藥最大侵徹深度。

1.1.1 戰(zhàn)斗部參數(shù)

圖1為典型侵徹武器外形圖[8]，表1給出了其主要參數(shù)。

圖1 典型侵徹武器外形圖Fig.1 Typical earth-penetrator weapon case

表1 侵徹武器重要參數(shù)Tab.1 Important parameters of earth penetrator weapon

對于正切卵形頭部/尖拱形頭部，其彈頭侵徹性能參數(shù)為

而對于錐形頭部，其彈頭侵徹性能參數(shù)表示為

1.1.2 混凝土靶參數(shù)

表2 混凝土靶標(biāo)參數(shù)Tab.2 Concrete target parameters

從而表征混凝土的可侵徹性參數(shù)為

1.2.3 聽力測定的測量方法 聽力檢查參照《聲學(xué) 純音氣導(dǎo)聽閾測定聽力保護(hù)用》(GB7583-87),在本底值噪聲<30d B(A)的隔音室內(nèi),由經(jīng)過培訓(xùn)的專業(yè)醫(yī)務(wù)人員使用美國GSI-61純音聽力計對所有對象進(jìn)行左、右耳語頻頻段(500Hz、1000Hz和2000Hz)和高頻頻段(3000Hz、4000Hz和6000Hz)共6個頻率的純音氣導(dǎo)聽閾測試。

同時，彈頭質(zhì)量也將影響侵徹深度，其影響因子為

從而最終的侵徹深度估計公式為

常數(shù)S是一個經(jīng)驗值，與靶標(biāo)材料密切相關(guān)。它是通過特定彈丸對特定地質(zhì)材料侵徹試驗測量到的侵徹深度應(yīng)用上述公式得到的。特定地質(zhì)材料合理的經(jīng)驗常數(shù)是通過多次侵徹試驗獲得的S值平均得到的。一旦特定地質(zhì)材料的S值經(jīng)過試驗確定之后，等式中的其他參數(shù)可能再根據(jù)估計的侵徹深度進(jìn)行微調(diào)。對于沒有足夠數(shù)據(jù)計算S，則推薦 0.9S= 。而對于中等強度巖石，其取值 0.76S= ；低強度巖石，其取值S=1.3；粉質(zhì)黏土，其取值[5]為S=8.0。

1.2 剩余速度和延遲時間

當(dāng)靶板厚度小于最大侵徹深度時，將會發(fā)生貫穿，此時的剩余速度表示為

對于混凝土靶板上下兩面為空氣的情況，32K= 。

2 基于加速度信息的空穴識別算法

隨著MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展，基于高g值加速度計的記錄儀使得侵徹環(huán)境下彈體受力的直接測量成為可能，這也使得基于加速度計信息的起爆控制得以實現(xiàn)。一方面，基于加速度計信息的起爆算法有賴于盡可能精確的加速度測量；另一方面起爆算法也必須與現(xiàn)有的測量、解算能力相匹配。

將侵徹過程的加速度信息視為短時非平穩(wěn)隨機(jī)信號，則可利用隨機(jī)信號的自相關(guān)函數(shù)來描述隨機(jī)過程中不同時刻信息的相關(guān)程度。偽自相關(guān)[10]是在脈沖壓縮和自相關(guān)原理的基礎(chǔ)上，運用積分處理的思想，對信號的模進(jìn)行自乘，再通過低通濾波器提取出信號的包絡(luò)，其原理如圖2所示。

在這個理論中不需要考慮原始信號的結(jié)構(gòu)，利用信號自乘實現(xiàn)信號調(diào)頻，利用巴特沃斯低通濾波器實現(xiàn)信號調(diào)制。

圖2 空穴識別基本流程Fig.2 Basic flowchart of void sensing algorithm

3 基于加速度信息的計行程算法

由彈體著靶初速和侵徹加速度計算侵徹深度，可以不受靶體材料參數(shù)等條件的限制，實時計算侵徹深度，實現(xiàn)自適應(yīng)炸點控制[6,11]。其好處是可以探測彈體侵徹目標(biāo)全過程的加速度變化，但缺點是引信的復(fù)雜程度大大增強，對傳感器性能要求和功耗等提出更高要求。

在彈體為剛體，侵徹中無較大變形，彈體在目標(biāo)中是直線運動等假設(shè)條件下，彈體的速度可以表示加速度的一次積分，侵徹深度為加速度的二次積分，即：

連續(xù)形式的速度、深度公式分別表示為

離散形式的速度、深度公式為

從而有遞推形式：

式(11)(12)給出了兩種位移積分方案，分別是矩形積分和梯形積分。其實質(zhì)就是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中高度通道的短時間更新，其中sT表示高g值加速度計采樣時間。

4 算法驗證

4.1 數(shù)學(xué)仿真驗證

利用Dyna軟件對某型彈藥侵徹兩層鋼靶進(jìn)行了仿真，其模型如圖3所示。彈體直徑為120 mm，總長220 mm，頭部為卵形彈頭，彈體材料為45號鋼，靶板材料為Q235，其具體參數(shù)如表3所示。仿真中，兩層鋼靶厚度均為5 mm，靶間距為0.8 m，彈體入靶速度為170 m/s，出靶速度為122 m/s。

仿真的原始過載曲線如圖4所示。

圖3 侵徹兩層鋼靶仿真模型Fig.3 Simulation model of two-layered steel targets

圖4 侵徹加速度仿真曲線Fig.4 Simulated penetrating acceleration

圖5 空穴識別算法結(jié)果Fig.5 Void sensing result

圖6 原始速度及解算速度曲線Fig.6 Original velocity and the calculated one

圖7 矩形積分位移及位移誤差曲線Fig.7 Rectangular integrated displacement and the displacement error

表3 鋼靶仿真參數(shù)Tab.3 Model parameters of steel target

4.2 試驗驗證

圖8為某次高速侵徹五層混凝土靶試驗的布局。首靶厚0.3 m，其余四靶厚0.18 m，傾斜70°，靶間距3.5 m，末靶距回收裝置也為 3.5 m，因此實際位移約18.6 m。利用高速相機(jī)拍攝確定的入靶初速為717 m/s，五層靶后的速度為660 m/s。

圖9為加速度計誤差校準(zhǔn)后[12]的過載信號。

從圖5和10可見，采用偽自相關(guān)的空穴識別算法能夠較好地識別出侵徹彈藥的侵徹層數(shù)。從圖6和圖7可見，速度、位移積分算法本身具有較高的精度，但前提是初始速度信息正確和過載數(shù)據(jù)本身正確。與圖6相比，圖11解算的速度信息具有較大的波動，可能是由于沖擊后加速度計發(fā)生諧振。從圖12可見，解算出來的最終位移為19.2 m，誤差為0.6 m，誤差率為3%。進(jìn)一步仿真發(fā)現(xiàn)：位移積分算法中矩形積分和梯形積分性能相當(dāng)，同時由于時間較短，矩形積分反而更平滑；在錯誤的初始速度條件下，速度積分的趨勢相同，與真值相差恒定誤差，位移積分誤差積累，等于初始速度誤差乘以時間。

圖8 侵徹五層混凝土試驗布局Fig.8 Experiment layout of five-layered concrete targets

圖9 侵徹加速度測試曲線Fig.9 Tested penetrating acceleration

圖10 空穴識別算法結(jié)果Fig.10 Void sensing result

圖11 解算速度曲線Fig.11 Calculated velocity

圖12 矩形積分位移Fig.12 Rectangular integrated displacement

5 結(jié) 論

本文介紹了兩類精確炸點控制技術(shù)，一類是基于侵徹深度經(jīng)驗公式，另一類是基于高g值加速度計測量信息實時解算。通過對加速度信息進(jìn)行偽自相關(guān)處理，能夠?qū)崿F(xiàn)侵徹過程中的空穴識別。在給定初始速度條件下，還可實時解算侵徹深度。其實質(zhì)就是慣性導(dǎo)航算法中高度通道的短時更新。侵徹彈藥炸點精確控制算法的實現(xiàn)有賴于彈上傳感器的精確測量。美軍也在考慮利用更簡單、更便宜的應(yīng)力計來取代復(fù)雜的加速度計進(jìn)行起爆控制[13]。

（References）：

[1] 李蓉, 陳侃, 康興國, 等. 硬目標(biāo)侵徹引信炸點控制方法綜述[J]. 探測與控制學(xué)報, 2010, 32(6): 1-4.

Li Rong, Chen Kan, Kang Xing-guo, et al. Hard target smart fuze detonating control summary[J]. Journal of Detection & Control, 2010, 32(6): 1-4.

[2] 侯超, 劉勇濤, 楊旭. 侵徹硬目標(biāo)武器及其智能引信關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 航空兵器, 2012(2): 44-48.

Hou Chao, Liu Yong-tao, Yang Xu. Penetration hard target weapons and the key technology research of its smart fuse[J]. Aero Weaponry, 2012(2): 44-48.

[3] Hakan H. Warhead penetration in concrete protective structures[D]. Stockholm: Royal Institute of Technology, 2011.

[4] Bradley M B, William A F. Method for delayed detonation of a penetrating weapon and related apparatus and system[P]. US. 2006/0090663.

[5] 歐陽科, 楊永輝, 阮朝陽. 基于加速度傳感器和開關(guān)信號融合的計層算法[J]. 探測與控制學(xué)報, 2012, 34(2): 7-10.

Ou Yang-ke, Yang Yong-hui, Ruan Zhao-yang. A layer count algorithm based on fusion of acceleration sensor and MEMS impact switch signals[J]. Journal of Detection & Control, 2012, 34(2): 7-10.

[6] Sibeaud J M, Hottelet A, Delmas A, et al. Kinetic energy perforation of concrete slabs: investigation of embedded high g load sensing[C]//27th International Symposium on Ballistics. Freiburg, Germany, 2013.

[7] Young C W. Penetration equations[R]. Albuquerque, New Mexico: Sandia National Laboratories, October 1997.

[8] National Research Council. Effects of nuclear earthpenetrator and other weapons[M]. Washington: The National Academies Press, 2005.

[9] Li J Z, Lv Z J, Zhang H S, et al. Perforation experiments of concrete targets with residual velocity measurements[J]. International Journal of Impact Engineering, 2013, 57: 1-6.

[10] 郭曉雪, 張亞, 李世中, 等. 基于偽自相關(guān)的侵徹數(shù)據(jù)處理方法[J]. 探測與控制學(xué)報, 2012, 34(6): 45-48.

Guo Xiao-xue, Zhang Ya, Li Shi-zhong, et al. Penetration data processing based on pseudo autocorrelation[J]. Journal of Detection & Control, 2012, 34(6): 45-48.

[11] Warren T L, Forrestal M J, Randles P W. Evaluation of large amplitude deceleration data from projectile penetration into concrete targets[J]. Experimental Mechanics, 2014, 54: 241-253.

[12] 范錦彪, 祖靜, 徐鵬, 等. 彈丸侵徹混凝土目標(biāo)減加速信號的處理原則[J]. 探測與控制學(xué)報, 2012, 34(4): 1-5, 9.

Fan Jin-biao, Zu Jing, Xu Peng, et al. Impact deceleration signal processing for concrete target penetration[J]. Journal of Detection & Control, 2012, 34(4): 1-5, 9.

[13] Chor C S. A business case analysis of the hard target void sensing fuze(HTVSF) joint capability technology demonstration (JCTD)[D]. Monterey: Naval Postgraduate School, 2008.

Precise detonating-control technique for hard-target penetration fuze

YOU Jin-chuan, LI Dong-jie, OU Yang-ke, ZHAO Hui
(Institute of Electronic Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

The hard-target penetration fuze must initiate detonation on the right occasion during the penetration. Two kinds of precise point detonating control schemes are compared, one is based on the empirical penetration formula, and the other on the penetration deceleration measured by the recorder-borne high-g accelerometer. The accuracy of the former is dependent on the a-priori information totally. However the latter is determined by the accurate measurement of the impact acceleration and the real-time computation of the control methodologies. A void sensing algorithm based on the pseudo autocorrelation is put forward. The linear FM pulse is compressed by involution, and then the smooth acceleration signal envelope is extracted by a low pass filter. Moreover, a real time integration algorithm for calculation the depth of penetration is given in detail. The algorithms are demonstrated based on the penetration accelerations from numerical simulation of two-layered steel target and experiment measurement of five-layered concrete target. The counts of penetration medium can be identified correctly by the void sensing algorithm. The double integration of the compensated impact acceleration is consistent with the measured displacement of the penetrator, and the relative error is about 3%.

hard-target penetration fuze; empirical equation; high-g accelerometer; void sensing; penetration depth

TJ430.6

A

1005-6734(2016)01-0114-05

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2016.01.021

2015-11-08；

2016-01-23

中國工程物理研究院基金（RMC-2014-ZZ-A0203）

游金川（1982—），男，博士，助理研究員，主要研究方向為侵徹信號分析。E-mail: 103472539@qq.com