基于电容传感器的电容近炸引信炸高散布研究*

于 静，孔 敏，王冬梅

（1．海军航空工程学院 指挥系，山东烟台 264001;2．北京卫星导航中心，北京100094;3．海军航空工程学院控制工程系，山东烟台 264001）

0 引言

近炸引信被誉为二战的四大发明之一，自诞生以来在历次战争中都显示出了强大的威力，它的出现使弹药对目标的杀伤效能提高了数倍甚至数十倍。同时，引信作为目标探测系统，现代电子对抗要求其尽量采用无源技术，以避免为敌方提供稳健的定位信息源［1］。由于工作不依靠电磁波，电容引信能同时满足近炸和无源的要求，抗干扰能力强，是满足现代战争要求的一种最佳目标探测系统［2］。

引信的炸高散布包括2个方面:一是探测不同目标时的炸高分布;二是不同弹目交会条件下的炸高分布［7］。英国马克尼公司曾对电容近炸引信探测不同目标的炸高散布进行了实测，目标从软雪、冰、干砂、混凝土、农田到水［8］，实验证明:电容引信对几种目标的炸高最大最小值仅相差27%左右，散布小。由于电容近炸引信的探测区域是一准静电场［9］，因此，本文将从准静电场的分布特征研究不同弹目交会条件下，电容近炸引信的炸高散布。

1 电容近炸引信工作原理

基于电容传感原理［3］的电容近炸引信作用原理如图1所示，A，D为2个相互绝缘的探测电极（D通常为弹体），T为目标，Cat，Cdt为2个电极与目标间的电容，Cad为两电极之间的固有结构电容。当引信探测器远离目标时，Cat，Cdt可忽略，随着引信探测器与目标距离的不断接近，电极与目标间的电容Cat，Cdt逐渐增加，于是两电极间的总电容必然随之增加，其增加量为ΔC=CatCdt/（Cat+Cdt），电容近炸引信就是依靠检测该电容变化信息［4～6］实现识别目标和炸点控制。

图1 电容近炸引信工作原理Fig 1 Operating principle of capacitance proximity fuze

2 准静电探测场的场强分布函数

文献［9］有如下结论:作为电容引信探测器电极之一的弹体上的电荷主要集中在前半段，且弹体与前电极之间的距离越小，弹体上的等效电荷点越靠近前端。为使电容引信工作于准静电场，其工作频率一般选在几兆左右，这决定了探测器电极上主要载流部分的尺寸远小于探测空间的波长λ，因此，可以从静态电偶极子的角度来讨论电容近炸引信探测区域的场强分布。

假定两探测电极A，D上所带的电荷量分别为Qa和Qd，Pa，Pd分别为其等效电荷集中点，令Qa=Q，则Qd=－Q。因此，可以将A，D两电极简化为一对电偶极子，在球坐标（r，θ，φ）中，取电偶极子的轴与z轴重合，电偶极子的中心为坐标原点，如图2，则空间内任一点P的电位为

式中 εe为探测环境的电容率;ra为场点P与点Pa的距离;rd为场点P与点Pd的距离。

图2 简化的静态电偶极子Fig 2 Simplified static electric dipole

将式（4）与式（5）两端同除后代入式（1）得

根据球坐标下梯度和静电场场强的表达式

则由式（6），（7），（8）可得P点的场强为

场强EP的模为

3 电容近炸引信的探测方向图

式（9）描述了电容引信在起爆战斗部前探测空间内电场强度的分布规律，从中可以看出:

1）在球坐标（r，θ，φ）下，场强EP与 φ 无关，具有等r，θ条件下各向同性的特征。

2）在 θ=π/2处，归一化场强方向函数F（θ，φ）=1，即在垂直于弹轴的径向（z=c）上，若只考虑大小，电容近炸引信的径向场强方向图是一个圆，如图3所示。

图3 垂直弹轴的径向方向图Fig 3 Radial orientational pattern of vertical bomb axis

图4 φ=0°时的轴向方向图Fig 4 Axial orientational pattern when φ =0°

由上分析可以得出:电容近炸引信的等场强探测方向图近似为一个椭球，长短半轴相差约20%。

4 仿真分析

根据前文的假设，将探测电极A，D简化为电偶极子对，所带电量分别为+Q和－Q，A，D间等效间距为de。假定探测大地目标，探测环境为自由空间，弹丸落角为θ，那么，探测电极电荷及其镜像电荷关系如图5所示。

图5 探测电极与镜像电荷关系图Fig 5 Relationship between detection electrodes and image charges

由于弹目交会时间甚短，电极电荷认为不变，那么，可以假定探测器两电极为一孤立电容器，显然

将上式展开并忽略高阶差分量ΔCadΔUad，则有

当弹丸远离目标时，A，D两电极间的电位差为

当弹丸遇目标时，根据镜像原理，且dd=da+desin θ，则有

因此，可得

对不同落角下两探测电极间的相对电容变化情况进行仿真。为使仿真结果更清楚直观，采用对数坐标，如图6所示，图中2条曲线分别为0°落角和90°落角2种典型情况，而落角介于（0°，90°）之间的曲线在这2条曲线之间，由仿真结果可以得出:探测对地目标，落角θ在0°～90°之间变化时，在炸高大于电极等效间距的探测空间内极间电容变化差小于20%，与研究分析所得探测方向图为长短半轴相差20%的椭球结论基本一致。研究分析与仿真结果表明:不同弹目交会条件下电容引信探测场的方向性较均匀，其炸高受弹目交会姿态的影响较小，故对地目标具有恒炸高特性，可在弹丸落角很小的情况下正常作用，克服了触发引信的跳弹问题。

图6 落角为0°和90°的极间电容变化Fig 6 Change of interelectrode capacitance with falling angle 0°and 90°

5 结论

本文研究表明:电容近炸引信由于其工作的静电场不辐射，能量不是集中于某个方向，而是在探测电极周围呈长短半轴约相差20%的椭球形分布，因而，当与目标不同交会时，目标信号变化不大，所以，它具有不同交会条件下炸高散布小的优点，从体制上说具有无可比拟的优越性。

［1］ 崔奉云．基于电容近感原理的无源探测信号分析［J］．电子科技大学学报，2002，31（6）:562 －565．

［2］ 郝晓辉．旋转弹丸短路轴向式静电探测器探测性能［J］．兵工学报，2009，30（3）:415 －418．

［3］ 黄 玉．微位移电容传感电路的噪声分析与实验研究［J］．传感技术学报，2008，21（10）:1713 －1716．

［4］ 于玉亭．电容探测器性能改进研究［D］．北京:北京理工大学，2008．

［5］ 倪 亮．主动式静电探测研究［D］．北京:北京理工大学，2008．

［6］ 张 鑫，崔占忠，徐立新．主动式静电引信电场分析［J］．仪器仪表学报，2011，32（8）:1989 －1902．

［7］ 孙常林．精确定距电容近炸引信电路设计的研究［D］．北京:北京理工大学，2006．

［8］ Gerben Willem De Jong．Smart capacitive sensors［D］．Delft:Delft University，1994．

［9］ 邓甲昊．电容近程目标探测技术理论研究［D］．北京:北京理工大学，1998．

［10］ Guru Bhag Singh，Hiziroglu Hüseyin R．电磁场与电磁波［M］．周克定，等，译．2版．北京:机械工业出版社，2006．