硬目标侵彻引信计层技术现状与展望

于润祥，石庚辰

（机电动态控制重点实验室北京分部，北京 100081）

0 引言

自海湾战争以来，无论武器的威力还是打击精度都在迅速提高，因此不同形式的防护目标相继出现，例如指挥控制中心、弹药库、机库、航母等。为了对这些防护能力强的高价值目标进行有效攻击，出现了硬目标侵彻武器。在硬目标侵彻武器的发展中，硬目标侵彻引信技术的地位至关重要，将其配备于航空炸弹、钻地导弹、反航母战斗部等，可实现对目标的最大毁伤效果。硬目标侵彻引信一般具有定时、计行程、计层数／空缺、介质识别等功能［1－2］。具有在高过载条件下能够自适应起爆的功能，主要通过高g值加速度传感器或者加速度阈值开关来敏感弹丸的侵彻状态，对获取的信号进行相关的处理，提取弹丸与侵彻介质的相对状态，最后利用控制器来实时地判断是否起爆弹药。

多层硬目标侵彻引信由于作用方式多样化，灵巧化，能够自适应的感知目标信息，所以与常规的机电引信相比，涉及的技术要相对复杂。目前欧美军事强国已经发展了多个系列的侵彻硬目标引信并将其装备到部队，且在实战中发挥了巨大的威力。国内根据实际的战场需要，也发展了相关的侵彻弹药，但是与欧美等国相比还是存在一定的差距［3］。

为了促进我国侵彻引信的发展，对硬目标侵彻领域的技术进行了梳理；归纳与分析目前硬目标侵彻引信所涉及的技术难点，在现有的研究基础上，通过寻找新的技术途径，才可能解决所涉及的难题。

1 多层硬目标侵彻引信研究现状

我国在多层侵彻硬目标引信领域起步较晚，但是发展的很快，已有相关的引信配备于战斗部。可用于反机场跑道侵彻弹、钻地弹、反舰战斗部等［4］。主要起爆方式还是以定时起爆为主，因此毁伤效能有限。目前相关单位围绕着侵彻机理、高g值传感器、信号处理等做了系统的研究，取得了一系列的成果。

欧美国家一直引领着侵彻智能引信的发展，每年的美国引信年会都会涉及侵彻引信方面的最新研究报道［5－8］。目前比较典型的多层硬目标侵彻引信包括硬目标灵巧引信（HTSF）、硬目标空缺感知引信（HTVSF）、可编程智能多用途引信（PIMPF）。

其中HTSF硬目标智能引信在ATK公司经过几年的改进后仍未解决其存在的技术问题，主要是定深问题。美军启动了HTSF的后续研究，这就是被称为HTVSF的硬目标空缺感知引信，HTVSF提出的技术指标主要包括：（1）侵彻硬度不低于具有10 000（lb／in2）抗力的混凝土目标时仍能正常工作；（2）空缺敏感；（3）可座舱装定；（4）引信具有良好的可生产性与高可靠性。

表1 HTSF、HTVSF、PIMPF三种引信系统的技术指标对比Tab.1 Contrast study on main technical of HTSF、HTVSF、PIMPF

由表1可见HTVSF是HTSF的缩水版，其作用模式中已经没有了HTSF所要求的计行程起爆模式。从我国研究的情况看，鉴于目标的复杂性（钢筋、石块的尺度、硬度、分布等）、着角的散布、加速度计的精度等多方面的影响，计行程、深度的误差很难达到50%以下，没有实用价值。说明国外对产品性能广告性的宣传，不可全信。包括有关报道中提到的侵彻60m深度，以其速度、质量、阻力计算，从理论上都讲不通。

从某种意义上来说，PIMPF已经符合了美国的HTVSF技术需求。由于PIMPF已经成功装备了德国的TAURUS空地导弹，并已经被瑞典选为新一代反舰导弹NSM的引信，说明该产品的可靠性已经得到了肯定。

从上可得出一个结论：高准确度的穿层算法、高可靠性已经成为硬目标侵彻引信应首要满足的指标要求。

2 多层硬目标侵彻引信关键技术

多层硬目标侵彻引信是一种在侵彻过程中，具有自适应控制起爆的智能引信，主要涉及传感与控制领域的技术，其组成结构如图1所示。目标探测装置用于探测弹丸碰目标时目标特性的检测，得到弹丸侵彻目标过程的减加速度，经过信号处理与控制装置的处理，可得到弹丸的穿层数量或弹丸在目标中的行程，并根据预定的起爆条件，控制弹丸在穿过预定的层数后或到达预定的侵彻深度后起爆，达到最大的毁伤效果。

从目前发表的有关侵彻引信的研究论文来看，以对传感器与信号处理的研究居多，而对计层算法的研究相对较少。

图1 硬目标侵彻引信系统组成框图Fig.1 System composition block diagram of hard target penetrating fuze

2.1 信号获取与处理方式

要想对弹丸穿层进行正确的计数，首先要获取正确的穿层信号。当前主要使用高g值加速度传感器和加速度阈值开关来获取最原始的弹丸穿层时的加速度信号［9－10］。得益于 MEMS技术的快速发展，由于多层侵彻过程中，减加速度幅值一般低于10万g，因此基于MEMS技术的高g值传感器基本可以满足多层侵彻用对加速度传感器的需求。加速度开关也可以用于多层侵彻过程中对空缺和穿层的技术，但是由于高频振动，容易引起误操作，一般和加速度传感器结合起来使用。

多层侵彻硬目标信号是一种典型的非平稳随机信号。对其贡献最大的两种组成信号是弹丸碰目标时的过载信号和弹丸结构振动造成的扰动信号。其中弹丸的结构响应信号是干扰信号，如何去除干扰信号是准确计层的基础，因此针对不同的情况，需要研究合适的去噪方法。

对于通过加速度传感器获取的穿层信号，一般进行滤波，将高频响应信号滤除，获取刚体过载信号，一般有机械滤波和电气滤波两种滤波方式。其中机械滤波是从缓冲和对应力波进行衰减的角度进行滤波。一般使用缓冲材料进行机械滤波，将引信与弹丸通过缓冲材料隔离开，其主要的机理是利用应力波在不同界面处会发生透射与反射衰减，从而将高频响应信号滤除。图2是文献［11］使用橡胶垫进行机械滤波前后的冲击信号对比图，从图中可以看出，滤波后的信号比较平缓，可以滤除高频信号。机械滤波受缓冲材料的特性影响，不同的材料对滤波的截止频率的影响不同，需要在多次试验的基础上合理的选取截止频率。

图2 冲击加速度信号机械滤波图Fig.2 Mechanical filter diagram of impact acceleration

电气滤波同样面临如何选取合理截止频率的问题。文献［12］对获取的侵彻加速度信号进行了电气滤波。首先对弹丸进行模态分析，并将实测数据进行谱分析，选取合适的截止频率进行滤波，从而获取相应的刚体过载。由于利用LSDYNA进行模拟仿真时，弹丸视为刚体，无法得到弹丸在侵彻过程中的真实约束条件，因此根据模拟的各阶频率选取截止频率与实际是存在差别的。

文献［13］针对滤波截止频率难以准确地确定，提出使用相关滤波法对侵彻加速度信号进行去噪，并指出使用半正弦信号作为与侵彻加速度进行相关的标准信号，利用FPGA实现对侵彻两层混凝土信号进行相关，有效地抑制了噪声信号。该方法未在实际中应用，有效性尚未得到验证。

文献［14］将仿真过载信号利用小波变换逐层分解，得到了信号中各频率成分的时频分布图，提取了弹丸的刚体加速度信息。文献［15］利用小波分析将硬目标侵彻加速度信号进行分解，获取特征信号。由于小波变换是一种线性变换，只能根据信号的特征选择小波基，一旦确定下来小波基，在整个分解过程不能更换小波基，因此对不同的侵彻加速度信号，误差可能较大。

随着信号处理技术的快速发展，可以使用现代信号处理方法对多层侵彻信号进行实时处理，从而获取侵彻信号的特征。文献［16］系统的对侵彻加速度信号进行了研究。在Hilbert－Huang变换理论的基础上，利用总体经验模态分解法（EEMD）对侵彻加速度信号进行分解，得到一系列的固有模态函数（IMF）。每阶的IMF分量体现了侵彻加速度信号高频和低频信号的组成成分，与弹体在锤击实验条件下得到的振动规律基本吻合，证明EEMD算法能够有效地提取侵彻加速度信号的穿层特征。针对EEMD算法硬件实现困难，提出匹配相关算法，其本质上是一种互相关算法。通过对多层侵彻加速度信号进行两次互相关运算，获取了准确的侵彻特征，原理如图3所示。由于要进行多次FFT变换，不适用于实时性要求高的侵彻场合。

图3 侵彻加速度信号相关匹配原理Fig.3 Autocorrelation matching principle of penetration acceleration

2.2 计层技术

对于侵彻多层硬目标时的层数识别问题，包括两方面的问题，即软件算法和硬件实现问题。文献［17］提出了一种过载阈值识别法计层原理，其本质与文献［18］论述的基于幅值的计层原理是相同的。其思路为：对侵彻加速度信号滤波，得到如图4（a）所示的过载信号；该过载信号只含有滤波后侵彻加速度成分（考虑到滤波后侵彻振动加速度的能量相对较小，将其视为零），其中，每一个滤波后侵彻加速度信号均代表侵彻一层靶板。通过电压比较器将该过载信号转化为图4（b）所示的脉冲信号，比较器的比较电压（电压阈值）对应过载阈值，每一个脉冲信号均代表侵彻一层靶板，为了抗干扰，对加速度信号增加延时比较功能，只有当侵彻加速度大于设定阈值一定时间后才认为是真正侵彻一层目标。将脉冲信号送入微控制器，当脉冲数等于设定的层数时，给出起爆信号，达到层数识别的目的。

上述中的阈值识别法只对侵彻多层信号特征明显的信号有效，文献［19］针对侵彻过载信号出现粘连的现象，提出了一种基于加速度传感器和开关信号融合的计层算法。图5（a）和图5（b）分别为通过加速度传感器和MEMS开关获取的多层侵彻信号。由于应力波衰减的比较慢，过载信号与高频响应信号混叠在一起，利用滤波的方法，无法有效地提取穿层特征。该算法通过对加速度传感器和MEMS开关信号分别与不同窗函数在时域中的卷积加权和得到复合信号来判断弹丸侵彻过程中的分层特征。

图4 过载阈值法识别原理Fig.4 Principle of overload threshold method

图5 基于加速度信号和开关信号融合的计层原理Fig.5 Algorithm based on fusion of acceleration sensor and MEMS impact switch signals

复合信号的公式可以表述为；

其中α，β为权值，g1（t），g2（t）为加速度输出信号与MEMS开关输出的信号分别与窗信号进行卷积后得到的特征信号。图5（c）为最后得到的复合信号，可以看出，融合后的复合信号特征明显，清晰地表述了穿层特征，从而可以使用幅值检测法对层数进行计数。该算法需要大量靶场试验数据来统计确定权值，才可得到准确的复合信号。

综合目前相关的研究文献，侵彻信号的获取与处理可归纳为：（1）先获取信号再处理的原则。通过压电或者压阻式加速度传感器获取准确的加速度信号，再进行一系列的信号处理，获取表述侵彻状态的信息。（2）先滤波再获取信号的原则。先采用机械滤波的方法，将引起高频振动的应力波反射或者隔离一部分，再通过传感器获取相对光滑的信号，然后提取响应的穿层信息。

3 多层侵彻硬目标技术展望

虽然近几年多层硬目标侵彻技术取得了长足的发展，但是还存在一些需要深入研究的问题。

3.1 新原理传感检测技术的研究

弹丸与弹速及侵彻目标的特性对计层起爆方法影响很大。当弹丸较短、弹速较小时，由于弹丸的振动响应衰减的比较快，获取的侵彻信号特征明显，如图6所示。因为计层起爆方式不需要获取准确的过载信号，所以穿层信号特征明显，信号处理相对简单。但是当弹丸较长，弹速较高时，弹体结构响应衰减慢，造成层与层过载信号相互粘连，无法有效对穿层进行识别，如图7所示。可以在弹丸与加速度传感器之间添加缓冲垫，进行滤波隔离，衰减振动过程中产生的高频应力波；研究具有机械滤波作用的新型加速度传感器，比如在普通加速度传感器的基础上，增加隔振元件，使传感器能够衰减应力波，本质上与缓冲垫滤波是一个道理。

图6 低速小弹丸侵彻多层硬目标时加速度曲线Fig.6 The penetration acceleration curve for multi－plate hard target of low speed projectile

图7 高速长弹丸侵彻多层硬目标时加速度曲线Fig.7 The penetration acceleration curve for multi－plate hard target of long projectile with high speed

在穿层过程中，对于侵彻不同的硬目标，使用不同检测原理的传感器，获取的穿层信号有很大的差异。侵彻多层金属硬目标时，在保证弹体强度的条件下，可在弹体上安装电涡流传感器，利用电涡流效应只对金属敏感的原理，提取侵彻多层金属目标的信息。

3.2 侵彻多层硬目标计层算法的硬件实现

目前单片机在实现算法上实时性差，相关文献研究了侵彻信号提取算法，只仿真了算法的有效性，未见硬件实现。对复杂的侵彻信号提取算法，控制器需要耗费过多的时间对信号处理以提取层数，而计层算法要求实时性高，如果耗时过长，即使层数能够准确地提取出来，弹丸已经穿过预定层。随着DSP、FPGA等控制器的发展，可以考虑用DSP数字信号处理器或者FPGA等硬件逻辑器件来实现计层算法的可能性及有效性。

3.3 多层硬目标侵彻模拟实验技术的研究

目前对多层硬目标侵彻的实验研究一般采用缩比弹进行实验。但由于弹长的问题，采用缩比的方法很难真实地反应实际情况，尤其是弹体振动的影响，对于穿层的识别考核，难以反应真实情况。因此，深入研究简单有效的模拟实验技术是侵彻硬目标引信发展的重要关键技术之一。

4 结论

归纳了国内外侵彻多层硬目标领域的研究现状。指出多层硬目标侵彻引信涉及的关键技术有：侵彻信号获取与处理方式、计层算法的研究及其实现。对于信号获取与处理，可以先通过机械滤波，对高频振动信号进行衰减，再利用传感器获取侵彻信号；或者对获取的信号进行一般的电气滤波、相关滤波、小波分析、EEMD等相关的信号处理方式。并且指出，对于低速、长径比小的弹丸，穿层获取的侵彻信号特征明显，能够清晰地分辨出穿层和非穿层（自由飞行）状态，可以准确地对层数进行计数。对于高速、长径比大的弹丸，信号混叠严重，现有的信号处理等技术难以准确地计算层数。最后，作出要在新原理传感检测技术、计层算法的硬件实现、硬目标侵彻模拟实验技术等方面进入深入研究的展望。

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