双电极静电引信起爆控制技术研究*

李彦旭，陈 曦，徐立新，崔占忠

(1江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江 212013;2北京理工大学机电学院，北京 100081)

0 引言

目标在运动过程中，通常都会因摩擦、感应电荷等作用而带上静电荷，从而在其周围空间产生静电场[1]。静电引信就是通过探测目标周围的静电场来获取目标信息并进行起爆控制的近感引信。根据产生静电场的不同，静电探测技术可分为被动式和主动式两类[2]。凡利用目标产生的静电场探测目标的称为被动式静电探测技术;若静电场由探测器产生，通过目标出现时对这一静电场产生的扰动来获取目标信息的称为主动式静电探测技术。

国外早期开展了主动式静电引信的研究，20世纪50年代美国HDL(Harry diamond laboratory)实验室研究了为非旋转弹配用的主动式静电引信[3]，并在CWS-5毒刺导弹和81mm口径T202迫击炮弹上进行了实弹研究。静电探测技术应用最多的是被动式静电引信。最早的被动式静电引信产生于二战时的德国，其针对的目标是飞机等在飞行中会带上至少几千伏静电的空中目标[4]。20世纪60年代，美国研究了一种利用目标电场的电势梯度工作的被动式静电引信[5]，它主要用于舰船和轰炸机反击来袭的飞机和导弹的小口径旋转弹药。20世纪70年代末期，美国HDL实验室研究了另一种测量目标电场电势梯度的被动式静电引信，称为感应变换式静电引信[6]。进入90年代以后，美国以ARL(army research laboratory)实验室为核心并联合众多大学和企业，开展了新一代被动式静电引信的研究。美国第一个公开发表的新一代被动式静电引信命名为“短路轴向探测电极式”静电引信[7]。

国外对静电引信的研究已经相当深入和广泛，而在国内静电引信的研究仍处于起步阶段。文中通过对双电极静电引信的研究，提出了一种在最佳位置给出起爆信号的控制方法，据此设计了相应的控制电路，并通过实验给予了验证。

1 静电引信探测原理及其目标特性

当静电引信工作时，引信、静电场和目标相互作用，共同构成电场感应系统。目标的电荷通过静电场在引信探测器上产生感应电荷，静电场起着媒质的作用。探测器检测该静电场的物理量，并通过这些物理量在弹目交会过程中的变化特征得到目标的信息[8]。起爆控制系统对输入的目标信号进行处理，确定是否输出起爆信号，触发执行机构引爆战斗部。

双电极静电引信探测原理如图1所示，探测电极由电极一和电极二构成(分别用 J1和 J2表示)，中间用介质隔离。每个电极接一电阻R，当目标电场的变化引起J1和J2上的感应电荷发生变化时，电流i1和i2将会从电阻R上流过，通过检测微弱电流差i1－i2，即可获得目标电场变化的信息。弹目交会的一次过程中，对于某一点目标静电场，双电极间的电流差为[9]:

图1 双电极静电引信探测原理示意图

上式即为基于电流差式双电极静电引信的目标特性表达式。式中:Q为目标带电量;v为目标与引信器交会速度;S为电极面积;y为引信到相对运动轨迹的最短距离;x为引信沿相对运动轨迹与目标的距离;d为两探测电极间距;θ为电极表面与相对运动轨迹的夹角，取值范围在0°～ 90°，当 θ=90°时，i在x=0处将有最大值[6]，此时式(1)可简化为:

根据式(2)可以画出其目标特性曲线，如图2所示。

图2 当θ=90°时双电极静电引信的目标特性曲线

2 双电极静电引信起爆控制技术

对于静电引信，其主要任务是找到最佳炸点起爆弹药，从而造成对目标的最大毁伤效果，而最佳炸点的确定需要以对目标特性信息的提取为前提。

在弹目一次交会的过程中，基于检测电流差式双静电引信目标特性曲线的典型变化如图2所示，以弹目间距离的最近点D为坐标原点，当弹目间距离由远到近的过程时间定为负。弹目接近过程中电场由弱变强的规律和弹目远离过程中电场由强变弱规律一致，目标特性在原点两边呈对称变化。通常要求弹丸在接近目标的阶段起爆，所以D点以后的数据在静电引信研究中没有价值。在D点之前会出现与之符号相反的一个谷值点B，该点信号幅值相对较小，对应的是弹体接近静电目标过程中达到最小距离之前的某一点。在两个峰值之间会出现一个过零点C，该过零点的位置仍然在达到弹目接近最近点之前，但是位于第一个谷值点位置之后。由于D点为弹目间距离的最近点，因此可以作为起爆控制点，通过AB和CD段曲线特征的变化来区分和识别目标与干扰物。

曲线AB段的特征为:u＜0且u'＜0且u″＜0;

曲线CD段的特征为:u＞0且u'＞0。

当同时满足上述两个识别准则之后，在D点处给出起爆信号引爆战斗部。双电极静电引信起爆控制原理框图如图3所示，该系统主要由静电信号检测电路、目标识别电路和起爆控制信号输出三部分组成。

图3 电流差式双电极静电引信起爆控制系统框图

3 实验验证

双电极静电引信起爆控制实验方案如图5所示。小球通过图4所示的120kV直流高压发生器充电后沿气垫导轨运动，探测电极感应到的目标信息送入静电信号检测及起爆控制电路，完成静电信号的放大、滤波、目标识别及其输出起爆信号。两对光电对管采集带电小球和探测电极交会的位置，结果经采集卡和数据存储示波器保存，图6～图8为测试结果。

图4 BGG 120kV直流高压发生器

图5 双电极静电引信起爆控制实验方案

图6 曲线AB段特征识别结果

测试结果表明，所设计的控制电路能够准确识别曲线AB和CD段的特征，进而在逻辑判断后在最佳炸点给出起爆信号。

4 结论

由以上分析可以得到如下结论:

图7 曲线CD段特征识别结果

图8 静电引信起爆输出信号

1)静电引信的作用距离与信号检测电路的上限有关。经推导，当控制电路可检测nA级电流时，探测距离在十几 ～几十米左右。

2)在弹体空间允许的情况下，增大探测电极面积S和电极间距d时，静电引信的作用距离也将随之增大。

3)由于测试环境中存在工频噪声，因此实测波形与图2中的仿真波形存在一定的差异，可以通过进一步提高改善陷波器性能加以消除。

4)由式(1)可知，静电目标特性与电极表面与相对运动轨迹的夹角θ有关:以起爆点为对称轴，当θ=90°时，左右对称，如图6所示;当θ＜90°时，左右曲线不对称，且左边谷值点低于右边谷值点[2]，如图7和图8所示。测试结果表明，起爆控制电路均能予以准确识别。

[1]Dewey K.Electrostatic target detection:A preliminary investigation，AD-A 278843[R].1994.

[2]李彦旭，崔占忠，徐立新，等.基于检测电流差式的静电探测方法研究[J].北京工业大学学报，2008，34(S1):92－95.

[3]Philip Krupen.Capacitance fuze:US 3882781[P].1962.

[4]Barry.Fuze function control technology，ADD 520845[R].1974.

[5]Philip Krupen.Proximity fuze:US 4183303[P].1980.

[6]Neil D Wilkin.The experimental determination of the electric fields surrounding a model aircraft，AD-A 043257[R].1977.

[7]David G Hoyt.Electrostatic passive proximity fuzing system:US 4972775[P].1990.

[8]郑玮，崔占忠，陈曦，等.基于FPGA的静电引信发火控制系统设计[J].北京理工大学学报，2009，29(S2):105－107.

[9]Li Yanxu，Xu Lixin.Study of a novel electrostatic detection sensor[C]//ICNST/2010 International Conference on Nano Science and Technology，2010:66－69.