基于U型线圈的弹链信息交联信号获取方法

张 南,符超群,毛 俊,王秋生

(西安机电信息技术研究所, 西安 710065)

0 引言

感应装定属于信息交联系统中的一部分,在火炮系统中采用自动供弹的方式,将装定器安装在供弹弹链的某一特定位置上,因不需要装定器与引信之间进行物理接触,故可有效提高武器系统的射速、简化操作程序、减少反应时间使其能够精确打击目标,使武器系统的灵活性得到充分发挥,而越来越受到重视。

但是随着引信数据量增大,用于信息感应装定的窗口在装定时间不变的情况下就显得仓促甚至不足以满足现状,而信息装定的窗口大小取决于装定线圈磁力线的垂直方向与引信的水平方向运动路径的有效交集,另外弹在弹链运动中不能穿过现有圆形装定线圈。针对这些问题,通过分析感应窗口内的磁场均匀性、信号波形的幅度裕量、和空间的特征,采用调整复杂的发射线圈形状及多匝、多组线圈组合发送信号,增大线圈的接收空间获取最大感应信号,从而改变了接收线圈上感应信号电压曲线的混合叠加形状,极大改善了线圈的耦合效果,满足了应用需求。

1 系统构成及工作原理

感应装定系统由装定控制器、发射与接收线圈、引信接收模块3个部分组成,如图1所示。装定控制器中的驱动模块通过控制加载在弹链发射线圈上的电流,在发射线圈附近区域建立变化的磁场,当安装接收线圈的引信经过该区域时,由于电磁感应在线圈上敏感到变化的磁场信息,并转化为能量信号,该信号通过接口送至引信上的控制器进行接收并解码,之后引信按解码信息完成后续动作。

在U型线圈的感应装定下如图2(a)所示。首先线圈的结构不能与信息交联的运动弹道轨迹相干涉如图2(b)所示。其次通过增大接收线圈的面积获取接收线圈穿过U型发射线圈最大感应信号,处于装定区域的引信中的信息接收模块获得长距离的装定能量如图2(c)所示。建立与装定器的信息通道,获得装定器传送过来的装定信息,并写入非易失性存储器,之后引信离开装定区,信息接收模块失电,恢复初始状态完成了装定过程,如图2所示。

而在弹链感应装定中,每发修正弹丸的装定时间极其有限,在每分钟射速7发的情况下,系统允许每发弹丸的感应装定时间约为2 s,除去信息接收模块工作时间,允许储能电容进行电量存储的时间约为前段200 ms左右,后端800 ms左右。当火炮的发射速度为7发/min,这表示每发弹药引信的感应装定时间约为 1.5 s 左右。而弹道修正所要求的装定的数据量为不大于4 KB(任务、气象、星历的数据量)。其中,除去能量感应传输所需的约800 ms时间外,信息传输的允许时间约为1 000 ms左右,即在1 000 ms时间内进行不大于4 KB数据的感应传输和存储。

图2 U型线圈装定示意图及运动曲线

2 感应耦合回路数学模型

按照近感应场的理论,传输信道电路可简化成如图3所示电路图。其中,Vi为装定器信号源电压;R1为装定器的等效电阻;L1为装定器线圈电感量;C1为装定器等效电容;M为线圈耦合系数;R2为感应线圈的等效电阻;L2为引信线圈电感量;C2为引信等效电容;ZL为负载阻抗。

图3 近感应场的理论及简化图

由基尔霍夫定律可得到[2-3],装定器回路方程:

(1)

引信接收回路方程:

(2)

则装定器回路的阻抗为

(3)

引信回路阻抗为

(4)

引信感应线圈回路的阻抗耦合到装定器回路的反射阻抗为

(5)

装定器回路的阻抗耦合到引信感应线圈回路的反射阻抗为

(6)

为了更好的研究初级线圈的发射功率,把图3(a)所示电路图等效为图3(b)所示电路图。

(7)

设装定器发送功率P2,因为采用近场感应原理,假设感应能量没有向外辐射,所以引信接收回路的接收功率也为P2,则有

(8)

获得更多的能量,我们在设计时使装定器回路工作在谐振频率工作,即合理选择参数使得X11+X′22= 0,则有:

(9)

若调整R′11使得R11=R′11,则引信回路在R11=R′11,时,可以达到最大接收功率P2max。

(10)

设发送线圈为N1,N2绕组,N1为线圈组数,N2为每匝数,其电流为I1,I2,则根据叠加原理,接收线圈上的感生电动势:

(11)

εi为接收线圈上的感生电动势。

3 U型线圈的构造仿真

假设感应能量没有向外辐射,但是实际U型发射线圈是一种松散式感应装定,耦合系数为0.01,按照近感应场的理论,传输信道电路可简化成如图3所示电路图。其中Vi为装定器信号源电压为24 V,R1为装定器的电阻2.5 Ω,I1为装定器线圈电流为10 A,电磁建立时间为5 ns。

根据式(10)和式(11)得到:

在实际装定中,单组、单线圈或者发射线圈形状的简单的空间装定窗口很难满足需要图4(b)的曲线3或者4,单组线圈的装定窗口如图4(a)的-10 mm的位置1、+10 mm的位置2的对应的单组线圈、装定窗口的波形为图4(b)中的1、2。装定窗口由图4单组线圈的最大接收功率波形1与3交会的装定窗口为2 mm,如果以与单线圈相同的信号强度来计算,通过降低最大接收功率来提高装定窗口,则装定窗口图4的接收功率波形1与波形2交会约为9 mm。

图4 发射线圈单组及合成U型线圈的波形图

采用U型发射线圈,按照长度在空间上等距分割为12个间隔10 mm的单组线圈,设每个单组线圈的物理结构均相同,且每组含有相同匝数的线圈,如果多组线圈组合最大接收功率整个线圈的宽度为120 mm,通过降低最大接收功率来提高装窗口,则装定窗口宽度为130 mm,但是在电压幅度方面接收信号的电压幅值应控在接收中值与可接收值的±20%以内,所以U型发射线圈满足装定窗口。

根据所计算的对象结构具有对称性的特点,构造计算模型如图5所示。

图5 线圈感应计算模型

其中:

1) 线圈座位于弹体头部,用来固定接收线圈的骨架。

2) 发射线圈是用来产生变化磁场的,共10匝,输入周期为0.2 ms的锯齿波,其上升沿时间0.1 ms,峰顶宽度4×10-3ms,下降沿时间1×10-3ms, 0～0.4 ms内的电流波形如图6所示。

图6 发射线圈0～0.4 ms内电流波形

3) 利用U型线圈磁力线的Y轴垂直方向与引信的水平方向运动X轴路径有效交集,其正视图见图5,接收线圈共165 N,电阻13 Ω,接100 Ω电阻负载形成回路,全模型 [0,0,0]磁场分布如图7所示。全模型[0,0,±10 mm]磁场分布的磁场分布如图8所示,全模型[0,0,-5 mm]磁的磁场分布如图9所示。从磁场分布图看出磁力线强度在边界降低,但是降幅在-20%内。

图7 全模型[0,0,0]磁场分布

图8 全模型[0,0,±10 mm]磁场分布的磁场分布

图9 全模型[0,0,-5 mm]磁的磁场分布

4 试验验证

在U型线圈发送线圈外廓尺寸为120 mm×80 mm×60 mm,内腔尺寸为80 mm宽,70 mm高,装定线圈采用Φ0.5 mm聚酯亚胺漆包圆铜线绕制情况下。装定器和信息接收模块进行信息交联试验。通过装定器发送4 KB的数据给信息接收模块,利用示波器测试装定信号波形(见图10),信息传输时间大约为1 s,信息传输空间约为1.5 s。

图10 U型线圈空间感应的充电电压示意图

图10的波形是在不同的感应位置下接收线圈感应到的电压信号。在感应距离在U型线圈发送线圈不同的空间位置,接收电压幅值均大于15 V,接收电压幅值随着感应距离的增加逐渐减小。当感应距离为最大负偏差时,接收线圈上感应到的电压信号幅值几乎不变,在系统要求的感应距离下,接收线圈上能够感应到足够大的电压信号来给引信接收器电路供电。另外,接收电压的幅值大于3 V,解调电路就能实现对接收信号的解调,通过测量接收电压幅值的大小来判断信息是否能有效传输,实验证明了U型发射线圈设计合理性。

在运动方向上装定的窗口范围±10 mm,运动方向设置为X轴,装订感应的充电电压见图11。

U型发射线圈产生的磁场能够有效地穿过接收线圈所围成的曲面;从图11中可以看出,等距分割单组线圈产生的虚线充电电压,合成U 型发射线圈蓝色实线充电电压。从左到右合成的磁感应强度变化平缓,并且到接收线圈电压一直大于15 V,这说明 U 型发射线圈结构在系统要求的感应距离下仍能产生较强的磁场,并且接收线圈能够有效地利用磁场能量。

在运动轨迹左右方向上的装定范围达到±10 mm,运动轨迹左右方向设置为Y轴,装订感应的充电电压见图12。

在高度方向上装定的窗口范围达到±5 mm,高度方向上运动设置为在Z轴,装订感应的充电电压见图13。

图11 U型线圈X轴装定感应的充电电压

图12 U型线圈Y轴装定感应的充电电压

图13 U型线圈Z轴装定感应的充电电压

调整装定发送器的尺寸后在实验室进行了实际装定窗口范围的测试,测试结果(增加发射电压10%)为:装定电压门限设置为14 V,根据设计线圈的实测感应电压值可以推算出装定范围可以满足[±10 mm,±10 mm,±5 mm]的要求。

5 结论

1) U型的发射线圈满足弹链上引信的特殊运动轨迹。

2) U型的发射线圈,极大地改善了线圈的耦合效果,增大感应装定[±10 mm,±10 mm,±5 mm]空间和时间2个维度。

3) U型线圈形成的有限感应装定空间最大幅度变化在±20%、达到均匀一致性,感应装定时间余量满足±20%变化。

4) 数据量在1 s内达到4 kB字节。

5) U型的装定电压门限设置为14 V,发射线圈产生的更大的装定窗口。