引信发火电路干扰耦合数字化仿真方法

刘伟钊,李 蓉,牛兰杰,2

(1.西安机电信息技术研究所,陕西 西安 710065;2.机电动态控制重点实验室, 陕西 西安 710065)

0 引言

引信是根据目标信息或预定指令,可靠引爆弹药的终端控制装置,引信安全性对于实现弹药的毁伤效果具有重要影响。弹药系统在研制、验收和训练试验时容易发生弹道炸事故[1]。引信碰击开关意外闭合会导致引信提前作用导致弹道炸[2]。随着电子信息设备在弹药中的大量应用,目前战场电磁环境越来越复杂。在当前严峻的战场环境条件下,引信电路可能受到强电磁环境干扰,从而出现弹药早炸或瞎火等问题,影响弹药的毁伤效能。研究引信受电磁干扰耦合作用机理,是提高弹药安全性和可靠性的重要部分。

国外相关研究中,文献[3]提出一种电磁兼容试验方法,能够模拟电磁环境,应用于引信机电系统。文献[4]设计了一种电磁模拟装置,可以产生零到几兆赫兹的电磁波,对引信开展电磁干扰试验。文献[5]提出通过屏蔽电缆和外壳、电气隔离以及接地等抑制技术来提高引信电子系统能力。国内对引信抗干扰研究主要按照国军标,采用电磁兼容试验的方法,考核引信抗电磁干扰性能。电磁兼容试验方法通过对引信施加传导型和辐射型干扰信号,对引信整机是否具备抗干扰能力进行验证。文献[6]采用试验方法研究了超宽谱电磁脉冲对引信起爆执行电路的辐照效应。文献[7]采用试验验证方法,指出超宽带电磁脉冲使电源端瞬变电压上升率超过了晶闸管临界电压上升率,导致晶闸管意外导通。通过试验验证方法,可以验证引信起爆执行电路在电磁干扰下意外作用,从而导致引信意外作用。但是干扰信号如何从引信体外部耦合进入引信内部,在引信内部的传播路径尚不清楚。文献[8]建立了弹体结构模型,采用仿真预测试的方法分析导弹内线束之间的串扰。文献[9]采用电磁仿真软件建立了弹体模型,计算了弹体内部和引信内部的谐振频率。文献[10]分析了导弹电气系统中各种电磁干扰产生的机理,提出了地线设计的方法。文献[11]建立了弹上电气系统模型,包括弹体结构模型、弹上互联线缆束模型、激励源模型以及弹上部件负载模型,根据GJB 152A的CE102和RE102项,开展了对弹上系统电磁兼容性仿真分析。文献[12]采用电磁仿真方法,研究了三种耦合路径引信内部结构强电磁耦合通路。以上研究采用理论分析和仿真分析的方法开展研究,将引信内部部件及电路板简化,并未研究干扰信号在引信电路间的干扰耦合和传递规律。

对于引信弹道炸机理的研究,可以采取理论分析法、试验验证法和仿真测试法。理论分析法是分析引信产品的结构和功能,根据故障现象,建立故障树,排查导致引信故障的因素,并进行验证。当故障产品实物缺乏,引信产品故障现象不清晰,理论分析法在引信发火电路受干扰的机理研究应用受到限制。试验验证方法是开展电磁兼容试验,模拟引信产品过程中的恶劣电磁环境,考核引信产品功能的工作可靠性,暴露引信产品的设计缺陷。电磁兼容可以检验引信产品能否抗干扰,而对于确定引信弹道炸机理只提供了敏感源,无法准确掌握干扰信号在引信发火电路的耦合通道。

仿真测试技术是引信设计与测试技术研究的重要手段。利用仿真技术手段建立引信数字化模型、仿真测试环境,将仿真技术、数字化样机和测试技术相结合,构造引信仿真验证平台,为引信电路部件测试提供干扰耦合仿真调试平台、性能验证环境,不仅可以对引信电路的性能验证工作代替部分物理测试,而且可以用于引信电路的故障诊断工作,获取干扰信号对引信电路部件的耦合通道。通过理论分析可以判断引信受干扰的薄弱环节,而仿真测试可以获取干扰信号在引信内部的耦合路径,结合试验验证建立引信干扰模拟环境,确定引信受干扰的敏感源,掌握引信发火电路干扰耦合机理。本文针对目前对于干扰信号在引信内部耦合路径不清楚的问题,提出引信发火电路干扰耦合数字化仿真方法。

1 引信电路干扰耦合机理

引信受到电磁干扰信号影响导致异常作用,必须具备三个要求:干扰源、耦合通道、敏感源。

干扰源类型包括直接接触干扰源和非直接接触干扰源。强微波产生的电磁场可在引信金属壳体产生较大的感生电流,通过壳体开口缝隙进入引信内部后使引信电路功能失效。强电磁干扰信号对引信系统、部件、器件造成干扰,必须通过一定的电磁干扰耦合通道。电磁干扰信号的传播路径一般有两种:辐照耦合方式和传导耦合方式。当采用机电引信的弹体受到外部电磁场干扰信号时,当耦合的干扰信号频率与引信内的电路回路的谐振频率相同时,达到共振,电磁波耦合进入到引信内部,造成引信误作用。传导耦合即干扰信号通过干扰源进入到被干扰电路系统,与辐射干扰对比,其传播的路径可以很远。

引信的干扰源可能来自于弹上系统,也可能来自于引信系统。由于引信地、电源线通过导线与弹体连接,引信其他部件未与弹体连接,因此干扰信号可通过导线、通孔引入到弹体内部。干扰信号被弹体、引信壳体屏蔽后衰减。衰减后的干扰信号通过引信体与弹体连接的孔隙、导线传导到引信内部电路部件,仍有可能对引信发火电路造成影响,形成导致弹道炸的引信外部干扰源。

由于引信发火电路通常安装在引信金属壳体内部,没有直接暴露在电磁环境中,而引信发火电路通过导线与弹上部件连接,连线包括电源线、地线、碰合开关线等,引信碰合开关与弹体连接,与弹体形成回路,成为导致引信弹道炸的耦合通道。

引信起爆控制电路是能量输出的通道,各种形式的干扰信号形成虚假信号,都要通过引信起爆控制电路控制,触发晶闸管,引爆电雷管。因此引信发火电路是引信受到干扰的敏感源。

根据引信电路干扰耦合机理,建立干扰耦合模型如图1所示。

2 引信发火电路干扰耦合数字化仿真方法

2.1 引信发火电路数字化模型建模

本文首先建立器件级电路仿真模型如图2和图3所示,采用模拟测试系统对不同器件进行了仿真测试,器件工作正常。测试结果如图4所示。引信器件将施加的三角波信号经过处理后转换为方波。

图2 利用LED测试引信器件仿真结果

图3 引信器件仿真模型

图4 对引信器件施加三角波仿真测试

建立晶闸管电路仿真模型如图5所示,采用模拟测试系统进行了仿真测试。采用5 V,频率为1 kHz的正弦波模拟干扰信号(图6),在晶闸管阳极开关未接通的情况下,通过地线对晶闸管电路施加干扰信号,通过LED灯对电路导通情况进行监测。在晶闸管电路阳极未接通的情况下,模拟干扰信号可使晶闸管电路导通。

图5 晶闸管电路仿真模型

图6 对晶闸管电路施加正弦波进行仿真测试

为了掌握干扰信号在引信发火电路的传导路径,分析干扰耦合效果,对触发引信发火电路建立了数字化模型。根据引信发火电路的组成,采用模块化设计的思想,在Multisim环境下调用元件库中的元器件模型,建立引信发火电路原理图。在对复杂电路进行分析时,经常将实现某一功能的电路封装形成子电路,对发火电路各功能模块建立相应的子电路。如图7所示的数字化模型包括引信触发信号调理电路、发火电路、电源、碰合开关。在完成元器件和子电路功能仿真测试后,将各部分子电路连接成为全电路[13],利用LED灯替代晶闸管进行监测。

图7 引信发火电路数字化样机模型

2.2 模拟干扰信号加载方法

模拟干扰信号包括正弦波、锯齿波、方波信号以及任意波干扰信号等。引信虚拟测试工具包括虚拟示波器、虚拟万用表、虚拟信号源等。

将信号源产生的目标信号加载到引信全电路系统,通过LED判断起爆执行开关是否导通。可加载的干扰信号类型包括不同频率的正弦波、锯齿波以及方波,频率可以从1 Hz～100 GHz进行设置。利用示波器、万用表、探针等虚拟仪器以及仿真软件中的基本分析方法对电路进行定量分析。仿真结果可以通过截图的方式保存为图片,仿真数据可以保存为Excel文件、TDM文件和LVM文件格式。

根据GJB 151B—2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》开展的电磁兼容试验中,由信号发生器产生干扰信号,然后经衰减器、滤波器、信号放大器等设备进行信号转换,输出干扰信号。干扰信号调制的过程如图8所示。

图8 电磁干扰信号调制过程

由于电磁兼容试验不同试验项目对引信试验和评估所采用的标准不同,有A/m、dBμV、dBμA、V/m等多种计量单位,因此首先对不同的计量标准转换。1 V/m=2.65×10-3A/m=120 dBμV/m=68.5 dBμA/m。其中CS106、CS116项目所施加的传导型干扰信号较强,分别达到200 V/m、10 A,电路仿真中所施加的干扰信号为不高于28 V的电压信号。电路中施加的干扰信号施加到碰合开关端,经过信号调理电路处理后传输到晶闸管控制端,干扰信号幅值超过晶闸管控制端触发电压,就能导致晶闸管触发。

仿真电路中必须有信号源才能工作,如何建立量值等效高强度电磁干扰信号,成为电路仿真研究中的难题。Multisim 中信号源包含正弦波、方波和锯齿波这3 种基本信号源,通过设置不同的波幅和频率改变波形。可基于LabVIEW与Multisim之间的通信调用,创建干扰信号的数学模型,设置不同的参数,形成任意波形信号源[14]。在LabVIEW 环境中把拟仿真测试用的信号存入测试文件(.LVM),然后在Multisim模型库中选择“LVM_VOLTAGE”作为信号源, 仿真时双击信号源, 找到LVM 文件的路径并且加载该文件,把仿真用任意波信号数据实现在Multisim 中的调用[15]。电磁兼容试验CS116测试项中利用示波器采集的电路耦合干扰信号波形如图9所示,根据该波形特性,创建的任意干扰信号模型如图10所示。任意波形信号可以是实测数据存储后形成的TXT文件,或者利用Matlab将函数表达式处理后数据转换为TXT格式文件,将任意波形信号加载到Multisim仿真平台,作为仿真测试干扰信号。

图9 电磁兼容试验CS116测试项干扰耦合信号

图10 任意信号波形

3 仿真验证

根据传导型干扰信号对于引信电路的作用机理,本文采用电路仿真软件对触发引信发火电路进行电路仿真验证。

3.1 地线干扰仿真验证

首先对发火电路地线受干扰进行仿真验证,该引信电路为触发信号处理电路,无单片机,如图11所示。在地线与引信电路间串联1 MΩ电阻,并同时在电阻两端并联开关。保持碰合开关断开,通过电阻两端开关通断模拟地线电压波动情况。

图11 地线施加干扰信号时的晶闸管导通测试

当地线耦合电压幅值达到5 V时,引信发火电路晶闸管导通,引信地线电压耦合对引信电路造成干扰。

3.2 碰合开关端施加干扰信号导通情况

保持引信碰合开关断开状态,在碰合开关两端施加15 V,1 kHz的正弦波,晶闸管两端电压降在10 μs内达到8 V,超过晶闸管触发电压,晶闸管导通。测试结果如图12所示,红色为晶闸管阳极,橙色为晶闸管阴极。发火电路晶闸管导通,引信地线电压耦合对引信电路造成干扰。

图12 施加正弦波干扰晶闸管电压变化

分别在碰合开关两端施加不同类型、不同幅值、不同频率的干扰信号,对引信电路受干扰的晶闸管导通情况进行测试。测试结果如表1所示。

表1 碰合开关两端施加干扰信号时导通情况

从表1中可以看到,通过在碰合开关端施加传导型干扰信号,开展电路数字化仿真及虚拟试验测试,分析得到不同状态的干扰信号传输到电路晶闸管上,导致晶闸管导通。由于晶闸管并未和引信外部系统直接连接,因此干扰信号不能直接作用到晶闸管。

在碰合开关端施加的干扰信号,要经过图2中的触发信号调理电路处理后,传输到晶闸管,根据晶闸管导通结果评估干扰信号耦合效果。只有符合特定脉宽和幅值的信号,才能通过触发信号调理电路。当干扰信号幅值幅值较低时,经过信号调理电路处理后,所形成的调理信号未能超过晶闸管控制端的触发阈值。在引信关键节点注入不同类型干扰,通过仿真分析,可以获得干扰信号在电路内的传导路径,在碰合开关端耦合的干扰信号,经过信号调理电路调理后形成了特定幅值和脉宽的触发信号,传输到晶闸管,超过了晶闸管的触发阈值,晶闸管导通,造成引信误触发。

3.3 晶闸管施加干扰信号导通情况

保持碰合开关断开,对引信电路晶闸管控制级施加不同的干扰信号,测试晶闸管导通情况。测试结果如表2所示。

表2 晶闸管控制极施加干扰信号导通情况

从表2中可以看到,通过在晶闸管端施加传导型干扰信号,开展电路数字化仿真及虚拟试验测试,分析得到不同状态的干扰信号作用在电路晶闸管上,导致晶闸管导通。

从表1和表2中可以看到,对碰合开关两端施加干扰信号使晶闸管导通,比同等频率下晶闸管控制级施加的干扰信号的幅值高很多,由于碰合开端两端施加的干扰信号要经过信号处理后才能传输到晶闸管控制极,当高于一定幅值的干扰信号经过信号整形后,形成可触发晶闸管的规定波形的触发信号。对触发信号整形电路受到干扰时,引信电路晶闸管导通情况进行测试。保持引信碰合开关断开,对引信触发信号整形电路各个器件施加不同类型不同频率的干扰信号,未能使晶闸管导通,对触发信号整形电路施加干扰信号未能对晶闸管造成干扰。因此,通过仿真结果,引信被干扰时并非是单个节点受到干扰信号,即会导致引信误作用,而是多个节点受干扰下综合作用的结果,由引信外部传导到引信敏感器件,干扰信号要在引信电路内部形成传导路径,导致引信发火电路误作用。本文构建的通过引信发火电路数字化样机仿真,得到干扰信号在电路的传导路径及耦合效果分析方法,可为电路数字化分析提供有效途径。

4 结论

本文提出引信发火电路干扰耦合数字化仿真方法。该方法通过构建引信发火电路数字化样机,对其关键节点注入不同类型干扰,仿真得到干扰在电路的传导路径及耦合效果分析方法。通过引信发火电路数字化建模、传导类型干扰施加、电路数字化仿真及虚拟试验测试,分析得到不同状态的干扰信号作用在电路晶闸管上导致晶闸管导通。该方法为电路数字化分析提供了有效途径。