基于U型線圈的彈鏈信息交聯(lián)信號獲取方法

張 南,符超群,毛 俊,王秋生

(西安機電信息技術研究所, 西安 710065)

0 引言

感應裝定屬于信息交聯(lián)系統(tǒng)中的一部分,在火炮系統(tǒng)中采用自動供彈的方式,將裝定器安裝在供彈彈鏈的某一特定位置上,因不需要裝定器與引信之間進行物理接觸,故可有效提高武器系統(tǒng)的射速、簡化操作程序、減少反應時間使其能夠精確打擊目標,使武器系統(tǒng)的靈活性得到充分發(fā)揮,而越來越受到重視。

但是隨著引信數(shù)據(jù)量增大,用于信息感應裝定的窗口在裝定時間不變的情況下就顯得倉促甚至不足以滿足現(xiàn)狀,而信息裝定的窗口大小取決于裝定線圈磁力線的垂直方向與引信的水平方向運動路徑的有效交集,另外彈在彈鏈運動中不能穿過現(xiàn)有圓形裝定線圈。針對這些問題,通過分析感應窗口內(nèi)的磁場均勻性、信號波形的幅度裕量、和空間的特征,采用調(diào)整復雜的發(fā)射線圈形狀及多匝、多組線圈組合發(fā)送信號,增大線圈的接收空間獲取最大感應信號,從而改變了接收線圈上感應信號電壓曲線的混合疊加形狀,極大改善了線圈的耦合效果,滿足了應用需求。

1 系統(tǒng)構成及工作原理

感應裝定系統(tǒng)由裝定控制器、發(fā)射與接收線圈、引信接收模塊3個部分組成,如圖1所示。裝定控制器中的驅(qū)動模塊通過控制加載在彈鏈發(fā)射線圈上的電流,在發(fā)射線圈附近區(qū)域建立變化的磁場,當安裝接收線圈的引信經(jīng)過該區(qū)域時,由于電磁感應在線圈上敏感到變化的磁場信息,并轉(zhuǎn)化為能量信號,該信號通過接口送至引信上的控制器進行接收并解碼,之后引信按解碼信息完成后續(xù)動作。

在U型線圈的感應裝定下如圖2(a)所示。首先線圈的結構不能與信息交聯(lián)的運動彈道軌跡相干涉如圖2(b)所示。其次通過增大接收線圈的面積獲取接收線圈穿過U型發(fā)射線圈最大感應信號,處于裝定區(qū)域的引信中的信息接收模塊獲得長距離的裝定能量如圖2(c)所示。建立與裝定器的信息通道,獲得裝定器傳送過來的裝定信息,并寫入非易失性存儲器,之后引信離開裝定區(qū),信息接收模塊失電,恢復初始狀態(tài)完成了裝定過程,如圖2所示。

而在彈鏈感應裝定中,每發(fā)修正彈丸的裝定時間極其有限,在每分鐘射速7發(fā)的情況下,系統(tǒng)允許每發(fā)彈丸的感應裝定時間約為2 s,除去信息接收模塊工作時間,允許儲能電容進行電量存儲的時間約為前段200 ms左右,后端800 ms左右。當火炮的發(fā)射速度為7發(fā)/min,這表示每發(fā)彈藥引信的感應裝定時間約為 1.5 s 左右。而彈道修正所要求的裝定的數(shù)據(jù)量為不大于4 KB(任務、氣象、星歷的數(shù)據(jù)量)。其中,除去能量感應傳輸所需的約800 ms時間外,信息傳輸?shù)脑试S時間約為1 000 ms左右,即在1 000 ms時間內(nèi)進行不大于4 KB數(shù)據(jù)的感應傳輸和存儲。

圖2 U型線圈裝定示意圖及運動曲線

2 感應耦合回路數(shù)學模型

按照近感應場的理論,傳輸信道電路可簡化成如圖3所示電路圖。其中,Vi為裝定器信號源電壓;R1為裝定器的等效電阻;L1為裝定器線圈電感量;C1為裝定器等效電容;M為線圈耦合系數(shù);R2為感應線圈的等效電阻;L2為引信線圈電感量;C2為引信等效電容;ZL為負載阻抗。

圖3 近感應場的理論及簡化圖

由基爾霍夫定律可得到[2-3],裝定器回路方程:

(1)

引信接收回路方程:

(2)

則裝定器回路的阻抗為

(3)

引信回路阻抗為

(4)

引信感應線圈回路的阻抗耦合到裝定器回路的反射阻抗為

(5)

裝定器回路的阻抗耦合到引信感應線圈回路的反射阻抗為

(6)

為了更好的研究初級線圈的發(fā)射功率,把圖3(a)所示電路圖等效為圖3(b)所示電路圖。

(7)

設裝定器發(fā)送功率P2,因為采用近場感應原理,假設感應能量沒有向外輻射,所以引信接收回路的接收功率也為P2,則有

(8)

獲得更多的能量,我們在設計時使裝定器回路工作在諧振頻率工作,即合理選擇參數(shù)使得X11+X′22= 0,則有:

(9)

若調(diào)整R′11使得R11=R′11,則引信回路在R11=R′11,時,可以達到最大接收功率P2max。

(10)

設發(fā)送線圈為N1,N2繞組,N1為線圈組數(shù),N2為每匝數(shù),其電流為I1,I2,則根據(jù)疊加原理,接收線圈上的感生電動勢:

(11)

εi為接收線圈上的感生電動勢。

3 U型線圈的構造仿真

假設感應能量沒有向外輻射,但是實際U型發(fā)射線圈是一種松散式感應裝定,耦合系數(shù)為0.01,按照近感應場的理論,傳輸信道電路可簡化成如圖3所示電路圖。其中Vi為裝定器信號源電壓為24 V,R1為裝定器的電阻2.5 Ω,I1為裝定器線圈電流為10 A,電磁建立時間為5 ns。

根據(jù)式(10)和式(11)得到:

在實際裝定中,單組、單線圈或者發(fā)射線圈形狀的簡單的空間裝定窗口很難滿足需要圖4(b)的曲線3或者4,單組線圈的裝定窗口如圖4(a)的-10 mm的位置1、+10 mm的位置2的對應的單組線圈、裝定窗口的波形為圖4(b)中的1、2。裝定窗口由圖4單組線圈的最大接收功率波形1與3交會的裝定窗口為2 mm,如果以與單線圈相同的信號強度來計算,通過降低最大接收功率來提高裝定窗口,則裝定窗口圖4的接收功率波形1與波形2交會約為9 mm。

圖4 發(fā)射線圈單組及合成U型線圈的波形圖

采用U型發(fā)射線圈,按照長度在空間上等距分割為12個間隔10 mm的單組線圈,設每個單組線圈的物理結構均相同,且每組含有相同匝數(shù)的線圈,如果多組線圈組合最大接收功率整個線圈的寬度為120 mm,通過降低最大接收功率來提高裝窗口,則裝定窗口寬度為130 mm,但是在電壓幅度方面接收信號的電壓幅值應控在接收中值與可接收值的±20%以內(nèi),所以U型發(fā)射線圈滿足裝定窗口。

根據(jù)所計算的對象結構具有對稱性的特點,構造計算模型如圖5所示。

圖5 線圈感應計算模型

其中:

1) 線圈座位于彈體頭部,用來固定接收線圈的骨架。

2) 發(fā)射線圈是用來產(chǎn)生變化磁場的,共10匝,輸入周期為0.2 ms的鋸齒波,其上升沿時間0.1 ms,峰頂寬度4×10-3ms,下降沿時間1×10-3ms, 0～0.4 ms內(nèi)的電流波形如圖6所示。

圖6 發(fā)射線圈0～0.4 ms內(nèi)電流波形

3) 利用U型線圈磁力線的Y軸垂直方向與引信的水平方向運動X軸路徑有效交集,其正視圖見圖5,接收線圈共165 N,電阻13 Ω,接100 Ω電阻負載形成回路,全模型 [0,0,0]磁場分布如圖7所示。全模型[0,0,±10 mm]磁場分布的磁場分布如圖8所示,全模型[0,0,-5 mm]磁的磁場分布如圖9所示。從磁場分布圖看出磁力線強度在邊界降低,但是降幅在-20%內(nèi)。

圖7 全模型[0,0,0]磁場分布

圖8 全模型[0,0,±10 mm]磁場分布的磁場分布

圖9 全模型[0,0,-5 mm]磁的磁場分布

4 試驗驗證

在U型線圈發(fā)送線圈外廓尺寸為120 mm×80 mm×60 mm,內(nèi)腔尺寸為80 mm寬,70 mm高,裝定線圈采用Φ0.5 mm聚酯亞胺漆包圓銅線繞制情況下。裝定器和信息接收模塊進行信息交聯(lián)試驗。通過裝定器發(fā)送4 KB的數(shù)據(jù)給信息接收模塊,利用示波器測試裝定信號波形(見圖10),信息傳輸時間大約為1 s,信息傳輸空間約為1.5 s。

圖10 U型線圈空間感應的充電電壓示意圖

圖10的波形是在不同的感應位置下接收線圈感應到的電壓信號。在感應距離在U型線圈發(fā)送線圈不同的空間位置,接收電壓幅值均大于15 V,接收電壓幅值隨著感應距離的增加逐漸減小。當感應距離為最大負偏差時,接收線圈上感應到的電壓信號幅值幾乎不變,在系統(tǒng)要求的感應距離下,接收線圈上能夠感應到足夠大的電壓信號來給引信接收器電路供電。另外,接收電壓的幅值大于3 V,解調(diào)電路就能實現(xiàn)對接收信號的解調(diào),通過測量接收電壓幅值的大小來判斷信息是否能有效傳輸,實驗證明了U型發(fā)射線圈設計合理性。

在運動方向上裝定的窗口范圍±10 mm,運動方向設置為X軸,裝訂感應的充電電壓見圖11。

U型發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場能夠有效地穿過接收線圈所圍成的曲面;從圖11中可以看出,等距分割單組線圈產(chǎn)生的虛線充電電壓,合成U 型發(fā)射線圈藍色實線充電電壓。從左到右合成的磁感應強度變化平緩,并且到接收線圈電壓一直大于15 V,這說明 U 型發(fā)射線圈結構在系統(tǒng)要求的感應距離下仍能產(chǎn)生較強的磁場,并且接收線圈能夠有效地利用磁場能量。

在運動軌跡左右方向上的裝定范圍達到±10 mm,運動軌跡左右方向設置為Y軸,裝訂感應的充電電壓見圖12。

在高度方向上裝定的窗口范圍達到±5 mm,高度方向上運動設置為在Z軸,裝訂感應的充電電壓見圖13。

圖11 U型線圈X軸裝定感應的充電電壓

圖12 U型線圈Y軸裝定感應的充電電壓

圖13 U型線圈Z軸裝定感應的充電電壓

調(diào)整裝定發(fā)送器的尺寸后在實驗室進行了實際裝定窗口范圍的測試,測試結果(增加發(fā)射電壓10%)為:裝定電壓門限設置為14 V,根據(jù)設計線圈的實測感應電壓值可以推算出裝定范圍可以滿足[±10 mm,±10 mm,±5 mm]的要求。

5 結論

1) U型的發(fā)射線圈滿足彈鏈上引信的特殊運動軌跡。

2) U型的發(fā)射線圈,極大地改善了線圈的耦合效果,增大感應裝定[±10 mm,±10 mm,±5 mm]空間和時間2個維度。

3) U型線圈形成的有限感應裝定空間最大幅度變化在±20%、達到均勻一致性,感應裝定時間余量滿足±20%變化。

4) 數(shù)據(jù)量在1 s內(nèi)達到4 kB字節(jié)。

5) U型的裝定電壓門限設置為14 V,發(fā)射線圈產(chǎn)生的更大的裝定窗口。