小口径弹丸炮口无线装定系统设计

张明跃,房立清,郭爱强

(1.陆军工程大学 火炮工程系, 石家庄 050003; 2.陆军工程大学 弹药工程系, 石家庄 050003)

0 引言

现代战争的发展对弹丸的智能化和信息化提出了更高的要求。具有定时空炸、定距空炸功能的弹丸在复杂的战场环境中能够使弹药的杀伤力达到最大化[1]。由于对小口径弹丸的相关研究较少,所以目前大多数小口径弹丸依旧使用传统的机械冲击引信[2-3]。然而在小规模作战中,能够实现精准炸点控制的小口径弹丸发挥着不可替代的作用[4]。

无线装定是指为使炮弹命中目标,在射击时将各种影响弹道因素的数据,通过无线传输的方式装定到电子引信中的技术[5]。无线装定简化了电子引信的线路装配,受环境影响较小,面对复杂的战场环境具有迅速反应的能力,并且能适应多口径弹药,避免了因弹药储存时间长,线路老化导致装定失败的情况,使引信可以在复杂环境下实现精准控制,所以无线装定技术是实现小口径弹丸精准控制的主要技术之一[6]。

将影响弹道的信息装定至电子引信中,是实现小口径弹丸精准炸点控制的基础。目前广泛研究的无线装定技术主要有3种方式,电磁感应装定、射频装定和磁耦合共振装定。电磁感应装定是利用交变磁场传输信息,最早应用于发射前装定,如美国艾连特公司研制的PIAFS系统,是一款手持式便携感应装定器[7-9]。射频装定的特点是能够实现信息的双向传递,并且能够通过储能电容与线圈耦合实现能量传输。射频装定的研究也大多集中在发射前装定[10-11]。磁耦合共振装定是近年来新兴的技术,最早应用在无线电能传输方面,磁耦合共振装定能够实现远距离的能量与信息传输,然而目前技术应用不够成熟,传输机理尚不明确[12-15]。

针对小口径弹丸信息化程度较低的现状,设计一种基于电磁感应的无线装定系统。系统主要包括信息采集、信号调制、功率放大器、发射与接收线圈、信号解调等模块。系统实现了无线装定接收端的小型化设计。能够应用于35 mm小型榴弹中。使用轻气炮对数据与信号接收情况进行检验与采集,结果表明接收端能够在小口径弹丸发射过程中实现信息接收。

1 发射端设计

选择电磁感应装定的方式进行小口径弹丸无线装定系统设计主要基于以下2点:

1) 相关研究较多,技术相对成熟,可以在现有研究的基础上进行改进。

2) 硬件设计简洁,由于小口径弹丸内部空间有限,所以需要实现空间利用率最大化。

小口径弹丸无线装定系统的发射端主要包括环境信息与发射信息采集、以FPGA为核心的信号调制、DA转换、功率放大器、发射线圈等,引信内部的接收端主要包括接收线圈、AD采集与控制器。整个无线装定系统设计如图1所示。

图1 无线装定系统设计

发射端中,信息采集包括温湿度、气压、风速等环境信息测量与射角、空炸距离等发射信息输入。MCU通过AD转换采集风速传感器的电压信号,通过线性关系将电压转化为风速。温湿度、气压传感器与MCU之间使用IIC、RS485等通信方式实现数据的传输与读取。信息采集与输入系统如图2所示。

图2 信息获取模块设计

信息获取模块中,通过触摸面板输入弹丸爆炸距离与射角后,控制器将环境信息与发射信息进行二进制转换,并将二进制数据通过串口传输至FPGA。

在小口径弹丸无线装定系统中,由于弹丸穿越线圈时间极短,且炮口发射环境较为恶劣,所以调制方式选择主要考虑抗干扰性与频带利用率[16]。目前高速数据传输中常使用差分相移键控(DPSK)[17]。DPSK调制的信号变化过程如图3所示。

图3 DPSK调制信号变化

首先将二进制编码进行差分运算,再添加8位字节11 101 011作为帧头,10 010 000作为帧尾。差分运算后将二进制结果转化为调制信号,转化方法是将原始信号直接与载波信号相乘。

使用FPGA进行DPSK调制,程序主要包括串口读取模块、分频器模块、正弦载波生成模块、数据差分模块等。程序各个模块之间的数据传递如图4所示。

图4 FPGA数据传递

对上述模块进行例化后,顶层原理图如图5所示。

图5 FPGA调制程序框图

通过仿真产生时钟、二进制编码等激励信号,对输出进行监测,仿真结果如图6所示。

图6 FPGA调制仿真波形

FPGA将二进制信息进行调制后,输出数字信号。此时需要使用DA转换将数字信号转化为模拟信号。DA转换电路如图7所示。

图7 DA转换电路

信号经过DA转换芯片后输出差分电流信号,通过三阶LC滤波器去除高频干扰,再经过运放得到单端模拟电压信号,最终通过可变电阻实现幅值的调节。

使用Howland电流泵对信号进行电流放大,使信号能够驱动线圈。功率放大电路如图8所示。

图8 功率放大器电路设计

Howland电流泵输出的电流Il可以用式(1)进行计算。

(1)

式中:Rx为R5∥R6∥R7∥R8,为使得输出电流与负载无关,仅受到输入电流源的电压进行控制,使R3=R4=R9=R11,则输出电流可以表示为

(2)

此时输出电流只与Rx有关,而与负载无关。这种设计可以保证以恒定电流驱动发射线圈。

2 线圈设计

在无线装定过程中,通信使用的发射天线与接收天线都是由线圈组成,发射端与接收端可以等效为一次线圈与二次线圈,如图9所示。

图9 线圈等效电路

将通信信号的频率设为ω,通过发射线圈的电流的有效值为I1,则发射端与接收端的RLC谐振公式如式(3)所示。

(3)

谐振电路的谐振频率应与通信频率相同,以达到滤波、选频的作用。谐振电路的波特图如图10所示。

图10 谐振电路频响特性

由波特图可以看出,谐振电路会将特定频率的信号进行放大,对其他频率信号都具有衰减作用,所以使用谐振电路也可以减小其他频率信号的干扰。

线圈之间的影响程度可以通过互感系数表示,线圈耦合的互感系数可以表示为

(4)

式中,φ12与φ21分别是线圈之间的磁通匝链数,即磁通量乘线圈匝数。流过两线圈的电流分别是I1和I2,发射线圈为L1,接收线圈为L2,根据电路等效模型,列出基尔霍夫定律方程如式(5)所示。

(5)

两线圈的阻抗Z1、Z2使用阻抗与感抗可以表示为Z1=jωL1+r与Z2=jωL2+r,将阻抗代入式(5),可以得到流过接收线圈与发射线圈的电路I1与I2的表达式,如式(6)所示。

(6)

输入端与输出端功率可以表示为

(7)

将式(6)代入式(7),可以得到输入功率与输出功率的表达式为

(8)

无线功率传输的效率是输出功率占输入功率的百分比,即式(9)。

(9)

由式(9)可以看出,在系统负载不变的情况下,系统的传输效率仅仅与线圈的耦合系数相关。在理想的发射过程中,接收线圈与发射线圈相对位置关系如图11所示。

图11 接收线圈与发射线圈相对位置

当发射过程中,经过校准后,可以近似地认为线圈之间的中心点在一条轴线上。由图11可以推导出,线圈边缘的距离L可以表示为

(10)

将式(10)代入式(4),可以得到线圈耦合公式如式(11)所示。

(12)

由式(12)可以看出,当计算互感时,线圈的半径、匝数和2个线圈相互间的位置关系,是影响线圈互感系数的因素。在线圈发射过程中,发射线圈与接收线圈的距离是时变的,所以不考虑线圈距离的影响。由于引信内部空间有限,所以接收线圈的参数也是基本固定,此时线圈的互感系数与发射线圈的半径关系如图12所示。

图12 发射线圈互感系数与半径的关系

由图12关系可以看出,当线圈距离与接收线圈半径确定时,合理的设计发射线圈半径r1,可以使线圈之间的互感达到最大。但是由于榴弹炮炮口半径的限制,在图12中,由于发射线圈最小半径必须大于炮口半径,此时发射线圈与接收线圈的关系应在峰值之后,即半径越大,线圈之间的互感系数逐渐减小。所以在设计中,需要保证系统正常工作的前提下发射线圈半径尽可能小。所以发射线圈半径选择35 mm,如图13所示。

图13 发射线圈设计

FPGA对装定信息进行调制后,通过功率放大器驱动发射线圈,采集发射线圈两端波形,示波器采集结果如图14所示。

图14 发射过程中感应线圈波形采集结果

根据示波器采集结果可以发现,装定信号与仿真信号相同,且经过长时间观测,整个系统均正常工作。

3 接收端设计与检验

由于小口径弹丸内部空间有限,所以在进行器件选型、电路设计、PCB布线时,需要着重考虑引信内部空间问题,接收系统主要包括电源、控制器、AD采集、接收线圈等。

鉴别信号相位变化的方式选择非相干解调。解调的过程是,模数转换器将信号接收后,在DSP内部将信号经过滤波后,进行延迟处理。延迟后的信号与原信号进行相乘后,通过低通滤波器将载波信号进行去除。此时信号转化为数字信号。再经过判决器,将数字信号转化为数字信息。上述过程通过DSP程序实现,信号主要变化过程如图15所示。

图15 DSP解调算法实现过程

非相干解调使用软件实现整个过程,不仅简化了硬件系统,减小接收端所占空间,同时也避免了信号经过电路时产生的干扰。

电源部分采用微型电池进行供电,使用干簧管进行开关设计。发射前通过磁铁的滑动控制电子引信开关。模数转换芯片应选择采样率较高、5 V供电、体积较小、能够采集正负电压的芯片。整个电子引信接收端设计如图16所示。

图16 电子引信设计与封装

将引信封装后,通过轻气炮验证数据的接受情况,试验装置如图17所示。

图17 轻气炮实验装置

为观察弹丸发射时引信接收的信号波形与信息接收情况,将接收端连接至示波器,使用OLED显示接收的数据,示波器测得的波形与接收数据的结果如图18所示。

图18 实测波形与数据接收

由接收波形可以看出,弹丸穿越发射线圈时,除了接收交变磁场产生的波形,还包括穿越磁场时切割直流分量产生的变化。由于调制方式选择DPSK,所以可以忽略接收信号的幅值变化。

轻气炮实验结果表明,系统能够实现小口径低速弹丸炮口装定。并且在高过载冲击下,电路仍能够保持正常工作状态。

4 结论

针对于小口径低速弹丸提出一种无线装定系统设计方案。通过传感器进行环境信息采集,将采集结果与发射信息通过串口传输至以FPGA为核心的调制系统。FPGA将信息进行DPSK调制,经过DA转换,将调制信号转换为模拟信号。设计功率放大器驱动发射线圈,使电信号转化为磁场信号。为实现功率传输的最大化,使用线圈的耦合关系确定了线圈的最佳参数。接收端采用非相干解调,设计电子引信进行轻气炮实验,实测发射波形与仿真波形一致。实验结果表明数据能够在小口径弹丸发射过程中实现炮口装定。针对小口径弹丸设计的无线装定系统,为电子引信构建更精准的弹道模型,进而实现精准炸点控制奠定了基础,具有较高的军事意义与实战价值。