基于静电感应的引信目标探测传感器研究*

李炜昕，武海东，刘跃龙，王海涛

(1. 上海无线电设备研究所，上海 200090； 2. 上海市目标识别与环境感知工程技术研究中心，上海 210090)



基于静电感应的引信目标探测传感器研究*

李炜昕1,2，武海东1，刘跃龙1，王海涛1,2

(1. 上海无线电设备研究所，上海 200090； 2. 上海市目标识别与环境感知工程技术研究中心，上海 210090)

摘要:针对复杂干扰环境中传统引信目标探测系统无法稳定工作的问题，探讨了一种新型目标探测体制. 基于静电感应基本理论，建立了静电引信探测传感器模型，设计和制作了高灵敏度的静电引信探测传感器和微弱信号检测电路. 在实验室环境条件下对探测系统进行实验研究，结果表明： 理论分析和实验结果趋于一致； 输出电压与系统增益、目标电荷、相对速度和距离相关； 所设计电路能够满足引信的探测要求，可对静电引信目标探测系统在复杂环境下的工程化设计提供参考.

关键词:静电感应； 方位探测； 引信； 传感器； 静电场

0引言

随着空中来袭目标的迅速发展，在隐身技术、人工有源干扰，甚至恶劣的电磁环境情况下，基于无线电、激光原理的传统探测体制存在明显缺陷或不足，甚至无法正常工作失去作战效能. 由于探测问题是如何充分利用目标及其周围环境信息的问题，仅仅通过使用先进的信息处理技术和高效处理算法显然已经不能满足复杂干扰环境下的目标探测，而采用不受现有电子对抗的新型探测体制无疑是一种最佳解决方案.

静电探测[1]就是通过检测目标的静电场而获得目标信息的探测方法，因其能够有效地克服传统探测方式探测距离近、抗干扰能力差及效费比低等问题，使得人们在气固两相流参数测量、航空发动机的状态监测、静电隔墙探测、狙击手方位探测及空中飞行目标的方位探测等领域进行了许多相关研究. 1965年，空军实验室J.E. Nanevicz等人[2]研制了两种能够测量空中飞行弹丸的电荷和速度的传感器； 1975年，Law[3]首次提出了静电感应电极上的感应电流与运动粒子所带电荷之间的数学关系； J. B. Gajewski和Y. Yan教授[4-5]针对环形电极建立了静电传感器的数学模型，主要由绝缘管道、金属电磁屏蔽罩和检测电极组成； S. N. Murnane[6]等人提出使用镜像电荷法描述静电电极上感应电荷与固体颗粒带电量的关系； 随后，Maciej A. Noras[7]等人提出了基于变容二极管/MIS/MOS结构的静电场传感器，为静电领域的深入研究提供了技术基础.

国外对静电传感器的研究已经相当深入和广泛，而在国内静电传感器的研究起步较晚，在可查文献中所研究传感器主要应用于民用研究领域[8-10]，对于静电引信目标的探测方法尚不成熟. 本文以静电引信为研究对象，基于静电感应原理，建立静电探测模块数学模型，设计了电流检测式静电探测传感器，并进行了相关实验研究.

1静电传感器探测机理

图1　静电传感器探测原理示意图Fig.1　Principle sketch maps of electrostatic sensor detection

一个带电量为Q的带电物体A与不带电的导体B相互靠近，由于施感电荷A产生的电场和感应电荷所产生的场相互作用，会使导体B内部的电荷重新分布达到静电平衡状态，这个过程通常都是在极短时间内完成(约为10～19 s). 本文用来检测目标静电水平的静电传感器就是基于这一原理，荷电目标在经过静电传感器感应电极的时候，感应电极不与目标直接接触即获取感应电荷，在理想情况下传感器信号调理电路获取感应电极输出信号的原理如图1 所示.

根据高斯定理，得出金属电极表面任意一点的电荷密度

(1)

式中：ε为空气的介电常数，Ean为该点的电场强度. 则感应电极靠近荷电目标一侧所带的异号电荷总量

(2)

式中：S为感应电极带异号电荷的面积.

当荷电目标和感应电极之间有相对运动时，相对电场发生变化引起电极感应电荷改变，从而导致电流变化

(3)

通过式(3)可知电流的变化量与目标电场的变化值相关，利用静电信号调理电路检测该变化电流，可得到两者之间的运动信息.

2传感器数学模型的建立

空中飞行器其表面必定产生连续分布的表面电荷，且电荷分布受外部形状、飞行速度和周围环境等多种复杂因素的影响，分别建立电荷模型较为困难. 根据文献[8]的分析结果，得出在探测距离为3～5倍飞行器长度范围以上时，电荷随机分布的电场与点电荷电场强度之差低于1%，可将电荷模型简化为点电荷模型.

图2　静电场分布示意图Fig.2　Diagram of electrostatic field distribution

弹丸尺寸相对于弹目脱靶距离较小，根据上述分析可以将弹丸近似作为点电荷进行处理.

(4)

式中：x，y，z表示目标在感应电极平面以O为原点的坐标值. 式(4)可看作点电荷在Z轴方向的静电场.

对式(1)进行微分计算可得

(5)

同样，利用高斯定理将任意时刻与过零点时刻的差值代入传感器计算模型，可以推导出传感器的输出电压

(6)

式中：A为感应电极有效面积，g为传感器增益，th为弹丸飞到传感器过零点(距传感器最近时刻)的时间.

3传感器电路设计

图3　静电传感器组成框图Fig.3　The block diagram of the electrostatic sensor

在荷电目标接近探测传感器的过程中，荷电颗粒在静电传感器周围产生的静电场在不断的发生波动，致使静电传感器探极上的感应电荷也在不断的波动，由于感应电信号的波动反映了静电荷水平变化的信息，感应电荷的变化在电极中诱导出nA或pA数量级的感应电流，通过信号调理电路将电荷的变化转化为电压信号，输入数据采集设备，加以适当的信息处理即可获得静电目标的位置信息. 其中，静电传感器由感应电极、Q/V转换电路、前置电流放大电路、高增益放大电路、滤波电路和电压跟随电路构成，如图3 所示.

3.1感应电极

由于静电传感器的感应电极达到静电平衡的长短，决定了其对电场变化的响应速度，文献研究表明： 导体达到静电平衡的时间与外电场的大小、导体的几何尺寸无关，仅取决于导体的电导率，电导率越大(电阻率越小)，导体达到静电平衡的时间就越短. 即无论传感器探极的结构如何，其探极的材料都要求具有良好的导电性，因此选择电阻率小的材料作为传感器的感应探极，而选择电阻率极大的材料作为绝缘材料. 本文采用0.2 mm的铜箔作为传感器探极材料，聚四氟乙烯作为探极与壳体之间的绝缘材料，信号引线采用单芯屏蔽线.

静电感应电极输出感应电荷信号是一种低频的微弱信号(频率0～2 kHz)[10]，且源阻抗较高，因此在检测过程中即使有少量电荷从测量电极流入测试仪表或泄露掉，都会造成较大的测量误差. 为了减少感应电极到高增益放大电路的分布电容的影响和外界干扰，提高信噪比，将交流电压放大电路设置成前置放大器，对感应信号起阻抗匹配和初步的电荷放大作用.

3.2Q/V转换电路

静电传感器有两种等效电路，相应就有两种信号转换电路，即电压放大器和电荷放大器. 因电荷放大器的灵敏度与电缆长度无关，且下线频率较低，因而采用Q/V转换电路，如图4 所示. 其可测量的最大电流受运算放大器最大输出电流的限制，可测最小电流受运算放大器输入偏置电流的限制.

图4　I/V转换电路Fig.4　I/V change-over circuit

电荷放大器输出电压与感应电极电量Q之间的关系表达式为

(7)

转换电路的输出频率为

(8)

3.3前置放大电路

由于静电传感器电极对荷电目标的感应信号非常微弱，且传感器具有高内阻的特点，因此需要将感应信号输入到测量电路的高输入阻抗的前置放大器中变成低阻抗的输出信号，再进行后续电路的放大、滤波和采样等信号处理.

图5　前置放大电路Fig.5　Pre-amplifying circuit

前置放大电路主要由两级构成： 第一级采用低噪声线性集成运算放大器OPA128组成差分输入的电压跟随器作为缓冲级，具有电路漂移小、共模抑制比高等特点； 第二级采用INA105构成双端输入，单端输出的差动放大器，共模电压可以相互抵消，具备较高的差模电压增益. 当R3=R4，R5=R6时，电路输出信号的增益为

(9)

高增益电压放大电路采用超精密运放OP177，具有噪声低、输入阻抗高和输出阻抗低等特点，通过调节增益控制电路实现1～2 000的增益.

3.4滤波电路

经过多级增益放大的信号除去有用信号本身的频段外，还包含很多低频和高频噪声，如环境、市电、高次谐波干扰等. 因此，在信号调理电路中需要设计截止频率为2 kHz的低通滤波电路和50 Hz带阻滤波电路对接收到的微弱信号进行去噪.

图6　50 Hz双T带阻滤波器Fig.6　50 Hz twin T band elimination filter

采用低电流噪声和低输入失调电压的四运放AD704构成4极点低通滤波电路. 为了增强滤波电路的带载能力，将电路中滤波电容接地端改接到集成运放输出端，得到压控电源性低通滤波电路. 同时，在电路的后两级接入由平衡电阻和旁路电容构成的平衡电阻网络，可有效提高滤波性能.

带阻滤波器采用对称型双T阻容有源滤波器，由一个低通滤波电路和一个高通滤波电路并联起来构成，如图6 所示.

滤波中心频率为

(10)

(11)

3.5传感器电路标定

双电极和阵列电极静电探测引信均利用多通道静电信号在某一时刻的幅值进行计算，要求多个静电探测电路具有较高的一致性，以提高探测精度. 因此，需要利用自制电场标定装置对静电传感器进行一致性校准.

图7　标定装置原理示意图Fig.7　Schematic diagram of calibration device

标定装置由可调稳压电源、平板电容箱、分压网络、屏蔽箱和极板支柱等构成，如图7 所示. 根据处于不同电位的两块相互平行，且有无限尺度的导电极板之间存在均匀电场的原理，在两相距一定距离的平行极板加上已知的稳压直流电压，可精确计算感应极板处的电场强度

(12)

式中：U为施加在两极板间的直流电压，d为感应电极与上极板之间的距离.

4起爆控制技术

静电引信通过探测目标周围的静电场特征来获取目标信息并进行适时起爆控制，从而提高目标的最大毁伤能力.

双电极静电引信利用一对探测电极感应目标的电荷变化量，通过检测两电极的微弱电流差获得目标静电场变化信息.

(13)

式中：v为相对速度，x为探测距离，y为脱靶量，θ为电极与弹轴的夹角.

图8　双电极探测模块典型变化曲线Fig.8　The experimental curve of dual e-field detection module

在弹目交会过程中，典型变化曲线如图8 所示，弹目在接近和弹目远离过程中的电场变化规律关于D点呈对称性分布. 静电引信利用过零点C的位置确定弹目交会过程中最佳起爆时刻，并通过AB和CD段曲线特征的变化来区分和识别目标与干扰物.

AB段特征：F(t)<0，F′(t)<0，F″(t)<0.

CD段特征：F(t)>0，F′(t)>0.

多通道(本文仅介绍四通道)静电引信采用矢量侧向原理，利用阵列静电传感器实现对带电运动目标方位的识别.

由于目标静电场的作用，如图9 所示，在感应电极对13和24上产生电势差U13,U24，根据几何关系，可得

(14)

(15)

式中： eR为电场单位矢量，L13, L24分别为电极13、和电极24方向上的矢量.

根据测得两极板之间的电压值，可实时求出静电目标的方位角

(16)

5实验验证

为验证静电探测理论和传感器设计的正确性，进行了不同起爆控制技术下探测系统的准动态实验. 本系统主要对双电极和四通道静电传感器探测系统进行原理性验证，实验系统由静电传感器探测阵列模块、目标模拟单元和数据采集系统构成. 静电目标运动轨迹如图9 所示，双电极采用感应电极2和4构成电流检测式传感器，目标运动轨迹为图9上轨迹1； 四通道电流检测式传感器各路独立工作，运动轨迹为图9上轨迹2.

双电极探测模块测试结果如图8 所示，结果表明所设计的静电传感器及信息处理电路能够准确识别特征曲线AB，CD段，可为引信逻辑控制电路提供最佳起爆信号.

图10 为静电目标以轨迹2与感应阵列电极交会时，静电探测传感器的输出信号波形. 可以看出，探测阵列传感器均可以独立工作，输出信号变化规律相似，通过后续解算算法可有效获取不同时刻的目标方位信息.

图9　实验示意图Fig.9　Schematic diagram of experiment setup

图10　四通道传感器输出信号波形Fig.10　Signals waveform of four-channel sensor

6结论

本文以静电引信为研究对象，基于静电感应原理，建立静电探测模块数学模型； 采用高灵敏度、高输入阻抗的前置放大电路，设计了电流检测式静电探测传感器，并通过原理样机和实验室准动态实验，验证了该探测模块能够准确获取弹目交会过程中目标的特征曲线，对静电目标方位进行实时探测. 后续研究中可在静电传感器的自适应匹配控制、滤波设计和介质环境影响等方面进行深入探讨，进一步提高传感器探测精度以及向智能化方向发展.

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Research on Energy Loss of Fuze Setting System Based on Magnetic Resonant Coupling in Complex Environment

LI Weixin1,2, WU Haidong1, LIU Yuelong1, WANG Haitao1,2

(1. Shanghai Institute of Radio Equipment, Shanghai 200090, China；2. Shanghai Target Identification and Environment Perception Engineering Technology Research Center, Shanghai 210090, China)

Abstract:In order to solve the problem that target-detect system of tradition fuze can not work stablely under complex interference circumstances, a novel target detection system is discussed. The mode of electrostatic fuze detection sensor is constructed , a high sensitivity electrostatic fuze detection sensor and a weak signal detection circuit are designed and fabricated. based on the basic theory of electrostatic induction.Under laboratory environment, detection system is studied experimentally. The results show that theoretic analysis is consistent with the experimental result. The output voltage is related to system gain, target charge, relative velocity as well as distance. The designed circuit satisfies the detection requirement of fuze and provides reference for engineering design of electrostatic fuze target detection system under complex circumstance.

Key words:electrostatic induction; direction detection; fuze; sensor; electrostatic field

文章编号:1671-7449(2016)04-0341-06

收稿日期：2015-12-10

基金项目：总装预研基金资助项目(9140A05020515HT82001)； 上海市科委工程技术研究中心建设基金资助项目(15DZ2250800)

作者简介：李炜昕(1986-)，男，工程师，主要从事引信目标方位的探测与识别等研究.

中图分类号:TJ43

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.04.010