硬目标侵彻起爆控制技术研究现状及展望

刘伟钊,李蓉,牛兰杰,2,施坤林

(1.西安机电信息技术研究所,陕西 西安 710065;2.机电动态控制重点实验室,陕西 西安 710065)

0 引言

侵彻弹药打击地面阵地、建筑物、桥梁、机场跑道、地下或半地下指挥中心、地堡、机库、水面舰艇等,在目标内部起爆,实现对目标的高效毁伤。侵彻引信起爆控制系统是完成侵彻弹药终端毁伤效能的重要环节,实现对目标信号感知、信号处理、起爆控制功能。

起爆控制系统由传感器、放大器、滤波器、AD转换器、微处理器、电源管理电路、触发开关等构成,起爆控制系统组成如图1所示[1]。

图1 硬目标侵彻引信起爆控制系统组成[1]Fig.1 Composition of initiation control system for hard-target penetration fuze[1]

在侵彻弹药侵入目标时,高g加速度传感器(g通常取9.8 m/s2)感知侵彻过载,碰靶时触发开关闭合开始自毁定时。侵彻过载经放大滤波后,将模拟信号转换为数字信号,按照设定的起爆模式开始计时、计层、空穴识别起爆模式控制,由起爆控制模块采用阈值比较法判定侵入目标的历程。当达到设定炸点位置时,输出起爆信号,引爆战斗部。如果计层、空穴识别起爆控制功能失效,待达到自毁时间,实现自毁起爆。

侵彻引信起爆控制方法主要有6种[2],分别是计时起爆控制、计层起爆控制、空穴识别起爆控制、计行程起爆控制[3]、介质识别起爆控制[4]和定深起爆控制[5-6]。侵彻过载特征包括侵彻过载峰值、过载脉宽、过载上升沿、过载下降沿、层间时间等。国内外对于起爆控制技术的研究主要集中在准确计层和空穴识别,对于其他4种起爆控制技术的研究较少。目前国内已经解决了中低速度条件的计层、空穴识别起爆控制,并实现了一定的工程应用。侵彻引信适应碰靶速度不高、存在高速侵彻条件下抗高过载能力不足、无法精确识别粘连过载信号导致计层失准、对目标不同硬度、厚度、着速自适应起爆控制能力不足等问题[7-8]。本文从信号感知、信号处理及起爆控制等方面系统综述侵彻引信起爆控制技术的国内外进展,分析代表文献,梳理技术发展脉络,展望未来发展方向,为本领域前沿技术研究提供支持。

1 国外研究现状

1.1 信号感知方法

加速度传感器的性能与起爆控制功能具有密切的关系。起爆控制功能能否实现,在很大程度取决于加速度传感器的性能。

多年来,压阻式加速度传感器都是美国空军实验室引信分部的首选,国外针对加速度传感器开展了大量的研究和测试。针对不同类型的传感器采取表面贴装、双孔螺丝安装、螺栓安装等方式[9]。由 3个 7270A传感器组合的三轴加速度传感器,采取双孔螺丝安装在引信测试体,如图2所示。

图2 3个7270A组合的三轴加速度传感器[9]Fig.2 Three 7270A sensors combined to form a three-axis accelerator[9]

2000年美国桑迪亚国家实验室利用表面微机械加工技术制作了一种硅微机械电容加速度传感器[10],量程达到6万g。2009年,法国完成了以295 m/s速度侵彻4层混凝土试验,测试使用美国恩德福克公司6万g加速度传感器,侵彻过载峰值达到3万g,测试结果如图3[11]所示。侵彻速度低,因此层间振荡信号较少,层包络清晰。

图3 弹体以295 m/s速度侵彻4层混凝土试验过载曲线[11]Fig.3 Overload curve of projectile penetrating four-layer concrete at 295 m/s[11]

2009年,美国西北太平洋国家实验室[12]和美国陆军工程研究与发展中心等采取多传感器组合方法,进行了6组射弹对多层无间隔分段混凝土靶和整块混凝土靶的侵彻试验。弹体侵彻速度从303～450 m/s不等,在弹体前、后位置分别安装美国Endevco公司的7270A加速度传感器,利用美国桑迪亚国家实验室开发的两个3轴数据记录器,获得弹体侵彻靶板过载曲线如图4[13]所示。弹体尾部测试曲线比弹体头部测试曲线包含更多的振荡信号,幅值更高,弹体尾部比弹体头部的峰值信号对比略有延迟,体现了冲击响应在弹体内的传播。

图4 侵彻多层无间隔靶弹体头部和尾部过载信号对比[13]Fig.4 Comparison of overload at the head and tail of projectile penetrating multi-layer target without interval[13]

2011年,德国研制了一种量程超过10万g的加速度传感器,在以600 m/s速度侵彻钢板的试验中,未滤波的侵彻过载峰值达到15万g,原始数据及采用10 kHz滤波的过载曲线如图5[14]所示。

图5 弹体侵彻钢板15万g过载曲线[14]Fig.5 150 000 g overload curve of projectile penetrating the steel plate[14]

2018年,法国原子能和替代能源委员会[15]对侵彻过程中从弹体头部到尾部引信传感器振动传递开展研究,建立了传感器模型和响应函数,分别采用5 kHz和10 kHz低通滤波方法对测试过载数据进行信号处理。滤波后计算所得过载曲线与试验数据特征相符,持续时间和幅度一致。

2020年,Moura[16]对美国Endevco公司的7270A、7280A传感器和美国PCB公司的3991A、3501A传感器进行了对比测试。该传感器均为压阻式加速度传感器,采用表面贴装安装方式。其中7270A传感器为无阻尼结构,而其他传感器均增加了阻尼结构,增大对加速度敏感结构阻尼系数,对高频响应进行衰减。测试传感器量程包括2万g和 6万g两种,测试结果表明,横向敏感度在5%,频响约为15 kHz。侵彻弹引系统响应复杂,同时存在低频响应和高频响应,当传感器的谐振频率与高频响应频率相近时,传感器感知后输出信号出不能真实反映弹体受到的高冲击,因此需要采取滤波方法滤除高频振动信号。

文献[17]提出基于微机电系统技术的目标介质分类开关可在碰撞时粗略探测目标介质类型及空穴,开发了基于多阈值开关转换的硬目标探测算法。文献[18]提出了一种利用压电式传感器对目标强度分类及战斗部作用模式选择的方法。利用电信号上升沿识别目标类型,选择触发、延时或空穴识别起爆模式。

综上所述,可以发现国外利用加速度传感器开展了多次动态试验,获取了弹体侵彻多层目标和厚目标的过载曲线,但是侵彻速度偏低,侵彻层数较少,试验成果主要为弹体过载曲线,对于引信过载的测试结果较少,目前还没有发现国外大于5层侵彻过载曲线以及大于700 m/s速度侵彻引信过载曲线。国外研究传感器频响特性和安装位置对侵彻过载的影响,以提高传感器感知的过载信号对弹体侵彻历程的真实反映程度。同时国外按照软硬目标来选择不同的起爆控制方式,表明国外已经积累了大量目标数据,掌握了不同类型目标的侵彻过载特性。

1.2 信号处理方法

1999年,Zavattieri等[19]开展了多次不同靶板材料和弹体材料组合试验,采用有限元仿真与动态试验相结合的办法,验证了弹体对多层靶板的毁伤效果,并同时验证了不同长径比对侵彻深度的影响。2002年,以色列侵彻理论专家Yossifon等[20]综述了多层侵彻理论,详细介绍了多层侵彻模型和严格的力学理论推导过程,分析了不同材质多层靶板的侵彻过程和受力特性。2015年,以色列Ben-dor等[21]总结了至今几乎全部高速侵彻混凝土分析模型及经验公式,为试验数据和理论对比验证提供了重要的参考。理论模型需要结合弹引系统响应传递分析,获得引信过载特征,为信号处理方法和起爆控制提供依据。

在战斗部侵彻多层目标过程中,引信传感器感知的过载信号叠加了大量的振荡信号。侵彻过载是一种典型的非平稳随机信号,频率成分复杂,采取时频域分析的方法,能够在频率和时间上同时描述信号的能量密度,揭示信号频率分量随时间的变化特性,得到整体信号在局部时域内的频率分布,或者各个频率信号在局部时域上的分布。采用硬件滤波、软件滤波方法进行信号处理后,用于引信目标识别和炸点控制。其中硬件滤波方法是根据信号的频率特征,采用电路设计、器件选型、材料组合方式滤除振荡信号,凸显信号特征[22-24]。Porter等[25]采用滤波方法对侵彻过载数据进行处理,获得了弹体侵彻的刚体加速度。对传感器引入的混叠信号采取提高频响,加强传感器外部对高频振动的吸收和减振措施,滤除高频振动响应。软件滤波方法包括小波分析、Hilbert-Huang变换[26-27]、Wigner-ville分布[28]、自相关方法[29]等。需要指出的是小波分析方法需要根据实际过载信号合理设置阈值和分解层数,Hilbert-Huang变换需要考虑分解后信号的物理含义,Wigner-ville分布可以得到信号能量时频分布,具有明确的物理意义,但是在低信噪比环境性能下降,而自相关方法的适应性受自相关函数选取影响较大,因此需根据实际过载设计相应的函数。以上滤波方法均应考虑算法的复杂度是否满足信号处理实时性的要求。如图6所示为国外对侵彻多层目标试验曲线及信号处理结果[30]。图6中目标靶前4层之间的距离均为4 m,第4层和第5层之间距离最短,靶间距为0.5 m。弹体侵彻多层目标的信号采样率为200 kHz。

图6 侵彻多层目标试验曲线及信号处理结果[30]Fig.6 Test curve and signal processing results of projectile penetrating multi-layer target[30]

美国应用研究联合公司开展了试验弹侵彻多层不同厚度、不同介质目标试验[31]。侵彻首层靶速度约为650 m/s(按照1 ft=0.304 m计算),对试验曲线(见图7)进行低通滤波,滤波频率2 kHz。靶板材质、厚度不同,对应的过载包络有明显的差异。当侵彻0.2 m厚度的混凝土靶板,滤波后的靶间过载曲线仍然有明显的波动;当侵彻0.8 m和1.0 m厚度的混凝土靶板时,滤波后的靶间过载曲线波动幅度减小;当侵彻1.5 m厚度的混凝土靶板,滤波后的靶间过载曲线波动幅度非常小。因此对于不同厚度的混凝土靶板,滤波频率的选择对于目标层的识别具有显著的影响,可由实测试验曲线分析和仿真计算得出滤波截止频率。该滤波截止频率是由弹体结构、侵彻工况、目标特性所决定的,还需研究弹引响应传递特性,分析引信过载信号组成,确定滤波截止频率的选择原则,以提高滤波方法对于侵彻引信信号处理的适用性。

通过对侵彻过载积分计算侵彻速度和弹体行进历程,控制弹药在目标内部一定深度起爆[32],但是最新的起爆控制系统中已不具有计深度起爆控制功能[33],原因是由于目标复杂,基于经验公式和试验数据总结的计深度计算模型与实际计算误差较大,适用范围有限,对于大长径比弹体侵彻目标适应能力不足。

1.3 起爆控制方法

自20世纪80年代美国首次将侵彻弹药应用于实战,其对坚固目标的定点打击能力及低附带损伤引起了各国的广泛关注,并竞相开展了研制工作。美国的FMU143侵彻引信,具有计时起爆控制功能,能够控制战斗部在侵彻目标后启动延时起爆。该引信已用于硬目标侵彻弹药,针对美国海军和空军要求形成了多个系列[34]。

1981年,文献[35]提出了一种利用三轴加速度传感器进行战斗部侵彻目标深度计算、目标层数和空穴数识别方法。该专利提出对三轴加速度传感器信号进行积分获得速度,计算弹体在目标中的行程。根据速度在时间窗内的保持时间,判断弹体是否侵彻出目标,进入空穴层,形成了硬目标侵彻计深度、计层/空穴识别的起爆控制逻辑。

1998年,美国和英国开始联合研制的多功能硬目标引信,具有介质识别、计层、计深度起爆控制功能,计层数最大可达到16层。该引信用于精确制导炸弹,装备于英国空军[36]。

德国的KEPD350战斗部配备有可编程智能多用途引信(PIMPF)。该引信于2004年开始在德国装备,具有计时/计层起爆控制功能,能实现战斗部侵彻4层钢筋混凝土后起爆。2011年对PIMPF进行改进,使之能够兼容美国侵彻弹药[37]。

2008年美国第52届引信年会中提出了硬目标侵彻引信的技术发展路线[38],如图8所示。为实现对目标层内目标的有效毁伤,要求引信起爆控制系统不但能够准确敏感到战斗部进入空穴的信息,而且能够适应不同的覆盖层结构和多层空穴结构。为实现引信空穴识别、介质识别起爆控制功能,必须掌握各类不同目标的介质特性,积累不同介质特征数据,同时要求起爆控制系统具有良好的信号处理能力。

图8 美国侵彻引信起爆控制技术发展路线[38]Fig.8 Development path of American penetration fuze initiation control technology[38]

2008年美国第52届引信年会介绍了具有计层、计时、计深度控制功能的起爆控制系统,起爆控制结果如图9所示。该起爆控制系统能够识别不同介质构成的软硬目标层,并且能够利用过载信号突降且时间短的特点,对距离较近的两个硬目标层之间的空穴或软目标层进行滤除计数,排除“伪空穴”对目标识别的干扰。图中的深度为38 ft(1 ft=0.304 m),约为11.55 m。

图9 弹体侵彻4层混凝土靶板的起爆控制结果 Fig.9 Initiation control results of projectile penetrating four-layer concrete target

美国研制的硬目标感知引信,能够利用侵彻过载特性进行目标介质识别,根据采集的过载信号特征识别目标层,并计算侵彻深度,在设定的炸点引爆战斗部[39]。由于计深度算法复杂,可靠性未达到使用要求,所以在2008年美国继续研制硬目标空穴感知引信,该引信未包含计深度起爆方法,采用了空穴识别算法,在此基础上,形成FMU167硬目标空穴感知引信。

图10所示的FMU167B硬目标空穴感知引信在弹体侵彻复杂结构目标时可准确进行空穴识别,能够用于侵彻多层地下目标,实现计层、空穴识别起爆控制功能,该引信于2018年列装,为未来20年美军侵彻弹药主要装备[40]。

图10 具有多空穴识别起爆控制功能的[40]FMU167B引信Fig.10 FMU167B fuze with multi-void sensing initiation control function[40]

国外在突破了计层识别、空穴识别起爆控制算法技术、硬件系统技术之后,近年来的研究主要集中在过载特性研究,模拟高冲击环境建模与仿真,以适应高速侵彻目标环境。国外还开展抗高冲击加速度传感器、开关的研制与测试[41-42]。研究在弹体不同位置布置加速度传感器,开展侵彻多层混凝土试验,获得多组侵彻过载曲线,掌握不同位置侵彻过载特性。设计基于姿态识别的炸点控制方法,研究弹道/起爆时机集成的控制方法。

Forestal等[43]、Frew等[44]通过对弹体过载特性试验研究,积累了钻地弹侵彻混凝土实测弹体过载数据,将刚体过载作为重要对照参量,形成了弹体侵彻深度考核等效试验方法。美国ARA公司提出利用155 mm火炮对侵彻引信起爆控制功能考核的等效试验方法[45]。德国TDW公司采用缩比系数为0.5的试验弹考核可编程智能多用途引信性能[46]。德国弗劳恩霍夫研究所[47]采用组合式混凝土靶板组成可变厚度模拟侵彻靶,可以考核侵彻引信在长脉宽、高冲击侵彻环境中的性能。2009年桑迪亚国家实验室介绍了引信侵彻环境模拟技术[48],如图11所示从1985～2002年通过空气炮、火炮、火箭撬、热气球投放、飞机投放等方式考核引信性能,其中基于155 mm火炮完成约 250发考核试验。法国国防采办局鉴定与试验中心利用缩比弹丸和多层间隔混凝土靶板完成多层侵彻等效试验。2012年第56届美国引信年会提出侵彻环境等效模拟是引信性能考核验证中亟待解决的难题[49]。2015年,德国TDW公司对比冲击台、跌落台、空气炮、火箭撬等不同g值加速度测试设施,最高可模拟数万g的过载[50]。不同测试方法的适用范围如图12所示[51]。综合考虑过载特性等效以及试验成本、周期,火炮试验是考核侵彻引信起爆控制性能的常用方法。从历年美国引信年会来看,国外利用冲击台、霍普金森杆、空气炮等对微机电系统(MEMS)加速度传感器、触发开关等器件响应特性开展了多次测试,而对于引信起爆控制性能主要利用火炮进行动态试验考核,完成了多次等效试验,通过不同厚度、间距多层靶板组合来考核考核引信功能[52],但是等效规律主要以弹体过载为参量,对于引信过载高峰值、大脉宽、多次冲击等特性对比分析公开较少。

图11 美国桑迪亚国家实验室侵彻试验情况[48]Fig.11 Penetration test at SNL[48]

图12 不同测试方法的适用范围[51]Fig.12 Application scope of different test methods[51]

综上所述,国外关于侵彻引信的研究,采用试验数据分析和理论研究方法建立经验公式,形成侵彻深度计算方法,通过弹体侵彻不同类型目标试验结果对侵彻深度方法进行验证,实现弹体在目标特定深度起爆控制。通过力学理论分析建立的弹靶侵彻模型,未包含弹引系统响应,影响了该分析模型在目标识别和炸点控制方法的适用范围。传感器感知的信号能够反映弹体侵彻入靶、出靶、靶间飞行的全历程信息,为实现目标内部特定位置起爆控制提供最直接的信息,信号的真实度能够直接影响目标识别和起爆控制的结果。传感器感知的信号与弹体结构、侵彻工况、目标特性等密切相关,弹引系统的频响特性直接影响传感器感知的信号真实度,从而对侵彻引信目标识别产生影响。国外通过对加速度传感器和弹载存储测试系统的研制,分析弹体侵彻不同类型目标过载数据,为硬目标侵彻起爆系统增加了计层、空穴识别起爆控制模式。通过从计算速度到识别过载幅频特征的思路转变,实现从目标内部特定深度到目标内部特定位置的起爆控制能力提升。针对传感器过载信号与弹引系统响应信号叠加影响目标识别的问题,研究信号频率特性,以提高传感器信号对侵彻历程的真实反映程度,同时利用目标介质分类开关和信号处理方法以提高对目标识别能力和弹药起爆控制能力。

2 国内研究现状

2.1 侵彻过载特性

侵彻引信起爆控制系统主要利用高g加速度传感器感知侵彻过载,为实现起爆控制提供依据。国内对硬目标侵彻过载特性进行了大量的研究。

弹丸侵彻硬目标的过载时间历程曲线可分为 4个阶段：第1阶段,弹丸头部与目标初步接触,锥形弹头与目标平面相交的横截面较小,侵彻阻力小,侵彻过载也较小;第2阶段,随着侵彻深度增加,弹体头部与目标平面相交的横截面不断增大,侵彻过载迅速增大,当该横截面的直径与弹径相等时,侵彻阻力接近最大值;第3阶段,当弹体继续侵彻目标,侵彻阻力的增加只是由于弹体外表面与目标的接触面积增大而增大了摩擦力,因此侵彻过载的增大有限,逐渐达到过载峰值,当弹体以高速侵彻无限大靶体时,过载峰值对应于弹体后端面与目标表面处于同一平面时的侵彻深度,即过载在最大值附近维持较长一段时间,但对半无限和有限大靶体,侵彻过程引起的靶体崩落和碎裂使侵彻阻力迅速下降,达到过载峰值后便很快下降;第4阶段,随着侵彻程度加深,克服侵彻阻力消耗的能量越大,使弹体运动速度逐渐降低,侵彻过载卸载归零[53]。

当弹体头部完全侵入目标时,侵彻过载接近最大值,作用于战斗部的过载[54]可以表示为

(1)

式中：amax为弹体承受的最大刚体过载;A是与弹体和目标参数相关的参数,为等效参数,无量纲,根据侵彻过载试验数据采取线性回归方法计算;L为弹体长度;v0为侵彻目标的着靶速度。侵彻过载与弹体长度、侵彻速度密切相关。该公式适用于侵彻深度小于2倍弹径计算。

除了理论研究,国内还针对侵彻过载特性做了很多仿真计算。侯俊超等[55]开展了试验弹以1 200 m/s速度侵彻0.2～1.0 m厚混凝土靶板仿真计算,获得了侵彻不同厚度靶板的弹体过载曲线。张文华等[56]开展了试验弹以850 m/s速度侵彻强度为180 MPa的混凝土仿真计算,获得了弹体过载曲线。高速侵彻仿真均未涉及引信过载。

国内采用数值仿真方法建立了62 mm弹侵彻单层混凝土和钢板的弹靶侵彻模型[57],通过仿真结果提取了侵彻不同介质的过载特征参量。张起博等[58]开展了125 mm试验弹斜侵彻3层含柱结构混凝土仿真计算,获得了侵彻刚体过载曲线。张会锁等[59]开展了152 mm试验弹侵彻装甲钢仿真计算,对比了法兰连接和螺纹连接对侵彻刚体过载的影响。贾森清等[60]开展了火箭弹侵彻3层混凝土靶板仿真计算,获得了不同弹体、不同速度、不同攻角侵彻引信过载曲线,对峰值过载进行了对比分析。张冬梅等[61]建立螺纹连接结构的弹引仿真模型,开展了试验弹侵彻强度靶仿真计算,获得了刚体过载和螺纹结构响应过载曲线。程祥利等[62]建立了包含引信壳体、缓冲材料、引信电路模块以及装药、战斗部壳体的仿真模型,开展了155 mm试验弹侵彻3.5 m强度靶和5层混凝土靶仿真计算,获得了刚体过载曲线和引信过载曲线,如图13所示。与试验弹过载相比,引信内部过载更高,冲击载荷由弹体到引信体进一步放大。

图13 155 mm试验弹侵彻强度靶和多层靶仿真曲线[62]Fig.13 Simulation curves of 155mm projectile penetrating intensity target and multi-layer target[62]

掌握目标特性是实现对各类结构目标毁伤控制的基础。国内通常采用高g加速度传感器感知硬目标侵彻信息,对于硬目标侵彻特性的研究主要集中在侵彻过载特性的仿真、测试和信号分析。通过仿真研究,获得了不同弹体、不同速度、不同着靶姿态、不同目标的侵彻过载曲线。在低于1 500 m/s侵彻速度下,弹体头部磨损较少,弹体流体形变不明显,因此弹靶侵彻建模时将弹体假设为刚体。中低速侵彻条件下,引信过载层包络界限清晰,弹引连接关注不多,因此仿真模型将弹体和引信体设置为一体。随着弹引系统响应传递研究的深入,逐渐细化弹体侵彻模型,建立了含弹体、引信体、电路部件、灌封料以及螺纹连接结构的弹靶侵彻精细模型。通过对侵彻过载分析,形成了过载上升、过载下降、过载持续时间等特征,分别对应弹体入靶、出靶、靶间飞行的侵彻历程。

2.2 弹引系统结构响应

多层目标侵彻的信号成分极其复杂,这是由弹引系统的特点所决定的。侵彻弹引系统既包括弹体,还包括了引信壳体、信号控制系统,以及灌封材料,在电路部件中还含有传感器以及信号处理电路,组成了侵彻过载信号的感知、处理和控制系统。弹引系统的组成是一个多自由度模型。同时多层目标结构和介质也很复杂。

侵彻多层目标过程中信号主要包括刚体过载、弹体结构响应过载、加速度传感器感知过载以及其他噪声等[30]。程祥利等[63]基于机械振动理论建立了弹靶侵彻模型,基于单自由度弹簧-质量-阻尼系统建立了战斗部一阶轴向振动模型,弹靶侵彻理论公式涵盖了战斗部质量、战斗部轴向阻力、弹引系统叠加的混叠信号等,该模型主要研究战斗部过载变化规律。

柏利[64]将弹体和引信体简化为一边固定、一边自由的悬臂梁,有轴向应力波传播(轴向振动)和横向振动,建立了侵彻过载信号模型。由于过载信号非线性的特点,所以过载信号重构成为当前研究过载特性的难点,基于受力分析的侵彻过载模型与弹体结构、侵彻工况、目标特性的关联性不够。

传感器采集的过载叠加了大量的振荡信号,影响目标识别和起爆控制。相关研究分别从弹体结构、引战系统、传感器响应角度对过载信号粘连的原因进行了定性分析[65-68]。李蓉等[69]根据应力波理论,提出高速侵彻时应力波沿着弹长来回传播,形成多层侵彻过载上叠加的高频振荡,侵彻过载中振荡脉冲的频率与应力波(一维纵波)在刚体中传播的速度呈正比,与弹长呈反比。多层目标识别的难度在于战斗部穿靶之后过载卸载叠加的振荡信号,增加了信号数据量[70]。采用信号处理的方法可以滤除振荡信号,但是会影响计层识别的实时性和准确性。

2.3 信号感知方法

国内利用加速度传感器感知侵彻过载,开展了大量的研究和测试。图14[71]为靶场试验中弹体高速侵彻10层混凝土薄靶板时,加速度传感器感受到的引信过载信号。弹体侵彻高强度目标的过载峰值可达到19.24万g,脉宽1.2 ms[72]。

图14 侵彻10层混凝土侵彻过载曲线[71]Fig.14 Overload curve of projectile penetrating 10-layer concrete[71]

满晓飞等[73]采用惯性开关作为探测器件,获得了弹体以761 m/s侵彻3 m厚C30混凝土的开关响应曲线。当过载波动速率超过惯性开关响应速度,导致惯性开关响应不及时。需要根据过载频率特性,设计器件结构,研究器件在高速侵彻时的即时响应机理,掌握无振荡平滑信号输出规律。

信号探测器件感知的信号清晰与目标类型、强度、弹体特征等因素相关,需研究加速度传感器、惯性开关在高速、短间距、大长径比侵彻条件下的性能测试和对比分析,提高信号对侵彻入靶、出靶、靶间飞行的准确响应,实现在单层或多次冲击下的信息探测与侵彻状态识别。

通过对国外侵彻曲线和国内试验曲线对比,国外侵彻试验曲线包络清晰,虽然侵彻着靶速度低,但是靶间距也相应较短。在同等靶间飞行时间内,国外侵彻试验曲线比国内试验曲线刚体过载特征显著,振荡信号叠加少,对于0.2 m厚度和0.5 m间隔的混凝土具有良好的辨识。国外通过多年的侵彻基础理论研究、弹体侵彻试验研究和传感器技术研究,能够根据目标介质属性和过载时频特性,设计和使用加速度传感器、目标介质分类开关等信号探测器件。国内信号探测器件应充分考虑适应复杂目标结构,根据信号时频特征设计相应的专用传感器,研究器件的组合方式和布置方法。

2.4 信号处理方法

20世纪90年代以前,国内侵彻引信多为固定延时引信,仅具有单一的延期作用,手工装定,采用固定延期时间。随后,国内开始研制具有可调延时功能的引信,以及具有可编程装定功能的侵彻引信[74]。目前侵彻引信多层目标识别一般是利用加速度传感器进行穿层信息感知,采用信号处理的方法对粘连过载滤波提取平滑信号包络,进行计层识别。

部分研究通过对侵彻过载频谱分析,结合弹体模态分析,分析过载特性,选择滤波截止频率,滤波后的信号作为刚体过载。范锦彪等[75]提出选择信号处理滤波截止频率的原则。郝慧艳等[76]采取基于提升小波变换的方法,从粘连过载中分离信号的低频成分,对预处理信号计算短时能量和特征强化,提取信号幅值陡变特征来识别侵彻混凝土目标层数信息。王杰等[71]采用基于小波系数的粘连信号穿层特征提取方法,完成对10层侵彻粘连过载信号处理。

传统的计层起爆控制方法利用侵彻过载的时频特征来识别目标层[77-79]。信号处理后过载量值发生变化,特征参数选择不当,会影响计层识别的准确性。信号处理后的信号特征参数选择成为准确识别目标层的又一难题。

针对多层侵彻过载粘连信号成分复杂、信号处理方法运算量大影响实时识别的问题,张海涛等[80]对信号探测器件二次封装,利用应力波特性实现机械滤波。董灵飞等[81]提出利用材料组合实现滤波,凸显层特征的方法。材料滤波方法需要研究滤波材料的特性、组合方式、布置位置对侵彻过载时频的影响,掌握材料特性影响信号特征的规律。

综上所述,国内开展了匹配滤波、小波分析、机械滤波等多种处理方法研究,利用特定工况侵彻仿真数据和实测数据开展验证,其信号处理参数和时频过载特征参数设定均依赖特定条件,对不同侵彻条件、不同类型目标、不同战斗部、不同引信的信号处理的实时性、准确性和适应性有待进一步验证和评估。

2.5 起爆控制方法

2.5.1 计层起爆控制

在侵彻多层硬目标过程中,弹体侵彻每层靶板产生过载信号,信号特征随着每层目标特征以及弹体剩余动能而变化。过载信号经过处理后进行过载特征提取和强化,根据过载特征进行计层识别。对于固定弹形、特定侵彻条件,计层参数根据大量先验数据的对比分析来确定[82]。仅依赖单一特征会影响层识别准确性,如高速侵彻低强度目标和低速侵彻高强度目标,过载峰值一致,而过载脉宽不同,需要根据弹体结构、侵彻工况、目标特性确定计层起爆控制方法具体参数。

不同类型的硬目标的层结构差异较大,为避免层间结构复杂造成层误识别,采用定时器进行闭锁控制的方法,在实践中得到了多次应用验证。但是定时器闭锁时间需要根据战斗部侵彻速度和目标结构参数提前设定。由于不同侵彻工况都会影响闭锁时间的设定,所以采用定时器闭锁方法一般适用于目标结构、侵彻速度已知条件的侵彻起爆控制,对于复杂结构目标适应性不足[83-85]。

侵彻引信起爆控制系统主要利用阈值判别对处理后的信号进行目标识别和起爆控制,因此阈值设定成为影响起爆控制准确性的重要因素[86]。引信对多层目标的层识别算法一般采用固定阈值或者多阈值。针对变结构目标识别控制,提出动态阈值侵彻引信层目标识别方法[87-89]。动态阈值方法需要利用弹体初速度、目标厚度、层间距离、侵彻姿态、目标材质等先验信息,同时多次峰值对比增加了信号处理量,因此对于各类目标的适应性有待验证。

房安琪等[90]针对多层目标信号处理方法依赖先验参数的问题,提出基于数据增强的侵彻引信准确层识别神经网络方法。该方法针对粘连过载特征构建全连接神经网络模型,使用数据增强后的数据集进行学习与训练,自主认知战斗部侵彻多层硬目标的过程,自适应调整模型参数。

相对于单一信号识别方法造成的计层误差,利用惯性开关、加速度传感器融合方法提高起爆控制精度[91-92],但是需要根据仿真和试验情况确定复合信号加权值。

针对高速侵彻多层目标信号粘连处理数据处理量大的问题,采用新型探测原理,利用压电加速度传感器[93-94]、电涡流传感器、电容式传感器[95-96]、磁传感器[97]来获取多层目标穿层信息,抑制信号粘连,是解决侵彻过载信号粘连的另一条途径。

目前的侵彻引信起爆控制系统是一种动态开环控制系统,利用有时机约束的采样信息修正控制系统模型,控制起爆输出的时机[98]。侵彻引信起爆控制模型解算的核心参数为控制时机。文献[87-88]提出自适应阈值方法,修正控制模型参数,从而控制起爆输出时机。在开环控制系统引入模型预测控制方法,利用输出结果动态更新控制模型,实现系统闭环控制,能够提高系统控制的可靠度。闭环控制系统可应用于弹体姿态识别起爆控制。文献[99-101]利用侵彻过载解算速度和姿态,更新后反馈至系统输入,形成控制模型的闭环回路,在弹体侵彻姿态不佳时输出即时起爆信号,实现起爆模式、起爆时机的集成控制,避免弹体偏转、跳飞影响毁伤效果,根据弹体速度、角度实现起爆的模型均可采用此种方法。闭环控制系统还可用于自适应起爆控制方法,在基于神经网络的自适应起爆控制方法中,根据信息的正向传递和误差反向传播,不断调整神经网络的权值和阈值,自适应调整模型参数[102]。闭环控制需要研究误差补偿方法,开发高性能微控制器对控制模型实时优化。

2.5.2 空穴识别起爆控制

空穴识别主要针对单层厚目标,根据侵彻单层厚目标的过载曲线识别弹体侵彻目标的过程,并控制战斗部在出靶后起爆。空穴识别过程包括4个阶段：第1阶段,弹体侵入目标,侵彻过载快速上升;第2阶段,战斗部在目标中行进,过载达到峰值,侵彻过载振荡整理;第3阶段,弹体贯穿目标,侵彻过载振荡下降卸载;第4阶段,侵出目标延时一定时间,弹体起爆。可采用过载信号的上升沿、下降沿分别作为弹体侵入、侵出靶体的标志。阈值根据目标强度、传感器灵敏度来设定,对于特定弹形、确定的侵彻条件下,参数值可以根据大量先验数据的对比分析确定。达到触发阈值后,可来采用多个采样周期采样值综合判断满足入靶/出靶条件。基于过载特征的空穴识别起爆控制流程如图15所示。

图15 空穴识别起爆控制流程Fig.15 Void sensing initiation control flow

空穴识别起爆控制是对侵彻过载信号进行积分得到出靶时的速度衰减量,通过控制靶后延时起爆时间,来控制靶后起爆距离。为降低入靶识别带来的炸点控制误差,采用惯性开关来实现碰靶识别。由于侵彻弹药出靶速度、出靶位置与空穴识别起爆控制方法计算的出靶位置、侵彻速度可能存在偏差,从而导致靶后起爆距离出现偏差,影响战斗部的毁伤效果。

针对过载信号叠加振荡信号影响空穴识别的问题,根据信号自相关原理,对侵彻过载信号自乘实现调频脉冲压缩,通过低通滤波提取平滑侵彻信号包络[103]。

国内空穴识别起爆控制主要关注靶后炸点控制的准确性。国外持续开展6万g过载条件下的器件测试和仿真计算,对于引信相关的要求侧重于保证长历程工作可靠性,主要关注弹体的侵彻能力,根据弹体过载测试结果和理论研究总结侵彻深度经验公式。这一点是国内外对厚目标空穴识别研究的差异。

为适应不同弹药、目标、工况,起爆控制系统需要具有一定的自适应起爆控制能力。目前自适应起爆控制包括以下3种方法：一是自主认知战斗部侵彻多层硬目标的过程,调整模型参数;二是根据侵彻速度和靶板厚度,靶后延时起爆时间控制靶后起爆距离,实现对厚目标自适应;三是根据先验知识和实时采样数据,自主调整侵彻过载阈值,实现对厚目标自适应。第2种和第3种方法均是根据先验信息来确定起爆控制参数调整范围。第1种方法依据过载特征构建模型,不依赖先验参数,适应范围更广。

2.5.3 起爆控制验证等效模拟方法与验证

侵彻引信起爆控制考核验证方法包括实验室测试和外场动态试验方法。在实验室测试,可采用半实物仿真方法对引信计层、空穴识别准确度进行考核,但是半实物仿真方法需要基于实测或仿真数据作为数据源,测试过程为静态测试。产生等效引信过载特征的模拟侵彻环境,对于引信起爆控制功能考核至关重要。国内研究利用霍普金森杆、空气炮等设备模拟单次、多次高冲击加载过程。陈刚等[104]、杨喆等[105]利用霍普金森杆分别开展单次高冲击、多次冲击过载加载模拟测试,但是基于霍普金森杆的模拟测试信号幅值及规律与实际侵彻过载特征差异较大,且霍普金森杆负载能力较小。聂少云等[106]提出一种利用加速跌落产生多次冲击的加载方法,由于冲击过程中试验件速度衰减、靶板塑性形变以及靶板撞击等因素影响,使得加载冲击幅值、脉宽等特征模拟加载可控难度很大,多次冲击信号一致性偏低。方幸[107]提出一种利用空气炮产生高冲击的方法,测试结果脉宽不足1 ms。南京理工大学提出一种多次冲击模拟加载方法,可实现多次冲击间隔、幅值可调[108]。中国工程物理研究院提出一种利用爆炸冲击模拟高过载加载的方法[109],可实现模拟过载峰值3万g,持续时间1.5 ms。目前的过载等效加载技术均利用试验装置和被测件之间的撞击或冲击产生高过载,依靠加载系统运动特性调节参数实现过载特征可调可控,存在多次冲击波形一致性不足、加载试验件质量小等问题。

动态试验是在模拟真实侵彻环境中对引信起爆控制功能考核验证的常用方法。引信起爆控制功能动态考核方法有火炮试验、平衡炮试验、火箭撬试验等。由于受到试验条件和成本的制约,等效试验成为研究引信起爆控制性能的重要方法。在等效试验中,被测品为原型件,如何构建等效模拟原型弹侵彻过载环境,使得等效试验弹和原型弹过载特征保持一致,成为等效模拟方法设计的重点。国内对弹体侵彻混凝土靶开展了大量研究,但是试验弹尺寸、重量较小,对于大尺寸弹体侵彻多层混凝土的等效试验研究不足。李美亚等[110]提出一种降低靶板强度、维持弹体特征参数不变的等效试验弹模拟原型弹缩比侵彻试验方法,但是过载脉宽特征与原型弹相差较大。刘源等[111]提出一种非等比例缩比侵彻/贯穿相似规律,调整等效试验弹缩比系数,实现等效试验弹体刚体过载峰值和脉宽覆盖1 200 kg级原型弹,但是对于引信过载特征等效模拟还有待研究。

侵彻等效模拟技术研究经历弹体侵彻能力等效、弹体过载等效、引信过载等效3个阶段。国内外前期围绕弹体侵彻能力等效验证,以侵彻深度为参量,开展了大量理论研究和试验测试,形成了弹体侵彻深度的经验公式,指导等效模拟试验测试。在掌握弹体过载特性的基础上研究过载等效模拟试验方法。引信等效模拟的核心是侵彻过载特征的等效。国内通过对靶板、弹体参量控制,来研究侵引信过载特征等效模拟方法。考虑到等效模拟的尺度效应、弹引响应传递、引信过载非平稳随机特性,需要结合具体弹体、靶板、工况确定等效试验缩比系数,形成等效模拟试验系统与原型弹之间的近似等效模拟规律,对侵彻引信起爆控制系统功能验证。

3 技术展望

3.1 复合传感与信息融合

国外通过弹引响应传递研究、传感器频响特性研究,结合滤波算法,实现对硬目标侵彻过程的准确响应,开发新型探测器件识别目标介质类型以及空穴,考虑了目标类型、侵彻工况对传感器感知信号的影响。目前国内采用加速度传感器和惯性开关响应高冲击,感知弹体侵彻力学信息。硬目标信号探测过程不仅承受高过载,还受到应力波、热和电磁等多物理场强干扰。提高对目标信息的感知能力是实现目标探测的前提,除了力学参数,侵彻过程中的温度[112]、磁场[113]也可以作为感知侵彻过程信息的参数,根据侵彻过载幅频特征研制专用传感器,抑制穿靶后振动,为解决信号粘连问题提供新的途径。新传感原理需要研究新型探测信号与弹体结构、目标类型、侵彻工况之间的关系,减少信号处理的数据量,提高信号处理实时性和可测性。

提高对复合传感信息的处理能力是实现侵彻引信适应不同类型目标毁伤控制的保证。目前利用加速度传感器进行目标信息探测,所获得的信息单一,且信号叠加了大量的噪声信号,限制了其在不同场合下的适用性。随着战场环境的日益复杂和作战区域的不断扩大,目标也越来越复杂,需要研究传感器阵列以及不同类型的传感器组合,获得多类型的目标信息,从而为引信起爆战斗部提供可靠的信号。开发多传感器带反馈融合算法,利用输出结果动态更新闭环控制模型,不仅通过误差补偿调整控制模型参数,而且实现信号采样频率、采样通道的可变控制,根据融合结果实现起爆模式、起爆时机的集成控制,提高起爆控制可靠度。

3.2 信号快速处理技术

在打击同类型目标时,侵彻速度越高,侵彻时间历程越短,起爆控制系统所能采集和处理的信息量减少。而传感器阵列以及不同类型的传感器组合,则增加了信息处理的数据量。各类不同的信号感知方法与信号处理实时性、目标识别准确性之间的矛盾日益突出,如何利用有限的信息实现对弹体侵彻硬目标状态的快速识别和起爆控制是目前尚待解决的难题。国外通过理论研究建立弹体侵彻模型,采用滤波算法提高对于目标的辨识能力。国内应加强侵彻硬目标基础研究,掌握高速侵彻硬目标理论模型、过载特性和弹引系统响应传递函数,研究多物理场信号产生的机理与信号快速处理方法,形成基于模型驱动的起爆控制方法。

3.3 集成化分布式系统

安全控制系统和起爆控制系统是组成侵彻引信的两个主要模块。国外已经开展了安全控制系统的集成化设计,以及MEMS传感器和触发、延时起爆控制系统的集成化设计,并致力于模块的通用化[114]。开展起爆控制系统集成化研究,在弹体内部多点布置,形成集成化分布式系统,以柔性状态与弹体结构同形设计,优化弹引之间的刚性连接方式,避免弹引系统连接引入的混叠信号对起爆控制的影响,减少信号处理量,提高对高着速的适应性。同时分布式系统可以组成多重冗余系统保证可靠性,也可以各自实现独立功能,在单位体积内布置更多的起爆控制单元,提高起爆控制系统功能密集度,提升引信的智能化水平。

4 结论

本文按照硬目标侵彻起爆控制过程,综述了信号感知、信号处理与起爆控制方法的发展现状;分析侵彻过载信号组成、特征、响应传递的理论成果;总结基于过载时频特征的混叠信号处理、特征提取和特征强化方法;概述新型探测器件、滤波材料和自适应算法及数值仿真的研究现状。

国外侵彻引信起爆控制技术的研究经历了计时、计深度、空穴识别/计层起爆模式的发展阶段,在前期通过大量弹体侵彻试验总结了经验公式,来满足深侵彻起爆控制需求。后期为满足复杂目标的起爆控制需求,开展了目标特性和信号处理相关的器件研制、算法研究及测试试验。掌握目标特性是满足侵彻弹药打击不同结构目标毁伤能力的基础。国内对侵彻过载特性展开了大量的理论研究和仿真计算,采用匹配滤波、小波分析、机械滤波等多种方法开展了侵彻粘连过载信号处理,并开展了非力学传感器信号感知和信号处理方法研究。对特定弹体结构、侵彻工况、目标类型约束的起爆控制方法开展研究,所形成的成果在工程上具有一定的适应性,且根据不断变化的侵彻条件提出了新器件、算法方面的改进设计。

目前的目标特性研究成果以及基于过载特性的起爆控制方法在面对日益增长的侵彻弹药需求变化适应性仍显不足。本文通过对过载特性、信号感知、信号处理、起爆控制研究现状的分析,得出以下主要结论：

侵彻过载特性的理论研究和数值仿真主要是从弹体受力方面进行分析,未来还应关注弹引响应传递规律,研究弹体结构、目标特性、侵彻工况对过载特征的影响,形成过载信号重构方法。

目前采用器件、算法、材料等多种方法抑制粘连过载。由于侵彻过载信号的复杂性,还应关注高速度对信号处理的要求,研究多物理场信号产生的机理与处理方法、信息融合方法。

起爆控制策略制定受到弹体结构、目标特性、侵彻工况多条件约束,可以参考基于经验公式的计深度起爆控制方法,开展基于模型驱动的起爆控制策略研究,自主认知战斗部侵彻多层硬目标过程,形成适应范围更广泛的起爆控制方法。