彈藥侵徹目標(biāo)硬層的抗干擾設(shè)計(jì)*

李俊鋒，張 亞

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051)

0 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步和在軍事上應(yīng)用的不斷深化。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，作戰(zhàn)雙方的軍事力量不斷增強(qiáng)，打擊手段推陳出新，重要軍事目標(biāo)已經(jīng)堅(jiān)固化和地下化，這大大促進(jìn)了侵徹技術(shù)和鉆地武器的發(fā)展。

侵徹彈藥對(duì)硬目標(biāo)實(shí)施精確毀傷的起爆控制方式主要有4種:計(jì)時(shí)起爆、計(jì)層/計(jì)空穴起爆、計(jì)行程起爆和介質(zhì)識(shí)別起爆。其中，計(jì)層起爆方式就是當(dāng)目標(biāo)為多層硬目標(biāo)時(shí)，引信電路采集和處理高g值加速度傳感器傳輸來(lái)的減加速度信號(hào)，計(jì)算出侵徹戰(zhàn)斗部穿透目標(biāo)的層數(shù)，控制戰(zhàn)斗部在預(yù)定的目標(biāo)層起爆。

文中主要研究用計(jì)層的方法實(shí)現(xiàn)侵徹彈藥控制炸點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)侵徹過(guò)程中的干擾信號(hào)產(chǎn)生的原因及抗干擾的原理做了詳細(xì)的分析，提出了可靠的抗干擾的方法，并且進(jìn)行了算法仿真驗(yàn)證。為侵徹彈藥的進(jìn)一步發(fā)展打下基礎(chǔ)。

1 抗干擾的原理

彈丸侵徹層狀目標(biāo)的典型物理模型如圖1所示。

圖1 彈丸侵徹層狀目標(biāo)的典型物理模型

侵徹過(guò)程中，由侵徹彈藥上的高g值加速度計(jì)測(cè)得加速度信號(hào)。受傳感器安裝、結(jié)構(gòu)響應(yīng)等因素的影響，該加速度信號(hào)含有多種高頻干擾，需要經(jīng)信號(hào)處理才能獲得有用信號(hào)。原始加速度信號(hào)及處理后的加速度信號(hào)如圖2所示。

圖2中的加速度信號(hào)可能仍會(huì)存在兩類(lèi)干擾。第一類(lèi)，干擾層導(dǎo)致的干擾信號(hào)，容易被計(jì)數(shù)器誤計(jì)為是一層;第二類(lèi)，由于兩層之間距離很近，在侵徹的過(guò)程中應(yīng)該被視為一層，但侵徹加速度信號(hào)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)峰值，這個(gè)干擾不經(jīng)過(guò)處理會(huì)直接被計(jì)數(shù)器視為兩層，引起層識(shí)別的錯(cuò)誤，如圖2中的最后兩層。

對(duì)應(yīng)于由于干擾層等原因產(chǎn)生的第一類(lèi)干擾信號(hào)，由于其閥值比較小，可以通過(guò)比較器，預(yù)先設(shè)定好比較值，當(dāng)輸入信號(hào)大于預(yù)先設(shè)定好的比較電壓時(shí)，才能被視為一層，當(dāng)干擾信號(hào)輸入時(shí)，由于其值小于預(yù)先設(shè)定好的比較電壓值，比較器無(wú)輸出。通過(guò)上述的方法，比較器可以可靠的消除此類(lèi)干擾。因?yàn)楸容^器使用較容易，所以文中不做分析。

圖2 侵徹加速度信號(hào)

對(duì)于第二類(lèi)干擾，則通過(guò)定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)除去干擾的過(guò)程。根據(jù)目標(biāo)預(yù)先設(shè)定好定時(shí)器延時(shí)的時(shí)間，進(jìn)入距離很近的兩層中的第一層時(shí)，輸入計(jì)數(shù)器的信號(hào)有跳變，同時(shí)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，定時(shí)期間，輸入計(jì)數(shù)器的信號(hào)不隨侵徹過(guò)程發(fā)生變化。進(jìn)入第二層時(shí)，定時(shí)時(shí)間到。由于穿出第二層時(shí)，輸入定時(shí)器的信號(hào)又會(huì)發(fā)生跳變，所以計(jì)數(shù)器會(huì)計(jì)為一層。通過(guò)這樣的方法，可以有效的消除由于距離很近的兩層產(chǎn)生的雙峰值干擾。下文進(jìn)行詳細(xì)的描述和仿真。

2 消除雙峰干擾的方法

消除雙峰干擾系統(tǒng)的整體方框圖如圖3所示。

圖3 消除雙峰干擾的系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，第一部分是計(jì)數(shù)部分，由上升沿檢測(cè)、下降沿檢測(cè)、鎖存器、計(jì)數(shù)器組成。作用是濾除第一類(lèi)干擾并且計(jì)出侵徹彈藥已經(jīng)侵徹的層數(shù)。第二部分是定時(shí)器部分，由鎖存器、定時(shí)器組成，作用是消除第二類(lèi)干擾信號(hào)，即雙峰干擾信號(hào)。

因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)多采用的邏輯器件、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器等，受外界干擾影響較小。調(diào)試好后進(jìn)行相應(yīng)的封裝。以保證硬件實(shí)現(xiàn)的可靠性。

圖4 假設(shè)輸入信號(hào)

假設(shè)輸入信號(hào)如圖4所示，圖中有兩個(gè)層信號(hào)，第一層為常規(guī)的層信號(hào)，第二層為雙峰干擾的層信號(hào)，當(dāng)這個(gè)信號(hào)輸入系統(tǒng)時(shí)，各模塊的時(shí)序圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)各點(diǎn)時(shí)序圖

侵徹第一層時(shí)，各點(diǎn)動(dòng)作如時(shí)序圖中所示，進(jìn)入比較器的信號(hào)I為一個(gè)脈沖，即會(huì)被計(jì)為一層。侵徹第二層時(shí)，也就是有雙峰干擾的層信號(hào)輸入時(shí)，可以分為4個(gè)階段分析，即信號(hào)的第一個(gè)上升階段，第一個(gè)下降階段，第二個(gè)上升階段和第二個(gè)下降階段。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)上升階段輸入系統(tǒng)時(shí)，上升沿檢測(cè)輸出1，下降沿輸出0，或門(mén)1輸出1給鎖存器1的控制端，因?yàn)闉楦唠娖?，則鎖存器直通，則高電平1會(huì)直接輸出給或門(mén)3，同時(shí)，或門(mén)2也輸出高電平給鎖存器2，鎖存器2直通輸出高電平給定時(shí)器和或門(mén)3，定時(shí)器開(kāi)始定時(shí)動(dòng)作，或門(mén)3輸出高電平1給計(jì)數(shù)器。當(dāng)進(jìn)入第一個(gè)下降階段時(shí)，上升沿檢測(cè)輸出0，下降沿檢測(cè)輸出1，或門(mén)1輸出1給鎖存器1的控制端，鎖存器1直通輸出0給或門(mén)3，同時(shí)，因?yàn)槎〞r(shí)器未到預(yù)先設(shè)定好的定時(shí)時(shí)間，所以輸出0給鎖存器2的控制端，鎖存器2鎖存，仍然輸出1給或門(mén)3，所以或門(mén)3仍然輸出高電平1給計(jì)數(shù)器。當(dāng)?shù)诙€(gè)上升發(fā)生的時(shí)候，與第一過(guò)程完全相同，定時(shí)器定時(shí)到了，輸出高電平，或門(mén)3的輸出仍為高電平。當(dāng)?shù)诙€(gè)下降發(fā)生的時(shí)候，上升沿檢測(cè)輸出0，下降沿檢測(cè)輸出1，所以鎖存器1輸出低電平0給或門(mén)3，由于定時(shí)器定時(shí)時(shí)間已到，所以鎖存器2輸出給或門(mén)3的為低電平0，此時(shí)，或門(mén)3輸出給計(jì)數(shù)器為低電平。到此，帶有雙峰干擾的層信號(hào)通過(guò)，或門(mén)3輸出的為一個(gè)脈沖，即為一個(gè)層信號(hào)，避免了被計(jì)為兩層的錯(cuò)誤，達(dá)到了精確計(jì)層的目的。

3 仿真驗(yàn)證

在Matlab的Simulink仿真系統(tǒng)中構(gòu)造出如圖6的抗干擾系統(tǒng)模型。

圖6 抗干擾系統(tǒng)模型

在系統(tǒng)中設(shè)定定時(shí)器延時(shí)的時(shí)間為T(mén)0=0.003s，分兩種情況仿真:

第一種情況，當(dāng)相鄰兩個(gè)峰值之間的最小時(shí)間間隔T1小于延時(shí)時(shí)間，即 T1＜T0時(shí)。輸入系統(tǒng)的信號(hào)波形和系統(tǒng)輸入計(jì)數(shù)器的信號(hào)波形如圖7所示。

圖7 有雙峰干擾的層信號(hào)仿真

從輸入系統(tǒng)的信號(hào)波形中可以看出，前面一層為常規(guī)層信號(hào)，后面一層為兩個(gè)峰值時(shí)間間隔 T1=0.002s的層信號(hào)。因?yàn)闀r(shí)間間隔 T1=0.002s小于預(yù)先設(shè)定的延時(shí)時(shí)間T0=0.003s，所以被認(rèn)為是含有雙峰干擾的層信號(hào)。從系統(tǒng)輸入計(jì)數(shù)器的波形可以看出，為兩個(gè)層信號(hào)，計(jì)數(shù)器計(jì)為兩層，排除了雙峰干擾。

第二種情況:當(dāng)相鄰兩個(gè)峰值之間的最小時(shí)間間隔T2大于延時(shí)時(shí)間，即 T2＞T0時(shí)。輸入系統(tǒng)的信號(hào)波形和系統(tǒng)輸入計(jì)數(shù)器的信號(hào)波形如圖8所示。

圖8 不含雙峰干擾的層信號(hào)仿真

從輸入系統(tǒng)的信號(hào)波形中可以看出，前面一層為常規(guī)層信號(hào)，后面兩層為兩個(gè)峰值時(shí)間間隔T2=0.004s的層信號(hào)。因?yàn)闀r(shí)間間隔 T2=0.004s大于預(yù)先設(shè)定的延時(shí)時(shí)間T0=0.003s，所以即使兩層離得很近，也被認(rèn)為是兩個(gè)層信號(hào)。從系統(tǒng)輸入計(jì)數(shù)器的波形可以看出，為3個(gè)層信號(hào)，計(jì)數(shù)器計(jì)為3層。完成了精確計(jì)層的過(guò)程。

通過(guò)仿真可以得出，結(jié)果與理論分析一致。系統(tǒng)可以有效的抗干擾，精確計(jì)層。

4 結(jié)論

定時(shí)器延時(shí)時(shí)間的設(shè)定與目標(biāo)層數(shù)和彈藥侵徹各層目標(biāo)的時(shí)間有關(guān)。所以在進(jìn)行打擊之前，需要先對(duì)打擊目標(biāo)有相應(yīng)的了解，例如在目標(biāo)在第幾層等信息。以保證精確打擊。

侵徹加速度信號(hào)在處理的過(guò)程中，可能存在著一般濾波電路不能濾除的兩種干擾信號(hào)，即干擾層信號(hào)和雙峰干擾信號(hào)。文中重點(diǎn)討論如何抗這兩種干擾的方法。其中，通過(guò)比較器可以有效的抗干擾層的干擾信號(hào)，文中設(shè)計(jì)的以定時(shí)器為核心的系統(tǒng)可以有效的抗雙峰干擾信號(hào)。通過(guò)仿真軟件基于算法的仿真，確認(rèn)能夠有效作用。為準(zhǔn)確的硬層分析提供了一個(gè)新的方法。

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