基于能量域的引信環(huán)境識別

宮雪峰，李豪杰，陳志鵬，于 航，原紅偉

(南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

引信是利用環(huán)境信息、目標(biāo)信息或平臺信息，確保彈藥勤務(wù)和彈道上的安全，按預(yù)定策略對彈藥實施起爆控制的裝置，是彈藥控制起爆的“大腦”，是保證武器裝備和彈藥安全與完成毀傷的關(guān)鍵核心部件[1-3]。

引信的安全性至關(guān)重要。隨著技術(shù)的發(fā)展，戰(zhàn)場的環(huán)境愈發(fā)變幻莫測，且隨著新型武器如巡飛彈、無人機、小型無人機戰(zhàn)車的出現(xiàn)，引信使用過程中經(jīng)歷的環(huán)境逐步體現(xiàn)出幅值越來越小，持續(xù)時間更長的弱環(huán)境特征；與此同時，安全系統(tǒng)控制需求越來越強，表現(xiàn)為實現(xiàn)安全系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性和快速性，需要對安全系統(tǒng)進行精細化設(shè)計。在這種背景下，對弱環(huán)境識別的研究被推上熱潮，也開啟了對引信設(shè)計理論和方法展開創(chuàng)新性研究的第一步[4-5]。

目前，國內(nèi)已經(jīng)對安全系統(tǒng)的識別理論和作用原理開展了大量研究。在引信安全控制與環(huán)境識別理論的研究方面，文獻[6]中基于一款導(dǎo)彈彈頭引信，設(shè)計了一種基于“閾值+順序+時間窗”的電子安全系統(tǒng)，確保了導(dǎo)彈彈頭引信的解保可靠性和勤務(wù)處理安全性。文獻[7—8]中提出了“雙閾值+時間窗”判別方法，改善了“單閾值+時間窗”識別方法可能發(fā)生環(huán)境誤判的問題。文獻[9]中提出一種基于“閾值與滑動時間窗”的發(fā)射過載特征識別方法，使得安全系統(tǒng)可以識別正與負的雙向過載。這些研究內(nèi)容為安全系統(tǒng)的識別方式做出了貢獻，但這些識別方法仍舊是停留在閾值與時間窗的范疇內(nèi)，都是基于常規(guī)高過載的發(fā)射環(huán)境下進行識別，在弱環(huán)境下識別可靠性未知，無法完全適應(yīng)未來安全系統(tǒng)的精細化設(shè)計需求。

在作用原理的研究上，文獻[10—12]分別對雙自由度后坐保險機構(gòu)、帶曲折槽的慣性筒保險機構(gòu)、空氣阻力作為第二解除保險環(huán)境力等的可行性進行了分析，總結(jié)出了其保險機構(gòu)的數(shù)學(xué)表達，為弱環(huán)境的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法提供了重要的理論基礎(chǔ)。但是這些研究注重的是系統(tǒng)隨時間的響應(yīng)，未對解保過程背后的一些共性的原理深入探討。

針對引信安全控制需求，本文提出一種基于能量域的環(huán)境識別方法，從能量的角度分析解除保險的工作原理，設(shè)計環(huán)境量積分方法與環(huán)境特征邏輯判別方法，為安全系統(tǒng)設(shè)計提供一種新的途徑。

1 安全系統(tǒng)中的能量利用

引信與外界的交互形式主要表現(xiàn)為信息交互、能量交互和物質(zhì)交互三種。信息交互就是安全系統(tǒng)通過傳感器將外界環(huán)境信息獲取后再現(xiàn)，或通過通信模塊實現(xiàn)信息的發(fā)送與接收；能量交互就是引信直接受到外界環(huán)境效應(yīng)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換過程，如引信安全系統(tǒng)將發(fā)射過程的機械能轉(zhuǎn)換為彈性勢能、熱能、電能等并儲存或利用；物質(zhì)交換指的就是如在起爆過程中火焰、物理碎片外飛等產(chǎn)生物質(zhì)上的交互。在目前成熟的解保過程中，機械安全系統(tǒng)在大多數(shù)情況下能量的交互占主體地位，主要為對機械能的利用，而在機電式和電子式安全系統(tǒng)中同時具有信息交互能力。

引信安全系統(tǒng)對機械能的利用，如機械安全系統(tǒng)中的雙自由度后坐保險機構(gòu)、帶曲折槽的慣性筒機構(gòu)和離心力驅(qū)動的軟帶等機構(gòu)，它們的作用原理是在外力的做功下，保險件的動能和勢能與彈簧的彈性勢能相互轉(zhuǎn)換從而解除保險，此外，風(fēng)翼旋翼是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能解除保險，彈丸的發(fā)射過程就是一個化學(xué)能轉(zhuǎn)化為彈丸機械能的過程；電能的利用，典型的如利用渦輪機構(gòu)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能實現(xiàn)供電功能；熱能的利用，主要也是在彈丸飛行過程中，由于空氣阻力的影響，風(fēng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，實際應(yīng)用如利用易熔金屬在空氣摩擦的作用下會熔化的現(xiàn)象實現(xiàn)解除保險。

現(xiàn)有的安全系統(tǒng)對環(huán)境信號的識別，通常是判斷環(huán)境力的值是否在一定的閾值之上并達到一定的時間，若從能量角度分析，可以分析在到達一定時間時，某個環(huán)境激勵是否具有一定的能量。因此，可以設(shè)在某一時刻使安全系統(tǒng)為外界所給予的能量為E，其需要高于安全系統(tǒng)實現(xiàn)解保時的最小能量需求Emin：

E>Emin，

(1)

式(1)中，E能量形式是根據(jù)需求得來的，通常情況下E可以根據(jù)某一種物理量對時間t的積分量得來。表1例舉出了一些引信安全系統(tǒng)常用的環(huán)境量及其積分后的物理意義和積分量可以表達的能量形式。

表1 部分環(huán)境量對時間積分代表的物理意義Tab.1 Physical significance of partial environmental quantity to time integral

對加速度a積分，可獲得當(dāng)前的彈丸速度，計算mv2/2即可計算此時的彈丸動能；對速度v積分獲得此時的位移x，雖不能指代任何能量但可以得到彈丸的位移；速度的平方v2與彈體表面的溫度成正比，根據(jù)溫度曲線可以計算易熔合金的內(nèi)能；速度的三次方v3與渦輪發(fā)電功率成正比，對時間積分則可以計算出發(fā)電量從而計算總電能。

根據(jù)以上分析，此處的能量為廣義能量的概念，物理意義上不一定是物理量中能量的表示。

2 基于能量域的識別方法

2.1 總體設(shè)計

根據(jù)上一章的分析，提出基于能量域的引信環(huán)境識別系統(tǒng)，通過多次獲取環(huán)境參數(shù)并處理進行綜合判斷，系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 基于能量域的引信環(huán)境識別系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of fuze environment recognition system based on energy domain

2.2 積分與判斷模塊

對于安全系統(tǒng)而言，對一種信號進行采集最終得到的數(shù)據(jù)是離散的點，采樣頻率越高點越密集。引信安全系統(tǒng)需要準(zhǔn)確性與實時性并存，因此，需要選擇一種步驟簡單、處理速度快、誤差小的積分方法，本文選用了梯形法進行近似積分計算。

如圖2所示，在區(qū)間[T1，T2]內(nèi)的定積分的幾何意義就是曲線在區(qū)間[T1，T2]間與橫坐標(biāo)圍成的面積，每個離散環(huán)境量之間都間隔一個固定的時間δ，正好把環(huán)境信息曲線分割成了許多等距的小區(qū)間。

圖2 梯形法近似積分Fig.2 Trapezoidal approximate integral

離散的后坐過載值組a={a1,a2,…,an},則每一個離散區(qū)間的面積Ei和當(dāng)i=n時的總積分值E(n)為

(2)

為了進行實時判斷，根據(jù)級數(shù)定義有

(3)

因此，采用實時的梯形法積分識別環(huán)境也是一個迭代的過程，Ei就是實時的單元環(huán)境積分量，根據(jù)式(3)，判斷模塊流程如圖3所示。

圖3 積分與判斷模塊Fig.3 Integral and Judgment Module

首先需要確定起始閾值F0，對于機電安全系統(tǒng)需要在膛內(nèi)上電后使用，可以取F0=0。i代表了第i次記錄環(huán)境量與第i次迭代計算積分值。tmax代表容許識別時間上限，δ為采樣周期，其值都根據(jù)引信具體使用環(huán)境來確定，Tempi表達的是當(dāng)前循環(huán)的梯形單元積分量，也就是式(2)中的Ei，Emin指的是設(shè)定的最小積分閾值，ΔEmax指的是容許的積分值變化最大值，S為設(shè)定的安全裕量系數(shù)，env是環(huán)境識別的輸出，當(dāng)env為1時代表識別到了正確的發(fā)射環(huán)境，為0時代表未識別到或者發(fā)生故障。

第一個判斷單元Tempi>ΔEmax的功能是判斷當(dāng)前輸入的積分量是否大于容許的積分值變化最大值。如果超過了，則用上一次積分值代替這一次積分值，可以濾去一些短時大峰值的，即瞬時積分量過大的瞬時脈沖信號；如果沒超過，則用式(2)算出當(dāng)前的總環(huán)境積分量。

第二個判斷模塊E(i)/S>Emin的意義在于判斷當(dāng)前的積分量是否已經(jīng)超過了設(shè)定的最小積分閾值。如果超過了則說明判斷出了正確環(huán)境；如果沒超過則需要進入第三個判斷模塊。

第三個判斷模塊i·δ>tmax用來檢驗當(dāng)前環(huán)境識別時間i·δ是否超過了設(shè)定的最大環(huán)境識別時間窗tmax。如果超過了，則判斷環(huán)境為錯誤發(fā)射環(huán)境，輸出env=0；如果沒超過，則i=i+1進行重復(fù)迭代。

3 仿真驗證

為驗證本文提出的方法，本章以低過載火箭彈發(fā)射過載為例，將正常弱發(fā)射環(huán)境的過載作為輸入來驗證本文識別方法可靠性和快速性，將欠加速與過加速環(huán)境作為輸入來驗證本文識別方法具有自適應(yīng)減小解保位置散布的能力，對停機故障情況進行仿真來驗證本文識別方法的故障環(huán)境識別能力，跌落過載作為輸入來驗證本文識別方法的安全性。

3.1 正常弱發(fā)射過載仿真

表2給出了相關(guān)文獻中仿真驗證環(huán)節(jié)所取的發(fā)射環(huán)境模擬量和勤務(wù)處理跌落環(huán)境模擬量，以及驗證所得的解除保險時間。

表2 部分過載模擬量大小及持續(xù)時間和解保時間[13-16]Tab.2 Partial overload analog size and duration and arming time

從表2中可以看出，大部分仿真實驗都將弱環(huán)境發(fā)射的過載量看作一個持續(xù)過載信號。結(jié)合表2數(shù)據(jù)，使用數(shù)值仿真軟件，選取發(fā)射過載為10g，持續(xù)時間50 ms，采樣頻率選擇1 ms處理，結(jié)合實際發(fā)動機助推過載曲線，在理想的發(fā)射過載曲線上增加一些正弦疊加噪聲，得到如圖4的擬合發(fā)射過載曲線。

圖4 擬合發(fā)射過載曲線Fig.4 Fitted launch overload curve

在表2中，后兩種模擬環(huán)境時間太長，使用前4種發(fā)射過載模擬量乘以對應(yīng)的持續(xù)時間可得：前兩種的積分量值(速度大小)為600g·ms，第3種為850g·ms，第4種為600g·ms，且解除保險時的積分量值(速度大小)前兩種為480g·ms，第3種為744.6g·ms，第4種為247.56g·ms。本文選取的環(huán)境與第4種模擬環(huán)境類似，因此選最小解保積分量閾值和安全系數(shù)的乘積S·Emin為250g·ms，容許最大瞬時積分增量同樣根據(jù)第4種的勤務(wù)環(huán)境模擬量150g，再根據(jù)保守原則ΔEmax取100g·ms，最大環(huán)境識別時間tmax為50 ms，處理結(jié)果如圖5所示。

圖5 發(fā)射過載識別結(jié)果Fig.5 Launch overload recognition results

圖5(b)左側(cè)縱坐標(biāo)為單元積分量Ei(即流程圖中的Tempi)隨時間的變化，在坐標(biāo)中通過圓和連線表示。右側(cè)縱坐標(biāo)為到達ti時總的積分量E(i)，在坐標(biāo)中通過叉和連線表示。該處理方法在26 ms時判定該環(huán)境為有效環(huán)境，處理數(shù)據(jù)到輸出結(jié)果用時15 ms，在41 ms時輸出環(huán)境識別結(jié)果，處理迅速，能夠滿足在50 ms內(nèi)的解保任務(wù)。

3.2 欠加速和過加速過程仿真

由于種種因素影響，發(fā)射環(huán)境的過載不一定穩(wěn)定，會存在欠加速和過加速的情況。欠加速時，環(huán)境單元積分量Ei變小，環(huán)境積分量E(i)增長到最小環(huán)境積分閾值Emin的時間t變大，反之，過加速度時，識別時間t變小。根據(jù)位移增量與時間的關(guān)系Δx正比于加速度a且正比于時間的平方t2可得，若想位移增量穩(wěn)定，加速度a變大時t要減小，a減小時t要變大，本文的識別方法剛好可以滿足讓位移增量穩(wěn)定的基本條件。

為了驗證本文識別方法相較于“閾值+時間窗”識別方法的優(yōu)勢，在此選取±15%的欠加速和過加速情況進行分析[17]，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 欠加速與過加速識別結(jié)果Fig.6 Under-acceleration and over-acceleration recognition results

在欠加速情況下，積分量增長得比較慢，增長到判定閾值的時間是29 ms，過加速積分量到閾值的時間是23 ms，都與正常情況下的識別時間相差3 ms左右，計算時間15 ms，仍能保證50 ms內(nèi)解保。

根據(jù)積分的定義，輸入是加速度，積分后獲得的是速度曲線，再次積分便可獲得位移，對圖6的欠加速和過加速以及正常發(fā)射過載的速度量再次積分，即可獲得解除保險時彈丸已移動的位移，積分方法識別與“閾值+時間窗”識別方法在三種情況下的解除保險距離對比如表3所示，“閾值+時間窗”識別方法解保時間取正常環(huán)境下積分識別解保時間41 ms。

表3 兩種識別方法解保距離對比Tab.3 Comparison of two recognition methods to solve the arming distance

由表3可以看出，相較于正常過載下的解保距離，本文的識別方法能夠有效地改善解保距離散步大的問題，相較于“閾值+時間窗”識別方法最大相對誤差15.5%，本文識別方法能將解保距離散步降低至6.8%以內(nèi)。

3.3 停機故障仿真

為驗證本文識別方法可以識別異常發(fā)射故障，對停機故障情況進行仿真。停機故障可以參考火箭彈助推器停機故障，重點關(guān)注初始段停機和中段停機。發(fā)生初始段停機時，取環(huán)境量在0～3 ms時處于升高過程，后因停機在10 ms時環(huán)境量歸為0。中段停機取在23 ms前處于正常工作狀態(tài)，在23 ms時停機，在30 ms時過載值歸為0。根據(jù)上述環(huán)境，環(huán)境量的積分情況如圖7所示。

圖7 初始段與中段停機識別結(jié)果Fig.7 Recognition results of initial and intermediate stoppages

在這兩種情況下，最終環(huán)境被系統(tǒng)判定為非正常環(huán)境，原因為兩種情況的環(huán)境量積分結(jié)果E(i)都不能在最大容許識別時間上限tmax(50 ms)前達到最小解保積分量閾值Emin與安全系數(shù)S的乘積，所以只要參數(shù)設(shè)置合理，本文識別方法能夠行使對故障環(huán)境的識別功能。

3.4 跌落環(huán)境仿真

為證明識別的安全性，加載模擬跌落信號輸入。根據(jù)表2的跌落環(huán)境，同樣選擇最為極端的兩種模擬情況，分別為10 000g過載、持續(xù)0.5 ms和300g過載、持續(xù)5 ms。

圖8 兩種過載情況下的識別結(jié)果Fig.8 Recognition results in two overload situations

圖8(a)是模擬采集到的跌落信號，圖8(b)是積分量值，可以看出，因為兩種環(huán)境瞬時的單元積分值Ei全程大于容許的積分變化最大值ΔEmax，系統(tǒng)將異常的增量過濾掉，全程的積分量E(i)計算結(jié)果都是0，之后輸出低電平信號，證明該識別方法可以保障勤務(wù)處理中跌落時的安全性。

本文中加載的模擬跌落過載曲線雖然并非是以能量法衡量時能量最大的過載曲線，但即使跌落過載具有比弱發(fā)射過載過程中更多的能量，由于該識別方法并非只是對能量的值進行判斷，還存在對能量瞬時變化的判斷，因此基于上述兩個判斷依據(jù)，即使勤務(wù)處理過程中存在環(huán)境能量增加更快、總能量更大的情況，其能量特征仍與弱發(fā)射過程中的過載存在較大的區(qū)分度，系統(tǒng)不會做出解保響應(yīng)。

4 結(jié)論

本文提出一種基于能量域的環(huán)境識別方法。該方法利用梯形法對環(huán)境量進行近似積分計算，要求每一次積分量值Ei不大于最大允許的積分變化值ΔEmax，識別時間不超過最大允許識別時間tmax，判斷是否滿足E/S>Emin。實驗結(jié)果表明，本文的識別方法能夠在給定模擬的弱發(fā)射過載環(huán)境下快速、準(zhǔn)確地給出解保信號，降低了在過、欠加速發(fā)射環(huán)境下的解保距離散布大的問題，由“閾值+時間窗”方法的15.5%降低到了6.8%，可以識別異常情況下的初始段和50%段停機發(fā)射過載，能夠保障勤務(wù)處理時的跌落安全性。證明了基于能量域的環(huán)境識別方法的可行性，為引信安全系統(tǒng)提供了一種新的設(shè)計思路，并為解保策略的設(shè)計提供參考。