基于电容与磁复合的装甲目标近程探测方法

宋承天，焦永晖，刘向，赵宏宇

(1.北京理工大学 机电学院，北京 100081；2.战略支援部队 航天系统部后勤部，北京 100089)

0 引言

随着坦克反应装甲防护能力的不断提高，为对坦克造成有效毁伤，配用串联战斗部的反坦克弹药逐渐被应用，其结构形式主要有破甲-破甲式、穿甲-破甲式与弹出式等[1]。串联战斗部应用中存在的主要问题是，由于反应装甲形成的爆轰具有一定持续时间，主级战斗部引信的延期时间应大于这一时间，才能使反坦克弹药主级战斗部形成的射流避开反应装甲爆轰而发挥最大效能。现有反坦克弹药采用压电引信由于作用距离太近满足不了要求，需要配用近炸引信提高前级战斗部引信的作用距离。

应用于反坦克导弹的近炸引信，关键在于低伸弹道环境下实现精确定距。无线电引信易受地面杂波影响，且无线电引信定距精度难以满足反坦克弹前级引信起爆距离控制要求。激光引信具有指向性强、定距精度高的优势，但战场环境中的自然烟尘与人工烟幕干扰，使激光引信定距精度和作用可靠性受到很大影响。

电容探测技术具有炸高控制精度高、抗电磁环境干扰能力强的特点，且不受战场烟尘、人工烟幕等影响[2-6]；磁探测利用目标磁场分布信息，根据磁场变化规律实现对铁磁目标探测与识别[7-8]。

传统单一体制探测方式很难满足复杂战场的探测需求，引信正朝着灵巧化、智能化方向发展，多模复合探测技术将是引信灵巧化、智能化发展的主要方向之一。

本文结合电容与磁探测体制[9]，研究电容与磁复合探测原理与方法，磁探测用于对装甲铁磁目标的探测与识别，电容探测用于反应装甲的前向精确定距，优势互补实现低伸弹道条件下对装甲目标的精确探测、识别与定距。

1 电容探测原理与仿真

1.1 电容探测原理

电容探测通过感知探测器周围建立的静电场变化来获取目标信息，其探测原理如图1所示，其中：V(t)为在探测器电极表面施加的正弦波信号，通过电阻R与探测电极相连，无目标时探测器电极表面电荷量维持不变；i(t)为与电极相连支路电流；V为电压幅值；ω为驱动电压频率；GND为信号地。当目标进入电容探测器的静电场范围内时，目标表面的电荷与探测器电极表面的电荷相互作用，造成探测器电极与目标间的等效电容发生变化，根据此电容变化特征量实现目标探测和定距[10]。

电容探测器的电容表示为

(1)

式中：Qo(t)、Qt(t)分别为电极表面电荷、目标电荷；Co、Ct分别为探测器固有电容、探测器与目标间互电容。

由(1)式可以看出，当目标进入探测器静电场范围内造成等效电容Co发生变化，可设计两种电容目标探测方法。一是双电极互电容探测方式，如图2所示(图2中ΔC为弹体与目标(简称弹目)交会过程中极间电容的变化量)，弹目接近时的电容改变引起正弦波信号幅度变化，通过幅度检波提取此变化信息实现目标探测与定距。此方法探测距离近，通过电极布置优化后探测距离可达到1 m.二是单电极自电容探测方式，如图3所示，单一电极完成发射和接收，弹目接近导致电容变化引起与电极相连电路信号的相位改变，提取此变化实现目标探测与定距。此方法探测距离较远，通过合理的电极布置和电路设计，探测距离可达到2 m以上，能满足对抗四代反应装甲探测距离要求。

图2 双电极电容探测实现框图

图3 单电极电容探测实现框图

1.2 电容探测灵敏度仿真

弹目接近过程中的电容变化幅度很大程度取决于电容探测器的电极分布。

1.2.1 双电极探测模型

对于双电极探测模型，在引信体上布置两个电极(引信的高度为50 mm，半径为30 mm)，仿真模型如图4所示。

图4 优化前后双电极布置模型

改变电极A与B的高度、半径及形状能增大弹目间的等效电容及其变化幅值。通过仿真分析选择确定最优电极分布为图4(b)所示。优化前与优化后等效电容对比如图5(a)所示，优化后的电极分布有效提高了电容变化幅值。优化前后电容增量的归一化计算结果如图5(b)所示，电容变化量最大可提高18%。

图5 优化前与优化后等效电容及幅值增量百分比

同时，引信需要在不同交会角度条件下保证作用距离一致，按照图4电极布置方式，进行不同弹目交会角度条件下探测器电容变换幅度仿真，仿真结果如图6所示。

图6 不同着角条件下电容变化

由图6可看出，不同交会角度，电容幅度变化趋势及相对变化量一致，利用此方法的电容探测器对于不同交会角度具有普遍的适用性与一致性。

1.2.2 单电极探测模型

单电极探测模型将整个弹体作为电极(仿真时取弹体长度为380 mm、半径为60 mm建立模型)，如图7所示。

图7 单电极布置模型

通过对单电极前向攻击和掠顶攻击交会过程仿真，得到电容幅值变化百分比曲线如图8所示。

由图8可以看出，在两种典型的交会角度条件下，在距离目标2 m左右，利用此方法的电容变化量明显，可实现目标探测与定距。

图8 单电极探测的电容变化率

1.3 电容探测电路

1.3.1 双电极探测电路

设计双电极电容探测器的探测电路如图9所示，包括C/V转换电路和检波电路。图9中：CAB为探测电极A和B间的等效电容；CAP为探测电极A与弹体间的等效电容；CBP为探测电极B与弹体间的等效电容；Vi(t)为探测器电极表面施加的正弦波信号；Vd(t)为弹目交会过程中检波二极管所检测的电压信号；Vo为输出检波电压；R2为旁路电阻，主要起电压放大作用；R1、R3为偏置电阻，其作用是使检波电路稳定工作；Qt为三极管；Dd为检波二极管。

图9 双电极电容探测电路

C/V转换电路的输出如(2)式所示：

(2)

检波采用自动钳位补偿的三极管检波电路，其中Cf为滤波电容，三极管放大倍数取90～110之间。振荡正半波时，Cf通过Dd给电阻R1放电，以达到充放电平衡提供稳定的检波输出。

基于图9所示探测电路，进行图4所示不同电极布置下的电容探测检波输出仿真，结果如图10所示，可见改进电极分布后的检波电压变化量平均提升了3.625%，最高可提高16%，有效提高了探测距离。

图10 检波电压及其变化量与目标距离关系

1.3.2 单电极探测电路

为有效提取单电极模型的微弱电容变化信息进行较远距离探测与定距，设计如图11所示的电路完成电容电压转换和放大调理，得到反映距离信息的输出电压，经A/D采样后由微处理器处理。电路主要分为感应支路和参考支路，感应支路中电容Ci发生变化时，其支路电压也随之发生变化，参考支路中的C2参数固定，两个支路中由于目标接近引起的相位差异被差分放大提取后得到Vo=f(Ci)。图11中：Vd为驱动电源；Vi为感应电压；Vr为参考电压；Cr为参考电容；U1、U2、U3为经过运算放大器的放大电压；R4为差分放大电路中的输入电阻；R5、R6为反馈电阻；Cs、Cf为隔直电容。

图11 单电极电容探测电路

图8中电容变化值作为Ci对图11电路进行仿真，得到输出电压Vo如图12所示。

图12 不同交会角度条件下的探测电路输出电压

由图12可看出，设计的探测电路可有效提取目标接近中的电容变化信息，2 m左右距离处的电压变化幅度能满足信号处理及距离判决需要。

1.4 电容探测信号处理

单、双电极电容探测器输出的都是随目标距离变化的电压变化信息，因此信号处理方式可一致。探测器输出的电压变化信息经放大后(双电极探测进行反向放大)，按照10 kHz频率采样后由微处理单元处理。目标识别部分设定的目标符合准则主要有(n表示当前A/D采样时刻)：

1)Un>Un-1；

2)Un-Un-1=ΔUn

3)Δ(ΔUn)>0.

要实现作用距离恒定，必须识别交会角度[11]。经对坦克目标特性仿真与测试可知，最强和最弱的目标电压分别为68°和0°角度时，其他角度目标信号介于二者之间。若Hα是着角为α的炸高，H0是着角为0°的炸高，则Hα≈H0/cosα.把0°～68°间的角度分成4组，使每组内各角度以中心角度为中心炸高散布小于±15%，分组结果如表1所示。

表1 交会角度分组

以Ⅰ组和Ⅱ组为例说明，给出30°和48°两种角度时目标特性曲线，在距离轴上平移使电压为U时2条曲线在点J处重合，如图13所示。在48°曲线上选定点A1，对应电平为U1，从点J处开始计时，设弹丸从点J运动到点J1的时间为Δt：若在t<Δt内目标电压出现大于U1的情况，则交会角度为30°，当目标电压出现时给出启动信号；若在t<Δt内没有出现目标电压大于U1的情况，则交会角度为48°，当目标电压出现时给出启动信号；这样就保证了两种角度情况下作用距离保持一致。只要恰当设计Δt、U1及启动电压阈值，就可以保证在0°～68°角度范围内的作用距离一致。

图13 距离轴平移后的目标特性曲线

2 磁探测原理与仿真

2.1 磁探测原理

装甲车辆由于自身的金属材料会引起周围磁场的变化，利用磁传感器获取磁场变化情况可对坦克目标进行探测与识别[12-13]，如图14所示。为了简化分析，将坐标点p0(x0,y0,z0)的磁目标等效为磁偶极子[10]。其中，p0点的矢量磁矩可表示为

图14 磁偶极子探测模型

Mp0=Mx0+My0+Mz0，

(3)

则p点处的矢量磁势和磁场可分别描述为

(4)

(5)

点p处的空间磁场强度分量可以根据以下公式计算：

(6)

从(6)式可看出，目标上任意一体积元周围的磁场是该体积元各分量的线性组合，并且磁场强度与目标体积元的矢量距离5次方呈反比。磁传感器根据探测空间各方向的磁场强度变化，是否与目标特性一致实现对目标的探测与识别。

2.2 磁探测仿真与测试

2.2.1 磁探测仿真

获取准确的磁场信息是磁探测成功的关键，为验证建模的合理性和方案的可行性，利用69式坦克进行建模分析，仿真在距离地面高度不同情况下3轴方向的磁场强度，结果如图15所示。从图15中可以看出，在距地面不同高度时，磁场强度都在距目标2～4 m位置时有较大幅度变化，可满足反坦克导弹低伸弹道应用要求。

图15 磁场强度仿真

本文采用灵敏度高、功耗低、体积小、易集成的隧道磁阻(TMR)传感器设计磁探测系统，其采用3轴推挽式惠斯通全桥结构，在3个坐标轴方向提供差分电压输出，图16列出了TMR传感器的输出随外加场强变化的特性曲线。

图16 TMR传感器输出特性

用基于TMR传感器设计的硬件系统进行推板实验，结果如图17和图18所示。

图17 磁探测3轴电压

图18 磁探测综合电压

2.2.2 磁探测测试

3 电容与磁复合探测

本文研究电容与磁复合应用于低伸弹道环境下反坦克弹药进行坦克的探测与识别，选择串行复合工作方式[14]，磁探测先工作，起预警作用，而后启动电容探测进行高精度定距合理控制复合引信的炸点，复合探测体制的原理框图如图19所示，其中电容探测采用双电极互电容探测体制。电容探测系统首先调整振荡器的工作电压，通过单片机D/A输出直流电压经放大后作为振荡器电源。检波器对振荡信号幅度检波后经A/D变化输入单片机，单片机软件判断检波电压是否处于正常工作范围，若不在正常范围，则调整D/A输出控制振荡幅度，然后继续采集检波信号并进行判断，重复该过程直至电容探测的检波电压处于设定范围内。电容探测振荡调整结束后，磁探测开始获取探测器周围磁场强度，通过A/D变换输入单片机，软件对3轴磁场强度信号进行处理，判断探测器周围是否有铁磁目标，若判断结果“无目标”状态，重新采集磁场信息直至接近目标满足磁特性阈值要求，磁探测系统探测到目标后(一般探测距离为4 m处)，电容探测开始工作，检波信号先经调理电路处理，再由A/D变化进行软件滤波以及距离识别与炸点判断，若检波信号符合目标识别准则，则引信输出起爆信号。

复合引信硬件采样速率参数需考虑所搭载的反坦克导弹，其末弹道弹速在100 m/s左右，本文设计硬件采样频率为10 kHz，即0.1 ms采样一次，也就是弹体每飞行1 cm进行一次采样。为提高系统的准确性和鲁棒性，本文提出基于状态机的目标识别算法，算法状态探测数据皆进行连续4次采样对比处理，一是为有效控制探测精度及其他微小目标干扰，二是4次采样时间弹丸飞行4 cm左右，在定距精度0.2 m要求的控制范围内。

复合探测输出有5种状态，包括无目标出现、疑似目标出现、发现目标、疑似起爆位置、达到起爆位置，分别用NT、ST、TA、SP、AP表示。状态机状态转换图如图20所示，其中：t0mv,…,t4mv表示磁场场强变化量符合阈值的次数；t0mr，…，t4mr表示磁场变化率符合阈值要求的次数；t0dv，…，t4dv表示检波电压变化量符合阈值要求的次数；t0dr，…，t4dr表示检波电压变化率符合阈值要求的次数。

引信系统状态机中各状态之间的相互转换由识别准则决定。根据坦克目标特性与低伸弹道下可能出现的干扰物特性，提取系统特征量，包括磁场强度变化量、磁场强度变化率、检波电压变化量、检波电压变化率，分别设定对应阈值。

结合引信系统串行复合方式，设计如下目标识别准则：1)探测系统首先启动磁探测模式，若探测磁场小于磁场变化量阈值，则表明目标尚未出现，探测系统保持“NT”状态；2)当磁场变化量大于初始磁场的20%且连续4次探测皆满足此条件，则引信系统转换为“ST”状态；3)当系统判定为“ST”状态后，系统进行磁场变化率的检测，若变化率连续4次满足设定阈值，则系统状态变为“TA”状态，否则保持当前状态，同时，如果此时磁场强度变化量小于磁场强度变化量阈值，引信系统状态变为“NT”；4)当系统被判定为“TA”状态后，表明目标出现，开始比较检波电压变化量与所设定变化阈值的大小。若检波电压变化量连续4次大于阈值，则复合引信进入“SP”状态，根据磁场强度只会越来越大的规律，对磁场强度变化率进行检测，避免磁探测系统错误预警；5)引信系统进入“SP”状态后，开始分析检波电压变化率。当检波电压变化率连续符合所设定阈值要求4次时，表明弹丸已飞行至预设炸点，系统状态变为“AP”，引信输出起爆信号。

4 复合探测实验

应用双电极互电容探测体制与磁探测体制，设计基于状态机目标识别算法的复合引信样机(见图21)，进行静态推板、抗干扰性能、动态模拟飞行等3种实验对样机进行测试。

图21 复合引信样机

4.1 静态推板实验

搭建实验场景，以69式坦克为目标验证复合引信样机作用距离，场景如图22所示，其中，E为引信样机与坦克车辆之间的电场分布，B为坦克周围的磁场分布。

图22 复合引信探测实验场景

实验时将引信样机逐渐向目标匀速移动，样机连接NI 6251数据采集装置采集样机输出的3路信号：磁探测信号、电容探测信号、样机起爆输出信号，并通过上位机记录数据。进行对坦克前向和侧向测试，实验结果分别如表2和表3所示，起爆距离在1 m±0.2 m范围内。

表2 前向探测起爆距离

表3 侧向探测起爆距离

4.2 抗干扰性能实验

为验证复合引信样机在低伸弹道环境下的抗干扰性能，建立图23所示的环境进行实验，将铁皮干扰物和土堆分布在距目标一定距离处，铁皮模拟磁场干扰物，土堆模拟电容干扰物。

图23 复杂干扰环境实验场景

实验时，探测器在距目标10 m处以1 m/s速度匀速靠近目标，得到的电容、磁目标特性曲线及识别结果分别如图24和图25所示。

图24 电容探测实验结果

图25 磁探测实验结果

由图24和图25可看出：面对铁磁干扰物，磁场强度会有明显的变化趋势，但是根据目标识别准则，可有效排除铁磁干扰物的干扰，在距目标2～4 m内可对铁磁目标进行有效检测；同时电容探测在距目标0.9～1.1 m距离范围时可输出起爆信号。

4.3 动态模拟飞行实验

采用火箭橇推动复合引信样机进行了动态模拟飞行实验，火箭推动样机的飞行速度达到100 m/s左右，实验场景如图26所示，其中标杆1距离目标0.8 m，标杆2距离目标1.2 m.在火箭上装有标识引信输出起爆信号的指示灯，用高速相机记录指示灯亮时复合引信头部在标杆1和标杆2中的位置进行作用距离判读。

图26 动态实验场景

进行4次动态模拟飞行测试实验，结果如表4所示，起爆距离也都控制在1 m±0.2 m范围内。

表4 动态模拟飞行实验数据

通过静态、动态及抗干扰测试实验结果可以看出，结合状态机算法的电容/磁复合探测可解决低伸弹道下局部干扰问题，实现对坦克及装甲目标1 m±0.2 m距离的精确探测。

5 结论

本文针对复杂战场环境下反坦克弹药对抗反应装甲需求，提出了一种串联结构的电容/磁复合探测体制，实现对坦克目标的精确探测与定距，同时提升引信的抗干扰能力。得出以下主要结论：

1)通过对双电极探测电极分布优化，提升了电容探测的定距精度，通过理论分析和仿真实验，验证在1 m范围内可做到精确定距。利用磁传感器及相应的信号判别系统，可实现在2～4 m范围内对坦克铁磁目标的有效识别。设计了基于状态机的目标识别准则与复合引信样机，开展了静态与动态实验，结果表明复合探测可解决低伸弹道条件的干扰，实现对坦克目标1 m±0.2 m距离内的精确定距。

2)引入单电极自电容探测模型，利用弹体作为单一电极增大电容探测面积提高探测距离，仿真结果表明探测距离可达到2 m以上。同时，其电压变化幅值及变化率与双电极探测方法相近，应用本文的信号处理方法定距精度可达到±0.2 m，后续将进一步进行弹体结构兼容设计、引信样机设计实现与实验验证研究。

参考文献(References)

[1] 崔魁文，米双山.反坦克导弹串联战斗部研究现状及发展趋势[J].飞航导弹，2017(6):78-83.

CUI K W，MI S S.Research status and development trend of anti-tank missile tandem warhead[J].Aerodynamic Missile Journal，2017(6):78-83.(in Chinese)

[2] 程受浩，崔占忠，周勇.电容近炸引信的物理场特性分析[J].北京理工大学学报(自然科学版)，1990，10(3):64-69.

CHENG S H，CUI Z Z，ZHOU Y.An analysis on the physical field characteristics of capacitance fuzes[J].Transactions of Beijing Institute of Technology，1990，10(3):64-69.(in Chinese)

[3] 崔占忠，白玉贤，马俊，等.电容近炸引信的探测灵敏度[J].兵工学报，1995，16(3):32-35.

CUI Z Z，BAI Y X，MA J，et al.Detection sensitivity of capacitance proximity fuze[J].Acta Armamentarii，1995，16(3):32-35.(in Chinese)

[4] KIRCHNER N，HORDERN D，LIU D，et al.Capacitive sensor for object ranging and material type identification[J].Sensors and Actuators A:Physical，2008，148(1):96-104.

[5] 赵瑞华，张计虎.基于电容传感器的微距测量系统设计[J].天津工程师范学院学报，2009，19(1):30-33.

ZHAO R H，ZHANG J H.Design of micro-distance detecting system based on capacitive sensor[J].Journal of Tianjin University of Technology and Education，2009，19(1):30-33.(in Chinese)

[6] POTTIER B，RASOLOFONDRAIBE L.Capacitive sensor dedicated to pedestrians protection[J].IEEE Sensors Journal，2015，15(10):5886-5892.

[7] GAO X，YAN S G Y，LI B.Localization of ferromagnetic target with three magnetic sensors in the movement considering angular rotation[J].Sensors，2017，17(9):2079.

[8] MITTERER T，GIETLER H，FALLER L M，et al.Artificial landmarks for trusted localization of autonomous vehicles based on magnetic sensors[J].Sensors，2019，19(4):813.

[9] 陈棣湘，任远，王伟.热障涂层电磁/电容复合检测技术研究[J].航空制造技术，2020，63(14):41-47.

CHEN L X，REN Y，WANG W.Research on electromagnetic/capacitive composite testing method of thermal barrier coatings[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2020，63(14):41-47.(in Chinese)

[10] 高翔，严胜刚，李斌.一种混合算法下单个磁通门定位运动磁性目标研究[J].大连理工大学学报，2016，56(3):292-298.

GAO X，YAN S G，LI B.Study of a hybrid algorithm for localization of mobile magnetic target by a single fluxgate[J].Journal of Dalian University of Technology，2016，56(3):292-298.(in Chinese)

[11] 尹君，邓甲昊，王伟.基于DSP的坦克顶装甲精确定距的研究[J].北京理工大学学报，2004，24(2):158-161.

YIN J，DENG J H，WANG W.Study on the accurate measurement of tank top armor based on DSP[J].Transactions of Beijing Institute of Technology，2004，24(2):158-161.(in Chinese)

[12] TAGJVAEEYAN S，RAJAMANI R.Use of vehicle magnetic signatures for position estimation[J].Applied Physics Letters，2011，99(13):134101.

[13] 张彦梅.对坦克顶甲的复合探测技术研究[J].弹箭与制导学报，2004，24(4):349-351.

ZHANG Y M.Studying on compounding detection technology on tank top armor[J].Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2004，24(4):349-351.(in Chinese)

[14] 张彦梅.磁与激光复合系统探测性能分析[J].兵工学报，2006，27(3):524-527.

ZHANG Y M.Composite detection performance of magnetism and laser fuzes[J].Acta Armamentarii，2006，27(3):524-527.(in Chinese)