侵彻引信炸点精确控制技术

游金川，李东杰，欧阳科，赵 慧

（中国工程物理研究院 电子工程研究所，绵阳 621900）

侵彻引信炸点精确控制技术

游金川，李东杰，欧阳科，赵 慧

（中国工程物理研究院 电子工程研究所，绵阳 621900）

为了实现侵彻弹药的高效毁伤，硬目标侵彻引信必须完成最佳炸点识别和起爆控制任务。对比研究了两类炸点精确控制方案：一类是基于侵彻深度经验公式，另一类是基于侵彻引信记录装置中的高g值加速度计测量信息。前者的精度完全依赖于先验信息，而后者的精度则取决于冲击加速度的精确测量和控制算法的实时解算。给出了基于伪自相关的空穴识别算法。冲击加速度信号自乘实现调频脉冲压缩，再通过低通滤波即可提取出平滑的侵彻信号包络线。进一步，详细推导了实时计算侵彻深度的积分算法。利用数学仿真的侵彻两层钢靶和实测的侵彻五层混凝土靶冲击加速度进行了算法验证。空穴识别算法能够准确识别出侵彻介质的层数，而冲击加速度的双积分与弹体实际位移保持一致，相对误差约3%。

硬目标侵彻引信；经验公式；高g值加速度计；空穴识别；侵彻深度

现代战争中，世界各国纷纷将重要军事设施掩埋于硬式掩体或深埋地下，侵彻武器应运而生。为了对掩体和掩体保护的目标实现最佳的杀伤破坏，其核心器件侵彻引信必须根据技战术要求，结合对目标环境的识别，实时监控弹丸侵彻历程和状态，控制战斗部在最佳起爆位置起爆，完成对目标的最佳毁伤[1-3]。侵彻引信对其起爆位置的控制精度是硬目标侵彻武器最重要的考核标准，也是硬目标侵彻武器能否发挥最佳效能的直接因素。因此，对侵彻引信起爆位置的精确控制尤为重要。

目前，硬目标侵彻引信的起爆控制方法主要有 4种：计时起爆、计层/计空穴起爆、计行程起爆和介质识别起爆[4]。欧阳科等[5]给出了基于加速度传感器和开关信号融合的计层算法。Sibeaud等[6]提出将侵彻前弹药制导系统的信息传递给引信系统，进而利用高g值加速度计信号实现自适应起爆。本文拟对基于侵彻深度经验公式和基于加速度计信号的炸点控制技术进行比较，并利用伪自相关技术实现空穴识别。在此基础上，设计了实时解算侵彻行程的算法。数学仿真和试验数据验证了算法的有效性。

1 基于经验公式的炸点控制

1.1 最大侵彻深度估计

国内外对弹体侵彻进行了大量的试验研究，在经验公式的积累上取得了很多的科研成果。各国乃至各个实验室都先后提出适合自己实际的经验公式。目前，用来计算侵彻混凝土、岩石的经验公式有40多种，这些公式在实际工程中得到广泛应用，其中最突出的以美国圣地亚国家实验室（SNL）和陆军水道实验室（WES）提出的经验公式为代表。这里以Young公式[7]为例，估计侵彻弹药最大侵彻深度。

1.1.1 战斗部参数

图1为典型侵彻武器外形图[8]，表1给出了其主要参数。

图1 典型侵彻武器外形图Fig.1 Typical earth-penetrator weapon case

表1 侵彻武器重要参数Tab.1 Important parameters of earth penetrator weapon

对于正切卵形头部/尖拱形头部，其弹头侵彻性能参数为

而对于锥形头部，其弹头侵彻性能参数表示为

1.1.2 混凝土靶参数

表2 混凝土靶标参数Tab.2 Concrete target parameters

从而表征混凝土的可侵彻性参数为

1.2.3 听力测定的测量方法 听力检查参照《声学 纯音气导听阈测定听力保护用》(GB7583-87),在本底值噪声<30d B(A)的隔音室内,由经过培训的专业医务人员使用美国GSI-61纯音听力计对所有对象进行左、右耳语频频段(500Hz、1000Hz和2000Hz)和高频频段(3000Hz、4000Hz和6000Hz)共6个频率的纯音气导听阈测试。

同时，弹头质量也将影响侵彻深度，其影响因子为

从而最终的侵彻深度估计公式为

常数S是一个经验值，与靶标材料密切相关。它是通过特定弹丸对特定地质材料侵彻试验测量到的侵彻深度应用上述公式得到的。特定地质材料合理的经验常数是通过多次侵彻试验获得的S值平均得到的。一旦特定地质材料的S值经过试验确定之后，等式中的其他参数可能再根据估计的侵彻深度进行微调。对于没有足够数据计算S，则推荐 0.9S= 。而对于中等强度岩石，其取值 0.76S= ；低强度岩石，其取值S=1.3；粉质黏土，其取值[5]为S=8.0。

1.2 剩余速度和延迟时间

当靶板厚度小于最大侵彻深度时，将会发生贯穿，此时的剩余速度表示为

对于混凝土靶板上下两面为空气的情况，32K= 。

2 基于加速度信息的空穴识别算法

随着MEMS技术的迅速发展，基于高g值加速度计的记录仪使得侵彻环境下弹体受力的直接测量成为可能，这也使得基于加速度计信息的起爆控制得以实现。一方面，基于加速度计信息的起爆算法有赖于尽可能精确的加速度测量；另一方面起爆算法也必须与现有的测量、解算能力相匹配。

将侵彻过程的加速度信息视为短时非平稳随机信号，则可利用随机信号的自相关函数来描述随机过程中不同时刻信息的相关程度。伪自相关[10]是在脉冲压缩和自相关原理的基础上，运用积分处理的思想，对信号的模进行自乘，再通过低通滤波器提取出信号的包络，其原理如图2所示。

在这个理论中不需要考虑原始信号的结构，利用信号自乘实现信号调频，利用巴特沃斯低通滤波器实现信号调制。

图2 空穴识别基本流程Fig.2 Basic flowchart of void sensing algorithm

3 基于加速度信息的计行程算法

由弹体着靶初速和侵彻加速度计算侵彻深度，可以不受靶体材料参数等条件的限制，实时计算侵彻深度，实现自适应炸点控制[6,11]。其好处是可以探测弹体侵彻目标全过程的加速度变化，但缺点是引信的复杂程度大大增强，对传感器性能要求和功耗等提出更高要求。

在弹体为刚体，侵彻中无较大变形，弹体在目标中是直线运动等假设条件下，弹体的速度可以表示加速度的一次积分，侵彻深度为加速度的二次积分，即：

连续形式的速度、深度公式分别表示为

离散形式的速度、深度公式为

从而有递推形式：

式(11)(12)给出了两种位移积分方案，分别是矩形积分和梯形积分。其实质就是惯性导航系统中高度通道的短时间更新，其中sT表示高g值加速度计采样时间。

4 算法验证

4.1 数学仿真验证

利用Dyna软件对某型弹药侵彻两层钢靶进行了仿真，其模型如图3所示。弹体直径为120 mm，总长220 mm，头部为卵形弹头，弹体材料为45号钢，靶板材料为Q235，其具体参数如表3所示。仿真中，两层钢靶厚度均为5 mm，靶间距为0.8 m，弹体入靶速度为170 m/s，出靶速度为122 m/s。

仿真的原始过载曲线如图4所示。

图3 侵彻两层钢靶仿真模型Fig.3 Simulation model of two-layered steel targets

图4 侵彻加速度仿真曲线Fig.4 Simulated penetrating acceleration

图5 空穴识别算法结果Fig.5 Void sensing result

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

图7 矩形积分位移及位移误差曲线Fig.7 Rectangular integrated displacement and the displacement error

表3 钢靶仿真参数Tab.3 Model parameters of steel target

4.2 试验验证

图8为某次高速侵彻五层混凝土靶试验的布局。首靶厚0.3 m，其余四靶厚0.18 m，倾斜70°，靶间距3.5 m，末靶距回收装置也为 3.5 m，因此实际位移约18.6 m。利用高速相机拍摄确定的入靶初速为717 m/s，五层靶后的速度为660 m/s。

图9为加速度计误差校准后[12]的过载信号。

从图5和10可见，采用伪自相关的空穴识别算法能够较好地识别出侵彻弹药的侵彻层数。从图6和图7可见，速度、位移积分算法本身具有较高的精度，但前提是初始速度信息正确和过载数据本身正确。与图6相比，图11解算的速度信息具有较大的波动，可能是由于冲击后加速度计发生谐振。从图12可见，解算出来的最终位移为19.2 m，误差为0.6 m，误差率为3%。进一步仿真发现：位移积分算法中矩形积分和梯形积分性能相当，同时由于时间较短，矩形积分反而更平滑；在错误的初始速度条件下，速度积分的趋势相同，与真值相差恒定误差，位移积分误差积累，等于初始速度误差乘以时间。

图8 侵彻五层混凝土试验布局Fig.8 Experiment layout of five-layered concrete targets

图9 侵彻加速度测试曲线Fig.9 Tested penetrating acceleration

图10 空穴识别算法结果Fig.10 Void sensing result

图11 解算速度曲线Fig.11 Calculated velocity

图12 矩形积分位移Fig.12 Rectangular integrated displacement

5 结 论

本文介绍了两类精确炸点控制技术，一类是基于侵彻深度经验公式，另一类是基于高g值加速度计测量信息实时解算。通过对加速度信息进行伪自相关处理，能够实现侵彻过程中的空穴识别。在给定初始速度条件下，还可实时解算侵彻深度。其实质就是惯性导航算法中高度通道的短时更新。侵彻弹药炸点精确控制算法的实现有赖于弹上传感器的精确测量。美军也在考虑利用更简单、更便宜的应力计来取代复杂的加速度计进行起爆控制[13]。

（References）：

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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

中国工程物理研究院基金（RMC-2014-ZZ-A0203）

游金川（1982—），男，博士，助理研究员，主要研究方向为侵彻信号分析。E-mail: 103472539@qq.com