劉偉釗,李蓉,牛蘭杰,2,施坤林

(1.西安機電信息技術(shù)研究所,陜西 西安 710065;2.機電動態(tài)控制重點實驗室,陜西 西安 710065)

0 引言

侵徹彈藥打擊地面陣地、建筑物、橋梁、機場跑道、地下或半地下指揮中心、地堡、機庫、水面艦艇等,在目標內(nèi)部起爆,實現(xiàn)對目標的高效毀傷。侵徹引信起爆控制系統(tǒng)是完成侵徹彈藥終端毀傷效能的重要環(huán)節(jié),實現(xiàn)對目標信號感知、信號處理、起爆控制功能。

起爆控制系統(tǒng)由傳感器、放大器、濾波器、AD轉(zhuǎn)換器、微處理器、電源管理電路、觸發(fā)開關(guān)等構(gòu)成,起爆控制系統(tǒng)組成如圖1所示[1]。

圖1 硬目標侵徹引信起爆控制系統(tǒng)組成[1]Fig.1 Composition of initiation control system for hard-target penetration fuze[1]

在侵徹彈藥侵入目標時,高g加速度傳感器(g通常取9.8 m/s2)感知侵徹過載,碰靶時觸發(fā)開關(guān)閉合開始自毀定時。侵徹過載經(jīng)放大濾波后,將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,按照設定的起爆模式開始計時、計層、空穴識別起爆模式控制,由起爆控制模塊采用閾值比較法判定侵入目標的歷程。當達到設定炸點位置時,輸出起爆信號,引爆戰(zhàn)斗部。如果計層、空穴識別起爆控制功能失效,待達到自毀時間,實現(xiàn)自毀起爆。

侵徹引信起爆控制方法主要有6種[2],分別是計時起爆控制、計層起爆控制、空穴識別起爆控制、計行程起爆控制[3]、介質(zhì)識別起爆控制[4]和定深起爆控制[5-6]。侵徹過載特征包括侵徹過載峰值、過載脈寬、過載上升沿、過載下降沿、層間時間等。國內(nèi)外對于起爆控制技術(shù)的研究主要集中在準確計層和空穴識別,對于其他4種起爆控制技術(shù)的研究較少。目前國內(nèi)已經(jīng)解決了中低速度條件的計層、空穴識別起爆控制,并實現(xiàn)了一定的工程應用。侵徹引信適應碰靶速度不高、存在高速侵徹條件下抗高過載能力不足、無法精確識別粘連過載信號導致計層失準、對目標不同硬度、厚度、著速自適應起爆控制能力不足等問題[7-8]。本文從信號感知、信號處理及起爆控制等方面系統(tǒng)綜述侵徹引信起爆控制技術(shù)的國內(nèi)外進展,分析代表文獻,梳理技術(shù)發(fā)展脈絡,展望未來發(fā)展方向,為本領域前沿技術(shù)研究提供支持。

1 國外研究現(xiàn)狀

1.1 信號感知方法

加速度傳感器的性能與起爆控制功能具有密切的關(guān)系。起爆控制功能能否實現(xiàn),在很大程度取決于加速度傳感器的性能。

多年來,壓阻式加速度傳感器都是美國空軍實驗室引信分部的首選,國外針對加速度傳感器開展了大量的研究和測試。針對不同類型的傳感器采取表面貼裝、雙孔螺絲安裝、螺栓安裝等方式[9]。由 3個 7270A傳感器組合的三軸加速度傳感器,采取雙孔螺絲安裝在引信測試體,如圖2所示。

圖2 3個7270A組合的三軸加速度傳感器[9]Fig.2 Three 7270A sensors combined to form a three-axis accelerator[9]

2000年美國桑迪亞國家實驗室利用表面微機械加工技術(shù)制作了一種硅微機械電容加速度傳感器[10],量程達到6萬g。2009年,法國完成了以295 m/s速度侵徹4層混凝土試驗,測試使用美國恩德?？斯?萬g加速度傳感器,侵徹過載峰值達到3萬g,測試結(jié)果如圖3[11]所示。侵徹速度低,因此層間振蕩信號較少,層包絡清晰。

圖3 彈體以295 m/s速度侵徹4層混凝土試驗過載曲線[11]Fig.3 Overload curve of projectile penetrating four-layer concrete at 295 m/s[11]

2009年,美國西北太平洋國家實驗室[12]和美國陸軍工程研究與發(fā)展中心等采取多傳感器組合方法,進行了6組射彈對多層無間隔分段混凝土靶和整塊混凝土靶的侵徹試驗。彈體侵徹速度從303～450 m/s不等,在彈體前、后位置分別安裝美國Endevco公司的7270A加速度傳感器,利用美國桑迪亞國家實驗室開發(fā)的兩個3軸數(shù)據(jù)記錄器,獲得彈體侵徹靶板過載曲線如圖4[13]所示。彈體尾部測試曲線比彈體頭部測試曲線包含更多的振蕩信號,幅值更高,彈體尾部比彈體頭部的峰值信號對比略有延遲,體現(xiàn)了沖擊響應在彈體內(nèi)的傳播。

圖4 侵徹多層無間隔靶彈體頭部和尾部過載信號對比[13]Fig.4 Comparison of overload at the head and tail of projectile penetrating multi-layer target without interval[13]

2011年,德國研制了一種量程超過10萬g的加速度傳感器,在以600 m/s速度侵徹鋼板的試驗中,未濾波的侵徹過載峰值達到15萬g,原始數(shù)據(jù)及采用10 kHz濾波的過載曲線如圖5[14]所示。

圖5 彈體侵徹鋼板15萬g過載曲線[14]Fig.5 150 000 g overload curve of projectile penetrating the steel plate[14]

2018年,法國原子能和替代能源委員會[15]對侵徹過程中從彈體頭部到尾部引信傳感器振動傳遞開展研究,建立了傳感器模型和響應函數(shù),分別采用5 kHz和10 kHz低通濾波方法對測試過載數(shù)據(jù)進行信號處理。濾波后計算所得過載曲線與試驗數(shù)據(jù)特征相符,持續(xù)時間和幅度一致。

2020年,Moura[16]對美國Endevco公司的7270A、7280A傳感器和美國PCB公司的3991A、3501A傳感器進行了對比測試。該傳感器均為壓阻式加速度傳感器,采用表面貼裝安裝方式。其中7270A傳感器為無阻尼結(jié)構(gòu),而其他傳感器均增加了阻尼結(jié)構(gòu),增大對加速度敏感結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù),對高頻響應進行衰減。測試傳感器量程包括2萬g和 6萬g兩種,測試結(jié)果表明,橫向敏感度在5%,頻響約為15 kHz。侵徹彈引系統(tǒng)響應復雜,同時存在低頻響應和高頻響應,當傳感器的諧振頻率與高頻響應頻率相近時,傳感器感知后輸出信號出不能真實反映彈體受到的高沖擊,因此需要采取濾波方法濾除高頻振動信號。

文獻[17]提出基于微機電系統(tǒng)技術(shù)的目標介質(zhì)分類開關(guān)可在碰撞時粗略探測目標介質(zhì)類型及空穴,開發(fā)了基于多閾值開關(guān)轉(zhuǎn)換的硬目標探測算法。文獻[18]提出了一種利用壓電式傳感器對目標強度分類及戰(zhàn)斗部作用模式選擇的方法。利用電信號上升沿識別目標類型,選擇觸發(fā)、延時或空穴識別起爆模式。

綜上所述,可以發(fā)現(xiàn)國外利用加速度傳感器開展了多次動態(tài)試驗,獲取了彈體侵徹多層目標和厚目標的過載曲線,但是侵徹速度偏低,侵徹層數(shù)較少,試驗成果主要為彈體過載曲線,對于引信過載的測試結(jié)果較少,目前還沒有發(fā)現(xiàn)國外大于5層侵徹過載曲線以及大于700 m/s速度侵徹引信過載曲線。國外研究傳感器頻響特性和安裝位置對侵徹過載的影響,以提高傳感器感知的過載信號對彈體侵徹歷程的真實反映程度。同時國外按照軟硬目標來選擇不同的起爆控制方式,表明國外已經(jīng)積累了大量目標數(shù)據(jù),掌握了不同類型目標的侵徹過載特性。

1.2 信號處理方法

1999年,Zavattieri等[19]開展了多次不同靶板材料和彈體材料組合試驗,采用有限元仿真與動態(tài)試驗相結(jié)合的辦法,驗證了彈體對多層靶板的毀傷效果,并同時驗證了不同長徑比對侵徹深度的影響。2002年,以色列侵徹理論專家Yossifon等[20]綜述了多層侵徹理論,詳細介紹了多層侵徹模型和嚴格的力學理論推導過程,分析了不同材質(zhì)多層靶板的侵徹過程和受力特性。2015年,以色列Ben-dor等[21]總結(jié)了至今幾乎全部高速侵徹混凝土分析模型及經(jīng)驗公式,為試驗數(shù)據(jù)和理論對比驗證提供了重要的參考。理論模型需要結(jié)合彈引系統(tǒng)響應傳遞分析,獲得引信過載特征,為信號處理方法和起爆控制提供依據(jù)。

在戰(zhàn)斗部侵徹多層目標過程中,引信傳感器感知的過載信號疊加了大量的振蕩信號。侵徹過載是一種典型的非平穩(wěn)隨機信號,頻率成分復雜,采取時頻域分析的方法,能夠在頻率和時間上同時描述信號的能量密度,揭示信號頻率分量隨時間的變化特性,得到整體信號在局部時域內(nèi)的頻率分布,或者各個頻率信號在局部時域上的分布。采用硬件濾波、軟件濾波方法進行信號處理后,用于引信目標識別和炸點控制。其中硬件濾波方法是根據(jù)信號的頻率特征,采用電路設計、器件選型、材料組合方式濾除振蕩信號,凸顯信號特征[22-24]。Porter等[25]采用濾波方法對侵徹過載數(shù)據(jù)進行處理,獲得了彈體侵徹的剛體加速度。對傳感器引入的混疊信號采取提高頻響,加強傳感器外部對高頻振動的吸收和減振措施,濾除高頻振動響應。軟件濾波方法包括小波分析、Hilbert-Huang變換[26-27]、Wigner-ville分布[28]、自相關(guān)方法[29]等。需要指出的是小波分析方法需要根據(jù)實際過載信號合理設置閾值和分解層數(shù),Hilbert-Huang變換需要考慮分解后信號的物理含義,Wigner-ville分布可以得到信號能量時頻分布,具有明確的物理意義,但是在低信噪比環(huán)境性能下降,而自相關(guān)方法的適應性受自相關(guān)函數(shù)選取影響較大,因此需根據(jù)實際過載設計相應的函數(shù)。以上濾波方法均應考慮算法的復雜度是否滿足信號處理實時性的要求。如圖6所示為國外對侵徹多層目標試驗曲線及信號處理結(jié)果[30]。圖6中目標靶前4層之間的距離均為4 m,第4層和第5層之間距離最短,靶間距為0.5 m。彈體侵徹多層目標的信號采樣率為200 kHz。

圖6 侵徹多層目標試驗曲線及信號處理結(jié)果[30]Fig.6 Test curve and signal processing results of projectile penetrating multi-layer target[30]

美國應用研究聯(lián)合公司開展了試驗彈侵徹多層不同厚度、不同介質(zhì)目標試驗[31]。侵徹首層靶速度約為650 m/s(按照1 ft=0.304 m計算),對試驗曲線(見圖7)進行低通濾波,濾波頻率2 kHz。靶板材質(zhì)、厚度不同,對應的過載包絡有明顯的差異。當侵徹0.2 m厚度的混凝土靶板,濾波后的靶間過載曲線仍然有明顯的波動;當侵徹0.8 m和1.0 m厚度的混凝土靶板時,濾波后的靶間過載曲線波動幅度減小;當侵徹1.5 m厚度的混凝土靶板,濾波后的靶間過載曲線波動幅度非常小。因此對于不同厚度的混凝土靶板,濾波頻率的選擇對于目標層的識別具有顯著的影響,可由實測試驗曲線分析和仿真計算得出濾波截止頻率。該濾波截止頻率是由彈體結(jié)構(gòu)、侵徹工況、目標特性所決定的,還需研究彈引響應傳遞特性,分析引信過載信號組成,確定濾波截止頻率的選擇原則,以提高濾波方法對于侵徹引信信號處理的適用性。

通過對侵徹過載積分計算侵徹速度和彈體行進歷程,控制彈藥在目標內(nèi)部一定深度起爆[32],但是最新的起爆控制系統(tǒng)中已不具有計深度起爆控制功能[33],原因是由于目標復雜,基于經(jīng)驗公式和試驗數(shù)據(jù)總結(jié)的計深度計算模型與實際計算誤差較大,適用范圍有限,對于大長徑比彈體侵徹目標適應能力不足。

1.3 起爆控制方法

自20世紀80年代美國首次將侵徹彈藥應用于實戰(zhàn),其對堅固目標的定點打擊能力及低附帶損傷引起了各國的廣泛關(guān)注,并競相開展了研制工作。美國的FMU143侵徹引信,具有計時起爆控制功能,能夠控制戰(zhàn)斗部在侵徹目標后啟動延時起爆。該引信已用于硬目標侵徹彈藥,針對美國海軍和空軍要求形成了多個系列[34]。

1981年,文獻[35]提出了一種利用三軸加速度傳感器進行戰(zhàn)斗部侵徹目標深度計算、目標層數(shù)和空穴數(shù)識別方法。該專利提出對三軸加速度傳感器信號進行積分獲得速度,計算彈體在目標中的行程。根據(jù)速度在時間窗內(nèi)的保持時間,判斷彈體是否侵徹出目標,進入空穴層,形成了硬目標侵徹計深度、計層/空穴識別的起爆控制邏輯。

1998年,美國和英國開始聯(lián)合研制的多功能硬目標引信,具有介質(zhì)識別、計層、計深度起爆控制功能,計層數(shù)最大可達到16層。該引信用于精確制導炸彈,裝備于英國空軍[36]。

德國的KEPD350戰(zhàn)斗部配備有可編程智能多用途引信(PIMPF)。該引信于2004年開始在德國裝備,具有計時/計層起爆控制功能,能實現(xiàn)戰(zhàn)斗部侵徹4層鋼筋混凝土后起爆。2011年對PIMPF進行改進,使之能夠兼容美國侵徹彈藥[37]。

2008年美國第52屆引信年會中提出了硬目標侵徹引信的技術(shù)發(fā)展路線[38],如圖8所示。為實現(xiàn)對目標層內(nèi)目標的有效毀傷,要求引信起爆控制系統(tǒng)不但能夠準確敏感到戰(zhàn)斗部進入空穴的信息,而且能夠適應不同的覆蓋層結(jié)構(gòu)和多層空穴結(jié)構(gòu)。為實現(xiàn)引信空穴識別、介質(zhì)識別起爆控制功能,必須掌握各類不同目標的介質(zhì)特性,積累不同介質(zhì)特征數(shù)據(jù),同時要求起爆控制系統(tǒng)具有良好的信號處理能力。

圖8 美國侵徹引信起爆控制技術(shù)發(fā)展路線[38]Fig.8 Development path of American penetration fuze initiation control technology[38]

2008年美國第52屆引信年會介紹了具有計層、計時、計深度控制功能的起爆控制系統(tǒng),起爆控制結(jié)果如圖9所示。該起爆控制系統(tǒng)能夠識別不同介質(zhì)構(gòu)成的軟硬目標層,并且能夠利用過載信號突降且時間短的特點,對距離較近的兩個硬目標層之間的空穴或軟目標層進行濾除計數(shù),排除“偽空穴”對目標識別的干擾。圖中的深度為38 ft(1 ft=0.304 m),約為11.55 m。

圖9 彈體侵徹4層混凝土靶板的起爆控制結(jié)果 Fig.9 Initiation control results of projectile penetrating four-layer concrete target

美國研制的硬目標感知引信,能夠利用侵徹過載特性進行目標介質(zhì)識別,根據(jù)采集的過載信號特征識別目標層,并計算侵徹深度,在設定的炸點引爆戰(zhàn)斗部[39]。由于計深度算法復雜,可靠性未達到使用要求,所以在2008年美國繼續(xù)研制硬目標空穴感知引信,該引信未包含計深度起爆方法,采用了空穴識別算法,在此基礎上,形成FMU167硬目標空穴感知引信。

圖10所示的FMU167B硬目標空穴感知引信在彈體侵徹復雜結(jié)構(gòu)目標時可準確進行空穴識別,能夠用于侵徹多層地下目標,實現(xiàn)計層、空穴識別起爆控制功能,該引信于2018年列裝,為未來20年美軍侵徹彈藥主要裝備[40]。

圖10 具有多空穴識別起爆控制功能的[40]FMU167B引信Fig.10 FMU167B fuze with multi-void sensing initiation control function[40]

國外在突破了計層識別、空穴識別起爆控制算法技術(shù)、硬件系統(tǒng)技術(shù)之后,近年來的研究主要集中在過載特性研究,模擬高沖擊環(huán)境建模與仿真,以適應高速侵徹目標環(huán)境。國外還開展抗高沖擊加速度傳感器、開關(guān)的研制與測試[41-42]。研究在彈體不同位置布置加速度傳感器,開展侵徹多層混凝土試驗,獲得多組侵徹過載曲線,掌握不同位置侵徹過載特性。設計基于姿態(tài)識別的炸點控制方法,研究彈道/起爆時機集成的控制方法。

Forestal等[43]、Frew等[44]通過對彈體過載特性試驗研究,積累了鉆地彈侵徹混凝土實測彈體過載數(shù)據(jù),將剛體過載作為重要對照參量,形成了彈體侵徹深度考核等效試驗方法。美國ARA公司提出利用155 mm火炮對侵徹引信起爆控制功能考核的等效試驗方法[45]。德國TDW公司采用縮比系數(shù)為0.5的試驗彈考核可編程智能多用途引信性能[46]。德國弗勞恩霍夫研究所[47]采用組合式混凝土靶板組成可變厚度模擬侵徹靶,可以考核侵徹引信在長脈寬、高沖擊侵徹環(huán)境中的性能。2009年桑迪亞國家實驗室介紹了引信侵徹環(huán)境模擬技術(shù)[48],如圖11所示從1985～2002年通過空氣炮、火炮、火箭撬、熱氣球投放、飛機投放等方式考核引信性能,其中基于155 mm火炮完成約 250發(fā)考核試驗。法國國防采辦局鑒定與試驗中心利用縮比彈丸和多層間隔混凝土靶板完成多層侵徹等效試驗。2012年第56屆美國引信年會提出侵徹環(huán)境等效模擬是引信性能考核驗證中亟待解決的難題[49]。2015年,德國TDW公司對比沖擊臺、跌落臺、空氣炮、火箭撬等不同g值加速度測試設施,最高可模擬數(shù)萬g的過載[50]。不同測試方法的適用范圍如圖12所示[51]。綜合考慮過載特性等效以及試驗成本、周期,火炮試驗是考核侵徹引信起爆控制性能的常用方法。從歷年美國引信年會來看,國外利用沖擊臺、霍普金森桿、空氣炮等對微機電系統(tǒng)(MEMS)加速度傳感器、觸發(fā)開關(guān)等器件響應特性開展了多次測試,而對于引信起爆控制性能主要利用火炮進行動態(tài)試驗考核,完成了多次等效試驗,通過不同厚度、間距多層靶板組合來考核考核引信功能[52],但是等效規(guī)律主要以彈體過載為參量,對于引信過載高峰值、大脈寬、多次沖擊等特性對比分析公開較少。

圖11 美國桑迪亞國家實驗室侵徹試驗情況[48]Fig.11 Penetration test at SNL[48]

圖12 不同測試方法的適用范圍[51]Fig.12 Application scope of different test methods[51]

綜上所述,國外關(guān)于侵徹引信的研究,采用試驗數(shù)據(jù)分析和理論研究方法建立經(jīng)驗公式,形成侵徹深度計算方法,通過彈體侵徹不同類型目標試驗結(jié)果對侵徹深度方法進行驗證,實現(xiàn)彈體在目標特定深度起爆控制。通過力學理論分析建立的彈靶侵徹模型,未包含彈引系統(tǒng)響應,影響了該分析模型在目標識別和炸點控制方法的適用范圍。傳感器感知的信號能夠反映彈體侵徹入靶、出靶、靶間飛行的全歷程信息,為實現(xiàn)目標內(nèi)部特定位置起爆控制提供最直接的信息,信號的真實度能夠直接影響目標識別和起爆控制的結(jié)果。傳感器感知的信號與彈體結(jié)構(gòu)、侵徹工況、目標特性等密切相關(guān),彈引系統(tǒng)的頻響特性直接影響傳感器感知的信號真實度,從而對侵徹引信目標識別產(chǎn)生影響。國外通過對加速度傳感器和彈載存儲測試系統(tǒng)的研制,分析彈體侵徹不同類型目標過載數(shù)據(jù),為硬目標侵徹起爆系統(tǒng)增加了計層、空穴識別起爆控制模式。通過從計算速度到識別過載幅頻特征的思路轉(zhuǎn)變,實現(xiàn)從目標內(nèi)部特定深度到目標內(nèi)部特定位置的起爆控制能力提升。針對傳感器過載信號與彈引系統(tǒng)響應信號疊加影響目標識別的問題,研究信號頻率特性,以提高傳感器信號對侵徹歷程的真實反映程度,同時利用目標介質(zhì)分類開關(guān)和信號處理方法以提高對目標識別能力和彈藥起爆控制能力。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2.1 侵徹過載特性

侵徹引信起爆控制系統(tǒng)主要利用高g加速度傳感器感知侵徹過載,為實現(xiàn)起爆控制提供依據(jù)。國內(nèi)對硬目標侵徹過載特性進行了大量的研究。

彈丸侵徹硬目標的過載時間歷程曲線可分為 4個階段：第1階段,彈丸頭部與目標初步接觸,錐形彈頭與目標平面相交的橫截面較小,侵徹阻力小,侵徹過載也較小;第2階段,隨著侵徹深度增加,彈體頭部與目標平面相交的橫截面不斷增大,侵徹過載迅速增大,當該橫截面的直徑與彈徑相等時,侵徹阻力接近最大值;第3階段,當彈體繼續(xù)侵徹目標,侵徹阻力的增加只是由于彈體外表面與目標的接觸面積增大而增大了摩擦力,因此侵徹過載的增大有限,逐漸達到過載峰值,當彈體以高速侵徹無限大靶體時,過載峰值對應于彈體后端面與目標表面處于同一平面時的侵徹深度,即過載在最大值附近維持較長一段時間,但對半無限和有限大靶體,侵徹過程引起的靶體崩落和碎裂使侵徹阻力迅速下降,達到過載峰值后便很快下降;第4階段,隨著侵徹程度加深,克服侵徹阻力消耗的能量越大,使彈體運動速度逐漸降低,侵徹過載卸載歸零[53]。

當彈體頭部完全侵入目標時,侵徹過載接近最大值,作用于戰(zhàn)斗部的過載[54]可以表示為

(1)

式中：amax為彈體承受的最大剛體過載;A是與彈體和目標參數(shù)相關(guān)的參數(shù),為等效參數(shù),無量綱,根據(jù)侵徹過載試驗數(shù)據(jù)采取線性回歸方法計算;L為彈體長度;v0為侵徹目標的著靶速度。侵徹過載與彈體長度、侵徹速度密切相關(guān)。該公式適用于侵徹深度小于2倍彈徑計算。

除了理論研究,國內(nèi)還針對侵徹過載特性做了很多仿真計算。侯俊超等[55]開展了試驗彈以1 200 m/s速度侵徹0.2～1.0 m厚混凝土靶板仿真計算,獲得了侵徹不同厚度靶板的彈體過載曲線。張文華等[56]開展了試驗彈以850 m/s速度侵徹強度為180 MPa的混凝土仿真計算,獲得了彈體過載曲線。高速侵徹仿真均未涉及引信過載。

國內(nèi)采用數(shù)值仿真方法建立了62 mm彈侵徹單層混凝土和鋼板的彈靶侵徹模型[57],通過仿真結(jié)果提取了侵徹不同介質(zhì)的過載特征參量。張起博等[58]開展了125 mm試驗彈斜侵徹3層含柱結(jié)構(gòu)混凝土仿真計算,獲得了侵徹剛體過載曲線。張會鎖等[59]開展了152 mm試驗彈侵徹裝甲鋼仿真計算,對比了法蘭連接和螺紋連接對侵徹剛體過載的影響。賈森清等[60]開展了火箭彈侵徹3層混凝土靶板仿真計算,獲得了不同彈體、不同速度、不同攻角侵徹引信過載曲線,對峰值過載進行了對比分析。張冬梅等[61]建立螺紋連接結(jié)構(gòu)的彈引仿真模型,開展了試驗彈侵徹強度靶仿真計算,獲得了剛體過載和螺紋結(jié)構(gòu)響應過載曲線。程祥利等[62]建立了包含引信殼體、緩沖材料、引信電路模塊以及裝藥、戰(zhàn)斗部殼體的仿真模型,開展了155 mm試驗彈侵徹3.5 m強度靶和5層混凝土靶仿真計算,獲得了剛體過載曲線和引信過載曲線,如圖13所示。與試驗彈過載相比,引信內(nèi)部過載更高,沖擊載荷由彈體到引信體進一步放大。

圖13 155 mm試驗彈侵徹強度靶和多層靶仿真曲線[62]Fig.13 Simulation curves of 155mm projectile penetrating intensity target and multi-layer target[62]

掌握目標特性是實現(xiàn)對各類結(jié)構(gòu)目標毀傷控制的基礎。國內(nèi)通常采用高g加速度傳感器感知硬目標侵徹信息,對于硬目標侵徹特性的研究主要集中在侵徹過載特性的仿真、測試和信號分析。通過仿真研究,獲得了不同彈體、不同速度、不同著靶姿態(tài)、不同目標的侵徹過載曲線。在低于1 500 m/s侵徹速度下,彈體頭部磨損較少,彈體流體形變不明顯,因此彈靶侵徹建模時將彈體假設為剛體。中低速侵徹條件下,引信過載層包絡界限清晰,彈引連接關(guān)注不多,因此仿真模型將彈體和引信體設置為一體。隨著彈引系統(tǒng)響應傳遞研究的深入,逐漸細化彈體侵徹模型,建立了含彈體、引信體、電路部件、灌封料以及螺紋連接結(jié)構(gòu)的彈靶侵徹精細模型。通過對侵徹過載分析,形成了過載上升、過載下降、過載持續(xù)時間等特征,分別對應彈體入靶、出靶、靶間飛行的侵徹歷程。

2.2 彈引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)響應

多層目標侵徹的信號成分極其復雜,這是由彈引系統(tǒng)的特點所決定的。侵徹彈引系統(tǒng)既包括彈體,還包括了引信殼體、信號控制系統(tǒng),以及灌封材料,在電路部件中還含有傳感器以及信號處理電路,組成了侵徹過載信號的感知、處理和控制系統(tǒng)。彈引系統(tǒng)的組成是一個多自由度模型。同時多層目標結(jié)構(gòu)和介質(zhì)也很復雜。

侵徹多層目標過程中信號主要包括剛體過載、彈體結(jié)構(gòu)響應過載、加速度傳感器感知過載以及其他噪聲等[30]。程祥利等[63]基于機械振動理論建立了彈靶侵徹模型,基于單自由度彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)建立了戰(zhàn)斗部一階軸向振動模型,彈靶侵徹理論公式涵蓋了戰(zhàn)斗部質(zhì)量、戰(zhàn)斗部軸向阻力、彈引系統(tǒng)疊加的混疊信號等,該模型主要研究戰(zhàn)斗部過載變化規(guī)律。

柏利[64]將彈體和引信體簡化為一邊固定、一邊自由的懸臂梁,有軸向應力波傳播(軸向振動)和橫向振動,建立了侵徹過載信號模型。由于過載信號非線性的特點,所以過載信號重構(gòu)成為當前研究過載特性的難點,基于受力分析的侵徹過載模型與彈體結(jié)構(gòu)、侵徹工況、目標特性的關(guān)聯(lián)性不夠。

傳感器采集的過載疊加了大量的振蕩信號,影響目標識別和起爆控制。相關(guān)研究分別從彈體結(jié)構(gòu)、引戰(zhàn)系統(tǒng)、傳感器響應角度對過載信號粘連的原因進行了定性分析[65-68]。李蓉等[69]根據(jù)應力波理論,提出高速侵徹時應力波沿著彈長來回傳播,形成多層侵徹過載上疊加的高頻振蕩,侵徹過載中振蕩脈沖的頻率與應力波(一維縱波)在剛體中傳播的速度呈正比,與彈長呈反比。多層目標識別的難度在于戰(zhàn)斗部穿靶之后過載卸載疊加的振蕩信號,增加了信號數(shù)據(jù)量[70]。采用信號處理的方法可以濾除振蕩信號,但是會影響計層識別的實時性和準確性。

2.3 信號感知方法

國內(nèi)利用加速度傳感器感知侵徹過載,開展了大量的研究和測試。圖14[71]為靶場試驗中彈體高速侵徹10層混凝土薄靶板時,加速度傳感器感受到的引信過載信號。彈體侵徹高強度目標的過載峰值可達到19.24萬g,脈寬1.2 ms[72]。

圖14 侵徹10層混凝土侵徹過載曲線[71]Fig.14 Overload curve of projectile penetrating 10-layer concrete[71]

滿曉飛等[73]采用慣性開關(guān)作為探測器件,獲得了彈體以761 m/s侵徹3 m厚C30混凝土的開關(guān)響應曲線。當過載波動速率超過慣性開關(guān)響應速度,導致慣性開關(guān)響應不及時。需要根據(jù)過載頻率特性,設計器件結(jié)構(gòu),研究器件在高速侵徹時的即時響應機理,掌握無振蕩平滑信號輸出規(guī)律。

信號探測器件感知的信號清晰與目標類型、強度、彈體特征等因素相關(guān),需研究加速度傳感器、慣性開關(guān)在高速、短間距、大長徑比侵徹條件下的性能測試和對比分析,提高信號對侵徹入靶、出靶、靶間飛行的準確響應,實現(xiàn)在單層或多次沖擊下的信息探測與侵徹狀態(tài)識別。

通過對國外侵徹曲線和國內(nèi)試驗曲線對比,國外侵徹試驗曲線包絡清晰,雖然侵徹著靶速度低,但是靶間距也相應較短。在同等靶間飛行時間內(nèi),國外侵徹試驗曲線比國內(nèi)試驗曲線剛體過載特征顯著,振蕩信號疊加少,對于0.2 m厚度和0.5 m間隔的混凝土具有良好的辨識。國外通過多年的侵徹基礎理論研究、彈體侵徹試驗研究和傳感器技術(shù)研究,能夠根據(jù)目標介質(zhì)屬性和過載時頻特性,設計和使用加速度傳感器、目標介質(zhì)分類開關(guān)等信號探測器件。國內(nèi)信號探測器件應充分考慮適應復雜目標結(jié)構(gòu),根據(jù)信號時頻特征設計相應的專用傳感器,研究器件的組合方式和布置方法。

2.4 信號處理方法

20世紀90年代以前,國內(nèi)侵徹引信多為固定延時引信,僅具有單一的延期作用,手工裝定,采用固定延期時間。隨后,國內(nèi)開始研制具有可調(diào)延時功能的引信,以及具有可編程裝定功能的侵徹引信[74]。目前侵徹引信多層目標識別一般是利用加速度傳感器進行穿層信息感知,采用信號處理的方法對粘連過載濾波提取平滑信號包絡,進行計層識別。

部分研究通過對侵徹過載頻譜分析,結(jié)合彈體模態(tài)分析,分析過載特性,選擇濾波截止頻率,濾波后的信號作為剛體過載。范錦彪等[75]提出選擇信號處理濾波截止頻率的原則。郝慧艷等[76]采取基于提升小波變換的方法,從粘連過載中分離信號的低頻成分,對預處理信號計算短時能量和特征強化,提取信號幅值陡變特征來識別侵徹混凝土目標層數(shù)信息。王杰等[71]采用基于小波系數(shù)的粘連信號穿層特征提取方法,完成對10層侵徹粘連過載信號處理。

傳統(tǒng)的計層起爆控制方法利用侵徹過載的時頻特征來識別目標層[77-79]。信號處理后過載量值發(fā)生變化,特征參數(shù)選擇不當,會影響計層識別的準確性。信號處理后的信號特征參數(shù)選擇成為準確識別目標層的又一難題。

針對多層侵徹過載粘連信號成分復雜、信號處理方法運算量大影響實時識別的問題,張海濤等[80]對信號探測器件二次封裝,利用應力波特性實現(xiàn)機械濾波。董靈飛等[81]提出利用材料組合實現(xiàn)濾波,凸顯層特征的方法。材料濾波方法需要研究濾波材料的特性、組合方式、布置位置對侵徹過載時頻的影響,掌握材料特性影響信號特征的規(guī)律。

綜上所述,國內(nèi)開展了匹配濾波、小波分析、機械濾波等多種處理方法研究,利用特定工況侵徹仿真數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)開展驗證,其信號處理參數(shù)和時頻過載特征參數(shù)設定均依賴特定條件,對不同侵徹條件、不同類型目標、不同戰(zhàn)斗部、不同引信的信號處理的實時性、準確性和適應性有待進一步驗證和評估。

2.5 起爆控制方法

2.5.1 計層起爆控制

在侵徹多層硬目標過程中,彈體侵徹每層靶板產(chǎn)生過載信號,信號特征隨著每層目標特征以及彈體剩余動能而變化。過載信號經(jīng)過處理后進行過載特征提取和強化,根據(jù)過載特征進行計層識別。對于固定彈形、特定侵徹條件,計層參數(shù)根據(jù)大量先驗數(shù)據(jù)的對比分析來確定[82]。僅依賴單一特征會影響層識別準確性,如高速侵徹低強度目標和低速侵徹高強度目標,過載峰值一致,而過載脈寬不同,需要根據(jù)彈體結(jié)構(gòu)、侵徹工況、目標特性確定計層起爆控制方法具體參數(shù)。

不同類型的硬目標的層結(jié)構(gòu)差異較大,為避免層間結(jié)構(gòu)復雜造成層誤識別,采用定時器進行閉鎖控制的方法,在實踐中得到了多次應用驗證。但是定時器閉鎖時間需要根據(jù)戰(zhàn)斗部侵徹速度和目標結(jié)構(gòu)參數(shù)提前設定。由于不同侵徹工況都會影響閉鎖時間的設定,所以采用定時器閉鎖方法一般適用于目標結(jié)構(gòu)、侵徹速度已知條件的侵徹起爆控制,對于復雜結(jié)構(gòu)目標適應性不足[83-85]。

侵徹引信起爆控制系統(tǒng)主要利用閾值判別對處理后的信號進行目標識別和起爆控制,因此閾值設定成為影響起爆控制準確性的重要因素[86]。引信對多層目標的層識別算法一般采用固定閾值或者多閾值。針對變結(jié)構(gòu)目標識別控制,提出動態(tài)閾值侵徹引信層目標識別方法[87-89]。動態(tài)閾值方法需要利用彈體初速度、目標厚度、層間距離、侵徹姿態(tài)、目標材質(zhì)等先驗信息,同時多次峰值對比增加了信號處理量,因此對于各類目標的適應性有待驗證。

房安琪等[90]針對多層目標信號處理方法依賴先驗參數(shù)的問題,提出基于數(shù)據(jù)增強的侵徹引信準確層識別神經(jīng)網(wǎng)絡方法。該方法針對粘連過載特征構(gòu)建全連接神經(jīng)網(wǎng)絡模型,使用數(shù)據(jù)增強后的數(shù)據(jù)集進行學習與訓練,自主認知戰(zhàn)斗部侵徹多層硬目標的過程,自適應調(diào)整模型參數(shù)。

相對于單一信號識別方法造成的計層誤差,利用慣性開關(guān)、加速度傳感器融合方法提高起爆控制精度[91-92],但是需要根據(jù)仿真和試驗情況確定復合信號加權(quán)值。

針對高速侵徹多層目標信號粘連處理數(shù)據(jù)處理量大的問題,采用新型探測原理,利用壓電加速度傳感器[93-94]、電渦流傳感器、電容式傳感器[95-96]、磁傳感器[97]來獲取多層目標穿層信息,抑制信號粘連,是解決侵徹過載信號粘連的另一條途徑。

目前的侵徹引信起爆控制系統(tǒng)是一種動態(tài)開環(huán)控制系統(tǒng),利用有時機約束的采樣信息修正控制系統(tǒng)模型,控制起爆輸出的時機[98]。侵徹引信起爆控制模型解算的核心參數(shù)為控制時機。文獻[87-88]提出自適應閾值方法,修正控制模型參數(shù),從而控制起爆輸出時機。在開環(huán)控制系統(tǒng)引入模型預測控制方法,利用輸出結(jié)果動態(tài)更新控制模型,實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制,能夠提高系統(tǒng)控制的可靠度。閉環(huán)控制系統(tǒng)可應用于彈體姿態(tài)識別起爆控制。文獻[99-101]利用侵徹過載解算速度和姿態(tài),更新后反饋至系統(tǒng)輸入,形成控制模型的閉環(huán)回路,在彈體侵徹姿態(tài)不佳時輸出即時起爆信號,實現(xiàn)起爆模式、起爆時機的集成控制,避免彈體偏轉(zhuǎn)、跳飛影響毀傷效果,根據(jù)彈體速度、角度實現(xiàn)起爆的模型均可采用此種方法。閉環(huán)控制系統(tǒng)還可用于自適應起爆控制方法,在基于神經(jīng)網(wǎng)絡的自適應起爆控制方法中,根據(jù)信息的正向傳遞和誤差反向傳播,不斷調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡的權(quán)值和閾值,自適應調(diào)整模型參數(shù)[102]。閉環(huán)控制需要研究誤差補償方法,開發(fā)高性能微控制器對控制模型實時優(yōu)化。

2.5.2 空穴識別起爆控制

空穴識別主要針對單層厚目標,根據(jù)侵徹單層厚目標的過載曲線識別彈體侵徹目標的過程,并控制戰(zhàn)斗部在出靶后起爆?？昭ㄗR別過程包括4個階段：第1階段,彈體侵入目標,侵徹過載快速上升;第2階段,戰(zhàn)斗部在目標中行進,過載達到峰值,侵徹過載振蕩整理;第3階段,彈體貫穿目標,侵徹過載振蕩下降卸載;第4階段,侵出目標延時一定時間,彈體起爆?？刹捎眠^載信號的上升沿、下降沿分別作為彈體侵入、侵出靶體的標志。閾值根據(jù)目標強度、傳感器靈敏度來設定,對于特定彈形、確定的侵徹條件下,參數(shù)值可以根據(jù)大量先驗數(shù)據(jù)的對比分析確定。達到觸發(fā)閾值后,可來采用多個采樣周期采樣值綜合判斷滿足入靶/出靶條件?；谶^載特征的空穴識別起爆控制流程如圖15所示。

圖15 空穴識別起爆控制流程Fig.15 Void sensing initiation control flow

空穴識別起爆控制是對侵徹過載信號進行積分得到出靶時的速度衰減量,通過控制靶后延時起爆時間,來控制靶后起爆距離。為降低入靶識別帶來的炸點控制誤差,采用慣性開關(guān)來實現(xiàn)碰靶識別。由于侵徹彈藥出靶速度、出靶位置與空穴識別起爆控制方法計算的出靶位置、侵徹速度可能存在偏差,從而導致靶后起爆距離出現(xiàn)偏差,影響戰(zhàn)斗部的毀傷效果。

針對過載信號疊加振蕩信號影響空穴識別的問題,根據(jù)信號自相關(guān)原理,對侵徹過載信號自乘實現(xiàn)調(diào)頻脈沖壓縮,通過低通濾波提取平滑侵徹信號包絡[103]。

國內(nèi)空穴識別起爆控制主要關(guān)注靶后炸點控制的準確性。國外持續(xù)開展6萬g過載條件下的器件測試和仿真計算,對于引信相關(guān)的要求側(cè)重于保證長歷程工作可靠性,主要關(guān)注彈體的侵徹能力,根據(jù)彈體過載測試結(jié)果和理論研究總結(jié)侵徹深度經(jīng)驗公式。這一點是國內(nèi)外對厚目標空穴識別研究的差異。

為適應不同彈藥、目標、工況,起爆控制系統(tǒng)需要具有一定的自適應起爆控制能力。目前自適應起爆控制包括以下3種方法：一是自主認知戰(zhàn)斗部侵徹多層硬目標的過程,調(diào)整模型參數(shù);二是根據(jù)侵徹速度和靶板厚度,靶后延時起爆時間控制靶后起爆距離,實現(xiàn)對厚目標自適應;三是根據(jù)先驗知識和實時采樣數(shù)據(jù),自主調(diào)整侵徹過載閾值,實現(xiàn)對厚目標自適應。第2種和第3種方法均是根據(jù)先驗信息來確定起爆控制參數(shù)調(diào)整范圍。第1種方法依據(jù)過載特征構(gòu)建模型,不依賴先驗參數(shù),適應范圍更廣。

2.5.3 起爆控制驗證等效模擬方法與驗證

侵徹引信起爆控制考核驗證方法包括實驗室測試和外場動態(tài)試驗方法。在實驗室測試,可采用半實物仿真方法對引信計層、空穴識別準確度進行考核,但是半實物仿真方法需要基于實測或仿真數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源,測試過程為靜態(tài)測試。產(chǎn)生等效引信過載特征的模擬侵徹環(huán)境,對于引信起爆控制功能考核至關(guān)重要。國內(nèi)研究利用霍普金森桿、空氣炮等設備模擬單次、多次高沖擊加載過程。陳剛等[104]、楊喆等[105]利用霍普金森桿分別開展單次高沖擊、多次沖擊過載加載模擬測試,但是基于霍普金森桿的模擬測試信號幅值及規(guī)律與實際侵徹過載特征差異較大,且霍普金森桿負載能力較小。聶少云等[106]提出一種利用加速跌落產(chǎn)生多次沖擊的加載方法,由于沖擊過程中試驗件速度衰減、靶板塑性形變以及靶板撞擊等因素影響,使得加載沖擊幅值、脈寬等特征模擬加載可控難度很大,多次沖擊信號一致性偏低。方幸[107]提出一種利用空氣炮產(chǎn)生高沖擊的方法,測試結(jié)果脈寬不足1 ms。南京理工大學提出一種多次沖擊模擬加載方法,可實現(xiàn)多次沖擊間隔、幅值可調(diào)[108]。中國工程物理研究院提出一種利用爆炸沖擊模擬高過載加載的方法[109],可實現(xiàn)模擬過載峰值3萬g,持續(xù)時間1.5 ms。目前的過載等效加載技術(shù)均利用試驗裝置和被測件之間的撞擊或沖擊產(chǎn)生高過載,依靠加載系統(tǒng)運動特性調(diào)節(jié)參數(shù)實現(xiàn)過載特征可調(diào)可控,存在多次沖擊波形一致性不足、加載試驗件質(zhì)量小等問題。

動態(tài)試驗是在模擬真實侵徹環(huán)境中對引信起爆控制功能考核驗證的常用方法。引信起爆控制功能動態(tài)考核方法有火炮試驗、平衡炮試驗、火箭撬試驗等。由于受到試驗條件和成本的制約,等效試驗成為研究引信起爆控制性能的重要方法。在等效試驗中,被測品為原型件,如何構(gòu)建等效模擬原型彈侵徹過載環(huán)境,使得等效試驗彈和原型彈過載特征保持一致,成為等效模擬方法設計的重點。國內(nèi)對彈體侵徹混凝土靶開展了大量研究,但是試驗彈尺寸、重量較小,對于大尺寸彈體侵徹多層混凝土的等效試驗研究不足。李美亞等[110]提出一種降低靶板強度、維持彈體特征參數(shù)不變的等效試驗彈模擬原型彈縮比侵徹試驗方法,但是過載脈寬特征與原型彈相差較大。劉源等[111]提出一種非等比例縮比侵徹/貫穿相似規(guī)律,調(diào)整等效試驗彈縮比系數(shù),實現(xiàn)等效試驗彈體剛體過載峰值和脈寬覆蓋1 200 kg級原型彈,但是對于引信過載特征等效模擬還有待研究。

侵徹等效模擬技術(shù)研究經(jīng)歷彈體侵徹能力等效、彈體過載等效、引信過載等效3個階段。國內(nèi)外前期圍繞彈體侵徹能力等效驗證,以侵徹深度為參量,開展了大量理論研究和試驗測試,形成了彈體侵徹深度的經(jīng)驗公式,指導等效模擬試驗測試。在掌握彈體過載特性的基礎上研究過載等效模擬試驗方法。引信等效模擬的核心是侵徹過載特征的等效。國內(nèi)通過對靶板、彈體參量控制,來研究侵引信過載特征等效模擬方法。考慮到等效模擬的尺度效應、彈引響應傳遞、引信過載非平穩(wěn)隨機特性,需要結(jié)合具體彈體、靶板、工況確定等效試驗縮比系數(shù),形成等效模擬試驗系統(tǒng)與原型彈之間的近似等效模擬規(guī)律,對侵徹引信起爆控制系統(tǒng)功能驗證。

3 技術(shù)展望

3.1 復合傳感與信息融合

國外通過彈引響應傳遞研究、傳感器頻響特性研究,結(jié)合濾波算法,實現(xiàn)對硬目標侵徹過程的準確響應,開發(fā)新型探測器件識別目標介質(zhì)類型以及空穴,考慮了目標類型、侵徹工況對傳感器感知信號的影響。目前國內(nèi)采用加速度傳感器和慣性開關(guān)響應高沖擊,感知彈體侵徹力學信息。硬目標信號探測過程不僅承受高過載,還受到應力波、熱和電磁等多物理場強干擾。提高對目標信息的感知能力是實現(xiàn)目標探測的前提,除了力學參數(shù),侵徹過程中的溫度[112]、磁場[113]也可以作為感知侵徹過程信息的參數(shù),根據(jù)侵徹過載幅頻特征研制專用傳感器,抑制穿靶后振動,為解決信號粘連問題提供新的途徑。新傳感原理需要研究新型探測信號與彈體結(jié)構(gòu)、目標類型、侵徹工況之間的關(guān)系,減少信號處理的數(shù)據(jù)量,提高信號處理實時性和可測性。

提高對復合傳感信息的處理能力是實現(xiàn)侵徹引信適應不同類型目標毀傷控制的保證。目前利用加速度傳感器進行目標信息探測,所獲得的信息單一,且信號疊加了大量的噪聲信號,限制了其在不同場合下的適用性。隨著戰(zhàn)場環(huán)境的日益復雜和作戰(zhàn)區(qū)域的不斷擴大,目標也越來越復雜,需要研究傳感器陣列以及不同類型的傳感器組合,獲得多類型的目標信息,從而為引信起爆戰(zhàn)斗部提供可靠的信號。開發(fā)多傳感器帶反饋融合算法,利用輸出結(jié)果動態(tài)更新閉環(huán)控制模型,不僅通過誤差補償調(diào)整控制模型參數(shù),而且實現(xiàn)信號采樣頻率、采樣通道的可變控制,根據(jù)融合結(jié)果實現(xiàn)起爆模式、起爆時機的集成控制,提高起爆控制可靠度。

3.2 信號快速處理技術(shù)

在打擊同類型目標時,侵徹速度越高,侵徹時間歷程越短,起爆控制系統(tǒng)所能采集和處理的信息量減少。而傳感器陣列以及不同類型的傳感器組合,則增加了信息處理的數(shù)據(jù)量。各類不同的信號感知方法與信號處理實時性、目標識別準確性之間的矛盾日益突出,如何利用有限的信息實現(xiàn)對彈體侵徹硬目標狀態(tài)的快速識別和起爆控制是目前尚待解決的難題。國外通過理論研究建立彈體侵徹模型,采用濾波算法提高對于目標的辨識能力。國內(nèi)應加強侵徹硬目標基礎研究,掌握高速侵徹硬目標理論模型、過載特性和彈引系統(tǒng)響應傳遞函數(shù),研究多物理場信號產(chǎn)生的機理與信號快速處理方法,形成基于模型驅(qū)動的起爆控制方法。

3.3 集成化分布式系統(tǒng)

安全控制系統(tǒng)和起爆控制系統(tǒng)是組成侵徹引信的兩個主要模塊。國外已經(jīng)開展了安全控制系統(tǒng)的集成化設計,以及MEMS傳感器和觸發(fā)、延時起爆控制系統(tǒng)的集成化設計,并致力于模塊的通用化[114]。開展起爆控制系統(tǒng)集成化研究,在彈體內(nèi)部多點布置,形成集成化分布式系統(tǒng),以柔性狀態(tài)與彈體結(jié)構(gòu)同形設計,優(yōu)化彈引之間的剛性連接方式,避免彈引系統(tǒng)連接引入的混疊信號對起爆控制的影響,減少信號處理量,提高對高著速的適應性。同時分布式系統(tǒng)可以組成多重冗余系統(tǒng)保證可靠性,也可以各自實現(xiàn)獨立功能,在單位體積內(nèi)布置更多的起爆控制單元,提高起爆控制系統(tǒng)功能密集度,提升引信的智能化水平。

4 結(jié)論

本文按照硬目標侵徹起爆控制過程,綜述了信號感知、信號處理與起爆控制方法的發(fā)展現(xiàn)狀;分析侵徹過載信號組成、特征、響應傳遞的理論成果;總結(jié)基于過載時頻特征的混疊信號處理、特征提取和特征強化方法;概述新型探測器件、濾波材料和自適應算法及數(shù)值仿真的研究現(xiàn)狀。

國外侵徹引信起爆控制技術(shù)的研究經(jīng)歷了計時、計深度、空穴識別/計層起爆模式的發(fā)展階段,在前期通過大量彈體侵徹試驗總結(jié)了經(jīng)驗公式,來滿足深侵徹起爆控制需求。后期為滿足復雜目標的起爆控制需求,開展了目標特性和信號處理相關(guān)的器件研制、算法研究及測試試驗。掌握目標特性是滿足侵徹彈藥打擊不同結(jié)構(gòu)目標毀傷能力的基礎。國內(nèi)對侵徹過載特性展開了大量的理論研究和仿真計算,采用匹配濾波、小波分析、機械濾波等多種方法開展了侵徹粘連過載信號處理,并開展了非力學傳感器信號感知和信號處理方法研究。對特定彈體結(jié)構(gòu)、侵徹工況、目標類型約束的起爆控制方法開展研究,所形成的成果在工程上具有一定的適應性,且根據(jù)不斷變化的侵徹條件提出了新器件、算法方面的改進設計。

目前的目標特性研究成果以及基于過載特性的起爆控制方法在面對日益增長的侵徹彈藥需求變化適應性仍顯不足。本文通過對過載特性、信號感知、信號處理、起爆控制研究現(xiàn)狀的分析,得出以下主要結(jié)論：

侵徹過載特性的理論研究和數(shù)值仿真主要是從彈體受力方面進行分析,未來還應關(guān)注彈引響應傳遞規(guī)律,研究彈體結(jié)構(gòu)、目標特性、侵徹工況對過載特征的影響,形成過載信號重構(gòu)方法。

目前采用器件、算法、材料等多種方法抑制粘連過載。由于侵徹過載信號的復雜性,還應關(guān)注高速度對信號處理的要求,研究多物理場信號產(chǎn)生的機理與處理方法、信息融合方法。

起爆控制策略制定受到彈體結(jié)構(gòu)、目標特性、侵徹工況多條件約束,可以參考基于經(jīng)驗公式的計深度起爆控制方法,開展基于模型驅(qū)動的起爆控制策略研究,自主認知戰(zhàn)斗部侵徹多層硬目標過程,形成適應范圍更廣泛的起爆控制方法。