新型磁敏感侵彻计层方法研究

张雄星， 邹金龙， 王伟， 苏思友

(1.机电动态控制重点实验室， 陕西 西安 710065; 2.西安工业大学 光电工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

当今，高速侵彻武器已经是一个国家军事实力的代表。现代化战争中，硬目标灵巧引信研究是侵彻武器的关键技术之一[1-5]。引信从传统的定时引信发展到现在的计层、计深、介质识别等多功能智能引信，其精度和智能化越来越高。随着侵彻武器速度的提高，侵彻目标过程中，弹体受到的冲击变大，振动也变大，大大增大了引信设计的难度。

在侵彻引信中，常采用压阻式或压电式加速度传感器[6-8]获得侵彻战斗部侵彻目标的过载信号。加速度传感器的输出信号总是包含2种信号：侵彻战斗部的过载信号和弹体的振动响应信号。这2种信号耦合在一起，当大长径比侵彻战斗部高速侵彻多层靶板时，过载信号与振动响应信号频率接近，难以解耦，从而导致侵彻计层错误[9-10]。针对过载信号和振动信号耦合在一起，形成信号粘连的问题，有研究人员提出机械滤波[11]、数字滤波[12]等方法进行解决。由于加速度传感采集的信号是侵彻战斗部所受振动、冲击响应的叠加，振动信号与过载信号在时域和频域特征上没有显著区别，所以利用时域和频域等信号处理的方法都无法提取有效的过载信号[13-14]。

用于铁磁目标探测的磁敏感探测技术，尤其是针对水下目标的磁异常探测技术已在军事领域应用多年[15-17]，但尚未有用于侵彻计层的技术见诸报道。本文提出一种新型磁敏感计层方法，该方法具有非接触、灵敏度高、不受目标速度、振动等因素影响的优点，克服了传统加速度计计层方式的缺点，不依赖加速度计、应变片等力学传感器，通过磁场探测实现侵彻战斗部空穴识别和计层，可以解决弹体振动带来的信号粘连问题，对钢甲、金属目标、钢筋混凝土地下工事等尤为敏感。磁敏感侵彻计层方法在高冲击大过载条件下具有更高的可靠性，可作为基于加速度计的侵彻计层方法的有效补充，从而提升侵彻计层的性能。

1 磁敏感侵彻计层原理

本文采用磁敏感探测来实现侵彻的计层。侵彻战斗部的弹壳是高强度钢，引信位于侵彻战斗部的尾部，引信管壳采用非磁性金属钛。在引信内部放置磁钢产生激励磁场，侵彻战斗部对磁场不会完全屏蔽，战斗部的尾部会有漏磁。通常打击的硬目标是由钢筋混凝土组成，混凝土中的钢筋属于导磁性材料。当侵彻战斗部侵彻钢筋混凝土目标时，钢筋混凝土中的钢筋会对侵彻战斗部周围的磁场产生影响。在侵彻过程中，引信内部的磁场会产生相应变化。在引信内部某些敏感位置，通过安置磁传感器检测引信内部的磁场变化，得到侵彻战斗部的穿层响应信号，可实现计层。在弹体接近、接触、穿越以及离开目标过程中，引信内部磁场信号特征如图1所示，其中d为磁探测器与硬目标间的距离。

图1 侵彻过程中磁场信号随距离变化关系Fig.1 Magnetic signal versus distance in penetration process

2 磁敏感侵彻计层建模

2.1 磁敏感侵彻战斗部建模

本文针对计层难题提出了一种磁敏感侵彻计层方法。根据提出的侵彻计层方法，建立侵彻战斗部模型，采用有限元分析软件进行仿真计算，验证方案原理的可行性。

使用有限元分析软件ANSYS建立战斗部模型[18-19]，侵彻战斗部的剖面图如图2所示。

图2 侵彻战斗部模型的剖面图Fig.2 Profile of penetrating warhead model

侵彻战斗部中后部为空心柱体，弹长1 500 mm，直径为300 mm，壁厚为15 mm. 侵彻战斗部弹壳采用低合金超高强度钢，材料为35CrMnSi，相对磁导率为200. 侵彻引信为弹尾引信，通过螺纹安装在侵彻战斗部的尾部。引信管壳为非磁性金属钛，与钢相比具有更高的抗过载能力。引信管壳的结构近似为空心圆柱体，壁厚为5 mm，直径为100 mm，长度为200 mm.

图3 引信结构示意图Fig.3 Schematic diagram of fuze structure

侵彻引信内部分为3个单元，分别为电子接口适配单元、电子模块单元以及雷管和保险单元。其中，电子模块单元位于引信的中段。

在电子模块单元安装2片磁钢以及磁场传感电路，如图3所示。磁钢选用钕铁硼磁体，其最大磁能积为35MGOe. 磁体形状是薄圆柱体，直径为5 mm，厚度为1 mm，矫顽力为876 kA/m，相对磁导率为2 000. 2片磁钢与引信底部管壳的间距为50 mm，与管壳侧壁的距离为15 mm. 磁场传感电路与引信底部管壳的间距为120 mm，其中磁场传感芯片位于引信轴线上。采用铝材料的夹具对磁钢和磁场测量电路进行定位，通过灌封提高抗过载能力。

2片磁钢的极性相反布置，使引信轴线上的磁场方向平行于磁场传感电路所在平面。磁场传感芯片的敏感轴平行于印制电路板，可选芯片(例如HMC1021S、HMC1021D)的高度为1.5 mm. 当2片磁钢的极性相同布置时，引信轴线上的磁场方向垂直于磁场传感电路，磁场传感芯片的敏感轴需要垂直于印制电路板，可选芯片(例如HMC1021Z)的高度为4 mm. 所以，2片磁钢的极性相反布置可以减小磁场传感电路的整体高度。

根据以上条件，使用ANSYS对侵彻战斗部进行建模，如图4所示。

图4 侵彻战斗部模型Fig.4 Penetrating warhead model

战斗部轴线与两个磁钢的轴线互相平行，并在同一个平面内，同时战斗部关于该平面对称，所以把战斗部沿着该平面剖开，产生一个剖面，提取该剖面内磁场的分布，可以简化仿真的复杂度。因此建立战斗部三维磁场模型，并在战斗部二维剖面上计算磁场分布。

在二维平面中建立OXY坐标系，侵彻战斗部的模型如图5所示。引信管壳为非磁性材料钛，其相对磁导率为1.

图5 侵彻战斗部模型二维剖面图Fig.5 Two dimensional profile of penetrator model

根据以上条件，对引信内磁钢产生的磁场进行仿真，选取侵彻战斗部模型的最优网格配置，生成的网格划分效果如下图6所示。

图6 侵彻战斗部网格划分效果Fig.6 Meshing of penetrating warhead

仿真得到的侵彻战斗部磁感应强度分布和引信内部的磁场分布情况，分别见图7(a)和7(b).

图7 弹体磁场分布Fig.7 Projectile magnetic field distribution

侵彻战斗部的仿真计算结果表明：在战斗部的前向和侧向，由于侵彻战斗部外壳的屏蔽，漏磁很微弱。在侵彻战斗部的尾部，由于引信管壳为非磁性材料，所以在侵彻战斗部的尾部，有较强的漏磁。这种磁场分布使得磁场对侵彻战斗部前方和侧方的铁磁性介质不敏感，而对战斗部后方的铁磁性介质敏感。

2.2 钢筋混凝土板目标建模

图8 钢筋混凝土靶板模型Fig.8 Reinforced concrete target plate model

在各种遮掩工事中，遮掩结构通常为钢筋混凝土结构，可以把目标靶板等效为钢筋混凝土板[20-21]。参照钢筋混凝土板配筋的相关标准[22]，板在2个互相垂直方向上都有配筋(称为纵筋和横筋)，形成钢筋网。取目标为长宽各为2 m，厚度为300 mm的钢筋混凝土。钢筋直径为16 mm，间距为100 mm，距墙边50 mm开始配置钢筋。目标共有3层钢网，每层钢网有40条钢筋，共有120条钢筋。钢筋混凝土板中，钢筋的磁导率和战斗部外壳取值相同，取相对磁导率为200，混凝土由水泥、沙、石组成，其相对磁导率为1. 钢筋混凝土靶板模型如图8所示。

3 1层目标靶板的穿层仿真计算

针对战斗部垂直侵彻靶板情况，建立侵彻战斗部穿过1层靶板的模型，如图9所示。

图9 侵彻战斗部穿1层混凝土模型Fig.9 Model of penetrating warhead penetrating into Layer 1

计算钢筋混凝土板对引信内磁场的影响时，把钢筋混凝土板等效为3层钢网。在二维平面内，用ANSYS对侵彻战斗部侵彻1层混凝土靶板进行仿真计算，模型如图10所示。

图10 侵彻战斗部穿1层混凝土二维模型Fig.10 2D model of penetrating warhead penetrating into Layer 1

在进行侵彻战斗部侵彻1层混凝土靶板的仿真计算时，选取侵彻战斗部模型的最优网格配置，生成的网格划分效果如图11所示。

图11 1层混凝土模型网格划分效果Fig.11 Meshing effect of single-layer concrete model

根据引信内部的结构设计，仿真时，在引信轴线上选取距离引信头部80 mm处作为最佳磁场检测点，记为P，用以检测穿层仿真中的磁感应强度的变化。进而得到侵彻战斗部的磁场分布和引信内部的磁场分布情况，分别见图12(a)和12(b).

图12 1层目标时弹体磁场分布Fig.12 Magnetic field distribution when projectile penetrating into single layer target

侵彻战斗部的弹尾部距离靶板的初始位置是-2.5 m，假定将靶板向X轴负方向移动为正方向。为了得到在弹体侵彻过程中，引信内的磁场变化曲线，定义了7种工况，分别表示侵彻中弹体与靶板的典型相对位置。这7种工况分别为：

工况1弹头距离靶板1.00 m，靶板相对弹尾的坐标为-2.50 m；

工况2弹头接触靶板，靶板相对弹尾的坐标为-1.50 m；

工况3弹的一半长度穿过靶板，靶板相对弹尾的坐标为-0.75 m；

工况4弹的3/4长度穿过靶板，靶板相对弹尾的坐标为-0.25 m；

工况5弹的尾部恰好脱离靶板时，靶板相对弹尾的坐标为0 m；

工况6弹穿过靶板，弹尾距离靶板0.20 m，靶板相对弹尾的坐标为0.20 m；

工况7弹穿过靶板，弹尾距离靶板1.00 m，靶板相对弹尾的坐标为1.00 m.

侵彻穿层仿真计算后，得到侵彻过程中P点磁感应强度的变化，见表1.

表1 P点处的磁感应强度

侵彻战斗部侵彻靶板过程按照战斗部与靶板的间距步进0.05 m进行仿真计算，包含了以上的7种典型工况。侵彻战斗部侵彻1层混凝土靶板的仿真计算结果如图13所示。图13中纵坐标是磁感应强度，横坐标是靶板相对于侵彻战斗部的距离。

图13 穿1层时P处磁感应强度变化曲线Fig.13 Change curve of magnetic field strength at point P when passing through the first layer

通过上述有目标靶板的仿真计算可知，侵彻战斗部在侵彻含有导磁介质的目标时，侵彻战斗部尾部引信内的磁感应强度发生改变。在侵彻目标过程中，磁场采样位置的磁感应强度信号出现一个脉冲，脉冲高度为11.8 μT.

为了分析钢筋混凝土中钢网布设参数对计层的影响，使用更细的钢筋以及更小的布设密度进行了仿真。仿真结果如表2所示。

仿真结果表明：钢筋网布设参数的改变导致侵彻过程中磁感应强度信号的脉冲高度改变。采用磁阻传感器进行磁场测量，传感器分辨率可以达到0.003 μT. 可见，即使在使用较细的钢筋以较低的密度布设钢网时，侵彻过程对应的磁信号脉冲高度也是传感器分辨率的1 000倍左右，从而保证侵彻脉冲检测的可靠性。

表2 不同钢筋直径下的侵彻仿真数据

4 3层目标靶板穿层仿真计算

在实际战争环境中，重要军事基地、战斗指挥中心等一般为多层钢筋混凝土的建筑结构，所以对多层硬目标能够实现精确的侵彻计层尤为重要。本文进一步对侵彻战斗部侵彻3层钢筋混凝土板进行仿真计算，模型见图14. 侵彻战斗部侵彻3层钢筋混凝土板的磁场变化如15所示。

图14 3层混凝土靶板的模型图Fig.14 Model of 3-layers concrete target plate

图15 侵彻3层靶板磁场变化Fig.15 Magnetic field variation when penetrating into 3-layers target plate

从图15可以看出，侵彻战斗部穿层过靶的磁感应强度变化量约为12.5 μT. 结果表明：对于3层目标靶板，能够得到3个独立的磁场脉冲。所以，对于多层靶板的计层，理论上可以实现。

5 环境适应性仿真计算

为了分析周围铁磁性介质对计层的影响，进行环境适应性仿真。在第2层靶板前放置铁柜，铁柜为长方体结构，长、宽、高分别为0.8 m、0.6 m和2.0 m，铁皮的厚度为4 mm，相对磁导率取200.

仿真结果表明：铁柜对磁信号影响取决于铁柜与侵彻弹道的距离。当铁柜距离弹道0.2 m以上时，铁柜对磁信号无显著影响；当铁柜接触到弹道时，磁感应强度信号如图16所示，铁柜引起磁信号输出有一个高度较低的脉冲，脉冲高度约为过靶脉冲的1/3，可以通过脉冲高度对侵彻脉冲进行鉴别，避免计层的误判，提高环境适应性。

图16 铁柜干扰下的侵彻3层靶板信号Fig.16 Penetrating signal for 3-layers target plate under the interference of an iron cabinet

6 实验验证

在进行静态半实物测试时，用钢筋网模拟钢筋混凝土板，搭建的静态半实物测试实验平台如图17所示。

图17 模拟引信侵彻3层钢网Fig.17 Simulation of fuze penetrating into 3-layers steel meshes

在进行静态半实物测试实验时，3层钢筋网的间距是0.8 m. 其中，每层钢筋网中心有一个边长为170 mm的正方形通孔。模拟引信前端封闭，尾部开孔，并在P位置安装磁传感器，用来探测穿层过靶磁场信号。模拟引信由夹具夹持，初始位置位于第1层钢网上方0.5 m处(坐标为-2.5 m)。当夹具释放模拟引信时，触发采样电路对磁场进行同步采样，采样率为10 000次/s. 模拟引信做自由落体运动，依次穿过3层钢网。由磁传感器的采样信号得到模拟引信下落过程中磁信号采样的变化，见图18.

图18 侵彻3层钢筋网的数据曲线Fig.18 Data curve for penetrating of 3-layers steel meshes

从图18中可以看出，在模拟引信穿出钢筋网时，采集得到的磁场数据输出一个脉冲，验证了在引信内部P处的穿层响应信号为正脉冲输出。通过对穿层响应的位置个数进行计数，可以实现侵彻引信的计层。将采集得到的穿层响应信号进行转换，得到的磁感应强度变化约10 μT. 由此可见，静态半实物测试数据与侵彻弹战斗部侵彻钢筋混凝土板的仿真计算数据基本一致，验证了磁敏感侵彻计层技术的可行性。

7 结论

本文通过在侵彻战斗部引信内部放置磁钢阵列产生激励磁场，提出了一种磁敏感侵彻计层技术。即侵彻战斗部侵彻含有导磁介质的目标时，引信内磁感应强度输出一个脉冲，产生穿层响应信号。利用磁传感器对穿层响应信号进行探测，转换为原始脉冲式电压信号输出，送至微控制器中，根据脉冲式电压信号个数进行计层。基于仿真分析和实际实验结果，对磁敏感计层方法进行了验证，得到主要结论如下：

1)采用有限元法建立了侵彻战斗部和钢筋混凝土模型，对侵彻过程进行了仿真计算，仿真结果表明，穿层响应信号为正脉信号。

2) 设计并制作磁敏感模拟引信，并使用钢筋网模拟钢筋混凝土靶板进行静态半实物实验。实验中，磁敏感侵彻计层方法能够实现侵彻计层，相比于仿真结果，穿层响应信号变化比较小。

3) 后期实验中，可通过优化磁钢的牌号、尺寸、外形以及在引信中的排列位置，提高磁场对靶板位置的灵敏度，同时，利用相关滤波跟踪算法对穿层响应信号进行滤波处理，得到较低噪声的电压信号，对电压信号中的正脉冲计数，提高磁敏感侵彻计层方法的可靠性。