基于電容傳感器的電容近炸引信炸高散布研究*

于 靜，孔 敏，王冬梅

（1．海軍航空工程學院 指揮系，山東煙臺 264001;2．北京衛(wèi)星導航中心，北京100094;3．海軍航空工程學院控制工程系，山東煙臺 264001）

0 引言

近炸引信被譽為二戰(zhàn)的四大發(fā)明之一，自誕生以來在歷次戰(zhàn)爭中都顯示出了強大的威力，它的出現(xiàn)使彈藥對目標的殺傷效能提高了數(shù)倍甚至數(shù)十倍。同時，引信作為目標探測系統(tǒng)，現(xiàn)代電子對抗要求其盡量采用無源技術(shù)，以避免為敵方提供穩(wěn)健的定位信息源［1］。由于工作不依靠電磁波，電容引信能同時滿足近炸和無源的要求，抗干擾能力強，是滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭要求的一種最佳目標探測系統(tǒng)［2］。

引信的炸高散布包括2個方面:一是探測不同目標時的炸高分布;二是不同彈目交會條件下的炸高分布［7］。英國馬克尼公司曾對電容近炸引信探測不同目標的炸高散布進行了實測，目標從軟雪、冰、干砂、混凝土、農(nóng)田到水［8］，實驗證明:電容引信對幾種目標的炸高最大最小值僅相差27%左右，散布小。由于電容近炸引信的探測區(qū)域是一準靜電場［9］，因此，本文將從準靜電場的分布特征研究不同彈目交會條件下，電容近炸引信的炸高散布。

1 電容近炸引信工作原理

基于電容傳感原理［3］的電容近炸引信作用原理如圖1所示，A，D為2個相互絕緣的探測電極（D通常為彈體），T為目標，Cat，Cdt為2個電極與目標間的電容，Cad為兩電極之間的固有結(jié)構(gòu)電容。當引信探測器遠離目標時，Cat，Cdt可忽略，隨著引信探測器與目標距離的不斷接近，電極與目標間的電容Cat，Cdt逐漸增加，于是兩電極間的總電容必然隨之增加，其增加量為ΔC=CatCdt/（Cat+Cdt），電容近炸引信就是依靠檢測該電容變化信息［4～6］實現(xiàn)識別目標和炸點控制。

圖1 電容近炸引信工作原理Fig 1 Operating principle of capacitance proximity fuze

2 準靜電探測場的場強分布函數(shù)

文獻［9］有如下結(jié)論:作為電容引信探測器電極之一的彈體上的電荷主要集中在前半段，且彈體與前電極之間的距離越小，彈體上的等效電荷點越靠近前端。為使電容引信工作于準靜電場，其工作頻率一般選在幾兆左右，這決定了探測器電極上主要載流部分的尺寸遠小于探測空間的波長λ，因此，可以從靜態(tài)電偶極子的角度來討論電容近炸引信探測區(qū)域的場強分布。

假定兩探測電極A，D上所帶的電荷量分別為Qa和Qd，Pa，Pd分別為其等效電荷集中點，令Qa=Q，則Qd=－Q。因此，可以將A，D兩電極簡化為一對電偶極子，在球坐標（r，θ，φ）中，取電偶極子的軸與z軸重合，電偶極子的中心為坐標原點，如圖2，則空間內(nèi)任一點P的電位為

式中 εe為探測環(huán)境的電容率;ra為場點P與點Pa的距離;rd為場點P與點Pd的距離。

圖2 簡化的靜態(tài)電偶極子Fig 2 Simplified static electric dipole

將式（4）與式（5）兩端同除后代入式（1）得

根據(jù)球坐標下梯度和靜電場場強的表達式

則由式（6），（7），（8）可得P點的場強為

場強EP的模為

3 電容近炸引信的探測方向圖

式（9）描述了電容引信在起爆戰(zhàn)斗部前探測空間內(nèi)電場強度的分布規(guī)律，從中可以看出:

1）在球坐標（r，θ，φ）下，場強EP與 φ 無關(guān)，具有等r，θ條件下各向同性的特征。

2）在 θ=π/2處，歸一化場強方向函數(shù)F（θ，φ）=1，即在垂直于彈軸的徑向（z=c）上，若只考慮大小，電容近炸引信的徑向場強方向圖是一個圓，如圖3所示。

圖3 垂直彈軸的徑向方向圖Fig 3 Radial orientational pattern of vertical bomb axis

圖4 φ=0°時的軸向方向圖Fig 4 Axial orientational pattern when φ =0°

由上分析可以得出:電容近炸引信的等場強探測方向圖近似為一個橢球，長短半軸相差約20%。

4 仿真分析

根據(jù)前文的假設(shè)，將探測電極A，D簡化為電偶極子對，所帶電量分別為+Q和－Q，A，D間等效間距為de。假定探測大地目標，探測環(huán)境為自由空間，彈丸落角為θ，那么，探測電極電荷及其鏡像電荷關(guān)系如圖5所示。

圖5 探測電極與鏡像電荷關(guān)系圖Fig 5 Relationship between detection electrodes and image charges

由于彈目交會時間甚短，電極電荷認為不變，那么，可以假定探測器兩電極為一孤立電容器，顯然

將上式展開并忽略高階差分量ΔCadΔUad，則有

當彈丸遠離目標時，A，D兩電極間的電位差為

當彈丸遇目標時，根據(jù)鏡像原理，且dd=da+desin θ，則有

因此，可得

對不同落角下兩探測電極間的相對電容變化情況進行仿真。為使仿真結(jié)果更清楚直觀，采用對數(shù)坐標，如圖6所示，圖中2條曲線分別為0°落角和90°落角2種典型情況，而落角介于（0°，90°）之間的曲線在這2條曲線之間，由仿真結(jié)果可以得出:探測對地目標，落角θ在0°～90°之間變化時，在炸高大于電極等效間距的探測空間內(nèi)極間電容變化差小于20%，與研究分析所得探測方向圖為長短半軸相差20%的橢球結(jié)論基本一致。研究分析與仿真結(jié)果表明:不同彈目交會條件下電容引信探測場的方向性較均勻，其炸高受彈目交會姿態(tài)的影響較小，故對地目標具有恒炸高特性，可在彈丸落角很小的情況下正常作用，克服了觸發(fā)引信的跳彈問題。

圖6 落角為0°和90°的極間電容變化Fig 6 Change of interelectrode capacitance with falling angle 0°and 90°

5 結(jié)論

本文研究表明:電容近炸引信由于其工作的靜電場不輻射，能量不是集中于某個方向，而是在探測電極周圍呈長短半軸約相差20%的橢球形分布，因而，當與目標不同交會時，目標信號變化不大，所以，它具有不同交會條件下炸高散布小的優(yōu)點，從體制上說具有無可比擬的優(yōu)越性。

［1］ 崔奉云．基于電容近感原理的無源探測信號分析［J］．電子科技大學學報，2002，31（6）:562 －565．

［2］ 郝曉輝．旋轉(zhuǎn)彈丸短路軸向式靜電探測器探測性能［J］．兵工學報，2009，30（3）:415 －418．

［3］ 黃 玉．微位移電容傳感電路的噪聲分析與實驗研究［J］．傳感技術(shù)學報，2008，21（10）:1713 －1716．

［4］ 于玉亭．電容探測器性能改進研究［D］．北京:北京理工大學，2008．

［5］ 倪 亮．主動式靜電探測研究［D］．北京:北京理工大學，2008．

［6］ 張 鑫，崔占忠，徐立新．主動式靜電引信電場分析［J］．儀器儀表學報，2011，32（8）:1989 －1902．

［7］ 孫常林．精確定距電容近炸引信電路設(shè)計的研究［D］．北京:北京理工大學，2006．

［8］ Gerben Willem De Jong．Smart capacitive sensors［D］．Delft:Delft University，1994．

［9］ 鄧甲昊．電容近程目標探測技術(shù)理論研究［D］．北京:北京理工大學，1998．

［10］ Guru Bhag Singh，Hiziroglu Hüseyin R．電磁場與電磁波［M］．周克定，等，譯．2版．北京:機械工業(yè)出版社，2006．