共线式底火装定电缆对信号传输的影响研究

陈德亮,丁立波,廖 翔

(南京理工大学 智能弹药技术国防重点学科实验室， 南京 210094)

【装备理论与装备技术】

共线式底火装定电缆对信号传输的影响研究

陈德亮,丁立波,廖 翔

(南京理工大学 智能弹药技术国防重点学科实验室， 南京 210094)

针对引信共线式底火装定过程中装定信号受电缆影响的问题，利用圆柱形电容器和平板电容器计算模型，推导了不平行电缆间以及电缆与坦克车金属板间分布电容的表达式；利用Orcad对共线式底火装定系统等效电路模型进行仿真分析，最后通过实验对上述结论进行验证；研究结果表明：影响装定信号传输的两个主要因素是电缆长度和工作环境；相较于空气中，50 m电缆在水中的传输信号波形的下降沿变化时间增加了约25 μs，对装定信号传输速率影响巨大。

引信；装定信号；共线式底火装定；分布电容

信息化战争要求武器系统之间及时将有用信息进行交联，以便快速、实时、准确地打击目标。引信装定技术是对引信作用时间，作用方式和技术参数等预定条件进行选择和调整的技术[1]。共线式底火装定技术是一种适用于现代坦克炮的引信与武器平台信息交联技术，国内外研究者对此课题进行了较多研究。加拿大Stephan Dietrich在2008年美国引信年会上介绍了底火装定方案；Rheinmetall W&M和JUNCHANS Micrtec 两家公司于2009年联合开发了双功能引信DM173，通过底火对引信电路进行信息装定。南京理工大学王颖翌在2007年博士论文中对同时传递信息和能量的有线装定技术进行了初步的系统设计[2]，南京理工大学的洪黎在2012年对有线装定系统进行了高精度和安全性设计[3]。西安理工大学的陈祖安在2008年提出了身管炮膛内有线装定构想[4]。南京理工大学204教研室已经研制出共线装定电底火、装定器和引信专用电路模块，但对装定过程中数据的解调能力与电缆的长度、环境的关系及给定参数下装定数据的传输距离等问题并未深入探讨。

目前，已就传输线间分布电容计算模型[5-8]和传输线上分布电容对系统的影响[9-12]进行了不少研究。本文将基于现有的共线式底火装定系统，结合传输线间分布电容计算模型、RC电路放电模型和本系统的工作要求，推导出给定传输距离下电缆间分布电容值的表达式；探讨不同的电缆长度和环境对装定数据解调的影响，给出给定条件下最大传输距离的参考值，最后通过实验对理论分析进行验证。

1 共线式底火装定系统原理

共线式底火装定技术，即在不改变原武器系统机械结构前提下，当弹丸装填入发射管后，利用原电击发装置，通过从弹丸底火引入头部引信的一根导线，实现发射前信息装定。信息装定中所使用的能量在底火安全能量以下，以保证装定中的安全性。共线式底火装定系统整体框图如图1，从左向右依次为装定器、击发电路、电缆、底火开关和引信装定模块，其中，电缆的长度根据实际情况选取。火控系统将装定信息通过武器系统接口发送给装定器，装定器检测到击针与底火接触后，对引信进行装定。在此过程中，装定器要同时实现数据装定和能量供给两种功能。由于本系统利用了原电击发装置，为了保证装定中的安全性，在原电击发装置中间加入了底火开关，底火开关设计为具有电压识别功能，当输入击发电压时，开关闭合，高电压通过桥丝，底火作用，实现击发功能；当输入引信装定电压时，开关断开，底火安全，实现数据装定功能。

图1 共线式底火装定系统框图

共线式底火装定系统的整体电路模型如图2所示，其中，电阻R1、R2为电缆的阻值，电容C为电缆间分布电容与电缆与金属环境之间的感应电容值之和，r1和C1为装定器内部等效电阻值和等效电容值，r2和C2为引信装定模块内部等效电阻值和等效电容值。当装定器和引信装定模块的电路确定后，r1、r2、C1和C2的值随之确定，但R1、R2和C的值与电缆的长度等因素有关。

2 信号传输性能分析

在实际工程应用中，装定信号的波形图如图3所示。从图3可以看出，在数据波形的上升沿和下降沿处，波形缓慢上升和降低，并不是由低到高或由高到低直接变化。在实际应用中发现，上升沿波形由低到高的变化时间固定，对数据传输的影响很小，而下降沿波形由高到低的变化时间不固定，对数据传输有较大影响。当波形由高到低的变化时间过长时，将会影响引信装定模块对占空比的判断，从而使解调失败，影响装定结果。由于波形的变化与装定器和引信装定模块之间的负载有关，因此需要进一步分析确定两者之间的关系。

图2 共线式底火装定系统整体电路模型

图3 装定信息波形

2.1 电缆间分布电容计算

共线式底火装定系统应用在坦克中时，电缆会与坦克上的金属材料接触。将坦克中的金属材料看成一块无限大的金属板，建立共线式底火装定系统的电缆模型，如图4所示。其中，1和2是两根半径为R的导线，3是无限大的金属板，导线1和导线2放置在金属板3上，di是导线1和导线2之间的距离，假设导线1和导线2之间距离为di时的导线长度为Li。系统工作时，假设导线1为激励源，这样会在导线2和金属板3上感应出电荷，构成2个电容器。

图4 电缆模型

对于导线1和导线2之间分布电容的计算，可以使用圆柱形电容器计算公式进行计算。如图5所示，设有两根半径为R的平行直导线，两导线中心之间的距离为d，且d>>R，中间介质的介电常数为ε,计算可得出两平行直导线单位长度电容值：

根据电缆模型，可得导线1和导线2之间距离为di、长度为Li段的分布电容值：

于是，可得到导线1和导线2之间的分布电容值：

(1)

其中，n=1,2,3,…。对于导线1和金属板3之间的分布电容计算，可以将导线1看成很窄的金属极板，导线1放置在金属板3上，这样导线1和金属板3之间的分布电容值可以根据平板电容器的计算方法求解，可得到：

(2)

其中，D为导线1的中心点到金属板3的距离，L为导线1的总长度。由公式可以看出，当导线1直接放置在金属板上时，C13的值最大。

图5 平行直导线

上述式(1)和式(2)中ε表示电缆间介质的电容率，即介电常数。不同的工作环境下介电常数是不同的，介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数乘积，其中真空中绝对介电常数ε0为固定值。共线式底火装定系统需要在不同的环境下工作。由表1中常见物质的相对介电常数可以看出，不同的工作环境下相对介电常数值相差较大，所以在电缆本身物理参数确定的情况下，电缆之间的分布电容值主要与电缆长度和电缆工作环境有关。

表1 常见物质的相对介电常数

2.2 电缆对信号传输的影响

由图2可知，装定器与引信装定模块之间的负载包括装定器内部等效电容C1和等效电阻r1，引信接收端内部等效电容C2和等效电阻r2，电容C为导线1和导线2之间分布电容值C12与导线1和金属板3之间分布电容值C12的和，R0为单位长度电缆的阻值。那么装定器端与引信接收端之间的总电容值和电阻值分别为

R=R1+R2+r1+r2=2L*R0+r1+r2

根据RC电路电压随时间变化公式：

uc=U0exp(-t/RC)

可得到装定器与引信接收端之间负载的电压随时间变化公式：

电路的时间常数为

假设电缆线之间的距离di服从正态分布，即di～N(u,σ2)，且导线1和导线2之间的最大距离为dmax，最小距离为dmin。那么电缆线之间距离的数学期望u=(dmax+dmin)/2，从而可得到：

于是，RC电路的时间常数

其中C1、r1、C2和r2根据装定器和引信装定模块电路确定，由具体电路计算可得到C1=50μF，C2=10μF，r1为50Ω，r2为500Ω。

共线式底火装定系统信息装定过程中，采用占空比编码方式对数字信号进行调制和编码。为了提高系统装定的可靠性，使系统准确识别和解调信息，当给定传输速率后，应合理选择电缆长度。

3 仿真与实验验证

3.1 仿真验证

选取以下参数进行计算分析：共线式底火装定系统工作在空气中，相对介电常数εr=1，电缆的半径R=0.69mm，导线1到金属板3之间的距离D=0.69mm，单位长度电缆的阻值R0为0.008 2Ω，取导线1和导线2之间的最大距离dmax=20cm，最小距离dmin=0cm。利用Orcad软件对不同距离下共线式底火装定系统电路模型进行仿真，分别选取L为10m、20m、30m、40m和50m进行仿真，其波形图如图6所示。由图6可以看到，由于装定器和引信装定模块内部等效电阻电容和电缆间分布电容的存在，信号传输的波形缓慢降低。由图7可看出，随着电缆距离的增加，波形下降沿处的变化越来越快，在降低到0.5V时，经Orcad软件中专用工具测量，50m处比10m处的时间多约0.004 5ms，系统的传输速率降低。

利用Orcad软件对不同环境下共线式底火装定系统电路模型进行仿真，选取以下参数进行计算分析：电缆的半径R=0.69mm，单位长度电缆的阻值R0为0.008 2Ω，导线1到金属板3之间的距离D=0.69mm，取导线1和导线2之间的最大距离dmax=20cm，最小距离dmin=0cm，L分别为10m和50m。利用ORCAD软件对水环境下共线式底火装定系统电路模型进行仿真，其波形如图8和图9所示。由Orcad软件中专用工具对图8和图7测量比较得出，10m电缆在水环境下，波形下降沿处的变化时间比在空气中的约多0.012ms。由Orcad软件中专用工具对图9和图7测量比较得出，50m电缆在水环境下，波形下降沿处的变化时间比在空气中的约多0.025ms。因此，要考虑环境对信号波形的影响，合理的选择共线式底火装定系统工作需要的相关参数。

图6 不同传输距离下波形

图7 10 m和50 m距离下波形放大图

图8 10 m电缆水中信号波形

图9 50 m电缆水中信号波形

3.2 实验验证

利用现有的装定器、电底火和引信装定模块进行实验，实验中电缆的半径R=0.69 mm，将电缆放置在金属容器中，用来模拟坦克车金属环境，两根电缆之间的距离按照仿真条件进行设置。在空气中分别利用10 m和50 m电缆通过装定器对引信装定模块进行装定，波形图如图10和图11所示，通过两图对比可以看出随着电缆长度的增加，波形下降时间变长，当长度由10 m增加到50 m时，时间增加了约5 μs。

图10 空气中10 m电缆的传输波形

图11 空气中50 m电缆的传输波形

在水中，分别利用10 m和50 m电缆通过装定器对引信装定模块进行装定，波形图如图12和图13所示，通过两图对比可以看到，10 m电缆波形下降的时间增加到45.6 μs，50 m电缆波形下降的时间已经增加到57.6 μs，且波形畸变较严重。

图12 水中10 m电缆的传输波形

图13 水中50 m电缆的传输波形

4 结论

本文对共线式底火装定过程中装定信号受电缆影响的问题进行了研究，推导得到了不平行的电缆间以及电缆与坦克车金属板间分布电容的具体表达式；得到了影响装定信号传输速率的两个主要因素：电缆长度和工作环境。仿真和实验表明，相同环境条件下，当电缆长度由10 m增加到50 m时，信号波形下降沿变化时间增加了约5 μs；相同电缆长度条件下，将10 m和50 m的电缆放在水中进行装定时，信号波形下降沿变化时间分别增加了约12 μs和25 μs，很大程度地降低了信号传输速率。

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(责任编辑 周江川)

Study on Effect of Collinear Primer Set Cable on Signal Transmission

CHEN De-liang，DING Li-bo，LIAO Xiang

(Ministerial Key Laboratory of ZNDY, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

In order to research the effect of the fuze collinear primer set cable on signal transmission, the cylindrical capacitor and plate capacitor calculation theories were used to deduce the specific expression to calculate distributed capacity in the non-parallel cables and the cable and the tank’s metal plate. The equivalent circuit model of the collinear primer set system was analyzed by the Orcad software and the result was verified by experiment. The results show that the cable length and the working environment are the two main factors that affect the setting signal transmission. Compared with air, the falling edge of the 50 meters of cable’s transmission signal waveform increased by about 25us in the water, and it had a huge impact on the rate of the setting signal transmission.

fuze; set signal;collinear primer set; distributed capacitance

2016-10-10；

2016-11-30 作者简介：陈德亮(1992—)，男，硕士研究生，主要从事机械电子工程、引信与武器系统信息交联技术研究。

丁立波(1977—)，男，副教授，硕士生导师，主要从事机械电子工程、引信与武器系统信息交联技术研究。

10.11809/scbgxb2017.03.014

陈德亮,丁立波,廖翔.共线式底火装定电缆对信号传输的影响研究[J].兵器装备工程学报，2017(3):62-66.

format:CHEN De-liang，DING Li-bo，LIAO Xiang.Study on Effect of Collinear Primer Set Cable on Signal Transmission[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):62-66.

TJ43

A

2096-2304(2017)03-0062-05