ESAD中多路起爆输入信号优化识别方法

李会兵，孙国先

（西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065）

目前，引信安全系统由机械式安全系统、机电式安全系统和全电子安全系统（ESAD）组成。全电子安全系统是由冲击片雷管结合不含敏感火工品发展起来的第三代引信安全系统[1-3]。全电子安全系统根据预先设定的不可逆的环境信息，自主识别并解除保险后，起爆输入信号的有效确认决定了起爆的时机、方位和空间,进而提高战斗部的有效毁伤效果。当多路起爆输入信号同时满足预先设定的起爆阈值要求时，对其进行识别与处理至关重要。

对于起爆输入信号的识别，文献[4]提出了利用MEMS加速度传感器将碰撞目标产生的过载信号转变为电压信号，利用“阈值+时间窗”的算法对导弹碰撞目标过程中产生的过载信号进行识别，但是利用该方法进行识别时，时间窗宽度设置相对较小，当多路起爆输入信号同时输入时，存在漏识别或者晚识别到有效输入信号的可能，实时性较差。文献[5]提出了将引信起爆输入信号进行AD采集，采集结果平滑滤波和信号最大值、最小极值判断等处理，对起爆输入信号的有效性进行确认，但是该方法只对低频起爆输入信号有效，对于导弹碰撞目标时产生的微秒级多路输入信号，不能有效识别，可能造成瞎火，可靠性不高。

针对ESAD中多路起爆输入信号同时满足起爆要求时，识别可靠性不高，实时性较差的问题，提出了ESAD中多路起爆输入信号优化识别方法。

1 研究基础

1.1 触发过载输入信号

目前,在导弹飞行时，触发引信与目标直接撞击，通过碰撞过载感知目标信息[6-7]，若感知的过载信息满足预先设定的触发起爆条件，则输出起爆信号，引爆战斗部。随着导弹导引精度、直接力控制等新技术的发展，导弹在飞行过程中直接碰撞目标的概率在增大[8]，触发引信的重要性也越来越重要。在设计触发引信时，表征引信在碰触目标时反应速度的指标为灵敏度。灵敏度设计时基于安全性的考虑，防止误输出，设计触发过载小于某一个值（200 g）时，不能启动；但是基于工作可靠性的考虑，保证可靠有效的输出，大于等于某一个值（300 g）时，必须启动。为了避免触发引信的触发开关因弹体振动，意外闭合而可能导致任务失败[9],利用MSMS加速度传感器感应撞击目标时的触发过载，根据导弹的轴向将感应到的过载信号分解为X方向、Y方向和Z方向，每个方向感应各自方向过载的大小，输出相应的电压信号，采用微控制器软件进行识别，能够有效地提高触发过载的可靠性和实时性。在实际飞行试验中，根据弹体与目标碰撞的着角不同，MEMS加速度传感器3个方向感受的过载值大小不同[4]，需要通过软件算法，对X、Y、Z方向进行实时采集，确认某一个方向的触发过载满足预先设定的起爆条件，输出起爆信号。

1.2 硬目标侵彻引信过载识别方法

硬目标侵彻引信在侵彻过程中，利用安装于引信内部的MEMS加速度传感器对侵彻过程中的目标信息进行识别，感受撞击目标的过程[10-12]。利用MEMS加速度传感器感受层目标，确定引信与目标的接触策略，具体工作过程如下所示。

假设引信工作后，实时采集采样传感器输出的值为a1，为3个预先设定的加速度阈值，设计识别一个有效目标层的方法，如下：

1）引信上电后，连续采集传感器输出的过载信号，当采集到3个加速度值满足，时，认为弹丸已经碰击目标；

2）在确认到弹丸已经碰击目标后，继续采集n1个加速度值（根据弹速预先设定），若有n2个大于或等于，则认为弹丸整体已经侵入有效目标，不是异常振动干扰；

3）根据预先设定的时间，延时一段时间t；

4）记录弹体侵入的有效层数，判断结果是否与预先设定的起爆层数一致，若满足设定，则发出起爆信号，否则跳转至1）继续识别[9]。

1.3 发射过载识别方法

采用“阈值+时间窗”的方法，对发射过载进行辨识，是引信设计中有效的方法之一。根据预先设定的条件，进行发射环境确认，实现保险解除。

利用“阈值+时间窗”的方法完成发射过载的识别，即在一个以采样频率为移动速度的时间窗内保存每次采集的发射过载值，并且对整个时间窗内的阈值进行判断，如果满足预先设定的阈值要求，则认为识别到发射过载；否则继续执行采集，直到满足要求[13]。利用这种方法能够在一定条件下去除软件识别过载时周期性的干扰信号，提高发射过载有效性的辨识能力。

2 多路起爆输入信号优化识别方法

对于多路起爆输入信号都满足起爆条件时，识别可靠性不高、实时性较差的问题，提出了ESAD中多路起爆输入信号优化识别方法，即采用并行滑动采集多路起爆输入信号，在一个采样周期T内，对每一路起爆输入信号同时进行采样，并保存采样结果，在每一路相应的时间窗内，用最新的采集数据替换最旧的采集数据，并且判断时间窗内每一路起爆输入信号的采样结果是否满足预先设定的阈值要求，若满足，则认为起爆输入信号有效，输出起爆信号；否则继续执行下一个采样周期T。多路起爆输入信号优化识别方法能够实现在单内核控制器中的多路准并行处理。具体方法如图1所示。

图1 多路起爆输入信号优化识别方法

并行滑动采集多路起爆输入信号，在一个采样周期内，通过调节每一路输入信号的采集点数，提高采样频率，增加此路信号有效性识别的宽度，提高识别多路输入信号的可靠性，降低出现误识别输入信号的概率；且当多路输入信号同时满足要求时，与串行采集执行完某一路后进行有效性判断相比，并行滑动采集在每一个采样点利用滑窗采集后，都进行是否起爆的有效性判断，可以提高多路起爆信号同时输入时的实时响应时间。

图1以四路起爆输入方式为例说明并行滑动采集多路起爆输入信号，即以指令起爆，X、Y、Z方向触地过载为例说明多路起爆输入信号优化识别方法。先设定每一个输入方式的时间窗，再设定一个采集周期内每一个输入方式需要采集的次数Q（该方法中，指令起爆一个周期内的采集次数Q=3；X方向过载、Y方向过载和Z方向过载的采集次数Q=1）；然后在一个采样周期T内，分别依次采集指令起爆、X方向触地过载、Y方向触地过载、Z方向触地过载，将采集的数据保存在与之对应的时间窗内，且每次采集的最新结果data最新总是替换时间窗内最久保存的数据data最旧，最后判断在该次采集时刻，相应的时间窗中保存的有效数据是否满足起爆要求，若满足起爆要求，则输出起爆信号；否则继续循环依次采集，直到某一路输入信号满足设定要求。

3 试验验证

为了验证该方法的可行性，在试验室中搭建验证环境，采用软件编写并行滑动采集多路起爆输入信号的过程，模拟四路起爆输入信号：指令起爆，X、Y、Z方向触地过载进行软件算法验证。模拟输入验证框图如图2所示。

图2 模拟输入验证框图

测试判断条件：在试验过程中，利用试验室模拟碰撞过程，如果模拟输出有效值（高电平），则表明利用并行滑动采集多路起爆输入信号的方法有效，正确识别到输入信号；若模拟输出无效值（低电平信号），则表示利用并行滑动采集多路起爆输入信号的方法没有正确识别到输入信号。

3.1 X、Y、Z 3个方向触地过载输入算法验证

引信触发过载采用MEMS加速度传感器进行感应[14-16]，为了验证该算法的有效性，在试验室环境模拟AD公司的MEMS加速度传感器ADXL001碰撞目标时[17]，将感受到的过载变化信息作为输入，利用任意波形发生器进行模拟，完成验证。

在X、Y、Z3个方向触地过载输入验证过程中，利用任意波形发生器模拟X方向过载（Q=1）、Y方向过载（Q=1）和Z方向过载（Q=1），验证X、Y、Z3个方向触地过载起爆信号同时输入时，验证并行滑动采集算法的可靠性和实时性。

设定过载值D，当D>250 g时，且过载维持宽度H>530μs时，过载值有效。利用任意波形发生器1、2、3分别模拟不同方向碰撞目标的过载值，并利用同步信号控制任意波形发生器同步输出预先设定信号的时机，模拟ESAD碰撞目标时的过载变化情况。

MEMS加速度传感器的初值为2.5 V（模拟0 g），变化0.6 V（模拟变化250 g），过载维持时间t设置为480μs、560μs、800μs。根据并行滑动采集算法的设计，采样周期T设置为53μs（采样频率约为18 kHz左右），当过载维持时间大于530μs时，输出起爆信号。设定的过载输入波形如图3所示，测试结果见图4，测试数据见表1。

表1 X、Y、Z方向模拟过载输入

图3 模拟碰合瞬间输入波形

图4 实际测试结果

由图4可以看出，在模拟碰撞目标过程中，X、Y、Z3个方向都产生了触地过载，根据预先设定的条件，过载大于250 g，且过载维持时间大于530μs时，利用并行滑动多路采集方法识别到有效输入信号，并且输出起爆信号。图4中，Z向过载值、过载维持时间也满足起爆输入条件，但是并没有输出起爆信号，因为并行滑动多路采集已经识别到了X方向的过载，且输出了起爆信号。不存在晚识别其他输入通道的情况，多次采集过程中得到的结论相同,因此不会存在晚识别的情况,提高了起爆输出信号的实时性。

由表1可以看出，模拟碰撞目标过程时，在满足预先设定的530μs瞬发度时间内，都可以进行过载采集，增加了X、Y、Z3个方向触地过载的有效识别宽度，与参考文献[4]中识别宽度占设定值相比，能够提高到90%以上，使识别可靠性大大增强。且其他通道的干扰信号不影响有效通道的输入，能够有效剔除干扰，提高可靠性和实时性。

3.2 X、Y方向触地过载和指令起爆输入算法验证

采用任意波形发生器4，调节指令起爆（Q=3）的输出宽度；利用任意波形发生器1和2，模拟碰撞目标的X、Y方向触地过载（Q=1），进一步验证三路起爆输入信号优化识别方法的有效性[18-19]。过载输入模拟情况与上文相同，瞬发度要求不大于530μs；设置指令起爆瞬发度不大于5 ms。设定输入波形如图5所示，实际测试波形如图6所示，实际测试数据见表2。

表2 实际测试数据

图5 模拟过载输入和指令超爆

由图6可以看出，在模拟指令起爆输入时，X、Y方向触地过载都有周期性的干扰过载信号输入，起爆输出信号并没有因为存在干扰过载输入而影响瞬发度的输出，对于干扰过载的输入可以有效剔除，增强了识别的抗干扰能力和可靠性，经过多次测试，得到的结果一致。

图6 实际测试情况

由表2可以看出，当指令起爆输入信号输入设定为5 ms时，指令起爆输出瞬发度为4.7 ms，输出起爆信号没有任何延时，实时性较高，不存在由于识别X、Y方向过载，使得起爆延时输出。当X、Y方向过载输入与指令起爆同时满足条件时，并行滑动识别算法识别到X、Y方向过载满足要求，输出起爆信号，瞬发度由4.7 ms变化为530μs，提高了多路起爆输入信号都满足起爆条件时的响应时间。

4 结 论

文中提出了ESAD中多路起爆输入信号的优化识别方法。该方法在单核芯片中，采用准并行方式实现了多路输入信号的采集。在每一路输入信号采集的时间窗内，用最新采集结果替换最旧的数据，实现在固定时间窗内采集结果进行滑动的先入先出控制模式[20]。通过判断时间窗内的输入信号是否满足预先设定的阈值要求，确定此路起爆输入信号是否有效；否则继续执行下一路采样。试验结果表明，采用准并行滑动采集多路起爆输入信号软件算法，能够同时识别X、Y、Z3个方向触地过载以及指令起爆输入信号，提高了多路输入信号识别的可靠性和实时性，适用于对多路信号同时输入进行识别。