一種可應用于智能地雷的掃描方式分析研究*

張永生，李引良，張培峻，仝 飛

(中國兵器工業第203研究所，西安 710065)

0 引言

智能地雷武器系統是一種集成了預警識別、定位跟蹤、彈藥發射、彈體姿態控制、穩態掃描、復合敏感器識別、EFP攻擊等技術，在一定距離范圍內能夠自動探測并攻擊運動的坦克和裝甲戰斗車輛目標的新型自主式防御型武器系統［1，4］。

國外典型的智能雷裝備有:美國的M93式廣域地雷(又稱“大黃蜂”廣域彈藥WAM)、法國“瑪扎克(MAZAC)”聲控增程反裝甲地雷、俄羅斯“速度-30”掠飛攻頂反坦克地雷、德國的ADW智能雷和美國的未來型智能彈藥系統IMS［1］。每種裝備在探測方式、穩態掃描方式、毀傷戰斗部和系統作用流程各方面均有所不同。

掃描方式是智能地雷系統設計的關鍵因素之一。對武器系統的防御范圍、交會概率、作用流程和作戰效能均有顯著的影響。文中概述了國外典型產品的主要掃描方式，重點對垂直發射掃描方式進行了分析研究。建立了該掃描方式的運動模型，采用模擬仿真的方法對影響交會概率的各種因素進行了計算分析。

1 智能地雷的掃描方式

1.1 擲鐵餅方式

子彈藥在以一定角度向目標區域上空斜向拋出的同時，始終保持攻擊面向下的姿態并高速旋轉。子彈藥在拋物線彈道上，邊飛行邊掃描，在地面形成一個類似拉開的彈簧形狀的、相互交疊的螺旋掃描線(如圖1所示)。美國第一代M93“大黃蜂”廣域地雷即采用這種作用方式［1，5］。

圖1 “擲鐵餅方式”示意圖

1.2 側拋吊籃方式

子彈藥以一定角度向目標區域上空斜向拋出，在彈道最高點打開一個小型減速傘。在減速傘作用下，子彈藥一邊緩慢下降，一邊掃描搜索目標，在地面形成一個由大到小的阿基米德螺旋線 (如圖2所示)。德國ADW智能雷即采用這種作用方式［1，5］。

圖2 “側拋吊籃方式”示意圖

1.3 垂直上拋方式

子彈藥從地面垂直向上拋出，子彈藥上的傳感器在上升過程中，一邊擺動旋轉、一邊掃描目標，在地面形成一個由小到大的阿基米德螺旋線(如圖3所示)。美國正在研究的未來型智能彈藥系統(IMS)就采用這種作用方式［1］。

圖3 “垂直上拋方式”示意圖

上述幾種作用方式，在技術上各有特色。文中主要對垂直上拋方式掃描作用方式的運動軌跡進行分析研究。

2 運動軌跡模型的建立和計算分析

2.1 垂直發射掃描運動方式

垂直發射掃描運動方式的特點是:當目標進入攻擊范圍后，垂直發射子彈藥。子彈藥在勻速上升的過程中繞子彈旋轉軸勻速旋轉。彈上的敏感器對地面形成自內向外的螺旋式掃描。一旦掃描到目標，起爆戰斗部從頂部對目標進行攻擊(如圖3所示)。

2.2 建立模型

2.2.1 掃描參數設計

為保證武器系統不會漏掃到目標且能使敏感器在目標上停留足夠長的時間并成功識別目標，必須匹配好轉速ω、上升速度v和掃描角θ之間的關系，才能使地面掃描螺線的間距小于目標寬度與轉動一圈時間所遠離武器系統的最大距離之差的一半，以保證對在掃描區域內的目標至少能掃描到兩次。

設目標運動速度為Vm，目標尺寸為l×b，敏感子彈上升速度為v，轉速為ω，敏感器與旋轉軸夾角為θ，掃描螺距L的取值應滿足:

其中:

2.2.2 掃描方式的運動方程

如圖3中建立的坐標系。在無風的情況下，垂直發射掃描時掃描螺線中心坐標為發射點的x、z坐標(xc，zc)。當有風時，子彈將隨風飄移，掃描螺線中心的坐標將隨之發生變化。由于垂直發射掃描方式是一種無傘掃描方式(區別有傘掃描方式)，子彈的阻力面很小，并且掃描過程持續時間很短，可近似認為子彈在水平方向上沒有飄移。因此，掃描螺線的中心坐標為(xc，zc)。

垂直發射掃描方式的運動方程由垂直勻速上升的運動方程和繞子彈旋轉軸的旋轉運動方程組成。

垂直上升運動方程:

式中:y為上升距離;v為上升速度;t為飛行時間。

旋轉運動方程:

式中:β為任意時刻的掃描角度;ω為掃描頻率(轉速);t為任意時刻時間。

如果穩態掃描的起始高度為H0，起始時間為t0，則在掃描線上A點的坐標為［2-3］:

2.3 交會概率影響因素計算分析

2.3.1 計算條件

假設戰斗部的最大作用距離為100 m，穩態掃描角 θ=30°［2］，子彈藥從發射后飛行 0.2 s內進入穩態掃描狀態。

在式(5)中，Δθ、f為滿足正態分布的隨機變量，α0、β0為滿足均勻分布的隨機變量，不考慮掃描角的擺動頻率和擺動幅度對交會概率的影響，僅對影響交會概率的主要因素進行了模擬計算。子彈藥的其他變量取值如下:

旋轉轉速:4、6、8、10、12 r/s;

垂直勻速上升速度:8、10、12、14、16、18、20 m/s;

地面目標運動速度:0、10、20、30、40、50、60 km/h;

空中目標運動速度:200、250、300 km/h;

目標運動模型:勻速直線運動。

采用蒙特卡洛法產生正態分布及均勻分布的偽隨機數，并將每次生成的一組隨機數代入式(3)即可模擬垂直發射掃描時掃描線上的點是否與目標交會。

2.3.2 勻速上升速度對交會概率的影響

圖4 勻速上升速度對交會概率的影響

從圖4中可以看出，隨著勻速上升速度的增加，當勻速上升速度大于14 m/s、勻速上升速度與穩態轉速之比大于3.5時，交會概率小于95%;隨著勻速上升速度與穩態旋轉速度之比的逐漸增加，交會概率逐漸減小，當比值等于3時，交會概率為96.2%。說明當勻速上升速度與穩態旋轉速度之比小于3時，勻速上升速度對交會概率的變化幾乎無影響。根據式(2)，掃描螺距 L=(v/ω)·tan θ，v/ω =3，θ=30°，則掃描螺距L=1.732 m小于目標尺寸b/2，顯然能夠保證對在掃描區域內的目標至少能掃描到兩次。

2.3.3 航路捷徑對交會概率的影響

從圖5中可以看出，當航路捷徑等于50 m時，交會概率等于0。穩態旋轉速度大于6 r/s、勻速上升速度16 m/s、航路捷徑小于 50 m時，交會概率大于95%。

圖5 不同航路捷徑對交會概率的影響

2.3.4 目標運動速度對交會概率的影響

圖6 目標運動速度對交會概率的影響

從圖6可以看出，當穩態旋轉速度大于6 r/s時，隨著目標運動速度的增加，對交會概率的影響很小。

2.3.5 對空中目標的交會概率

圖7 勻速上升速度對交會概率的影響

從圖7中可以看出，當目標航路捷徑等于5 m、目標運動速度300 km/h、穩態旋轉速度大于8 r/s時，穩態勻速上升速度對交會概率幾乎無影響。

2.3.6 結果分析

從計算結果可以看出:

1)隨著勻速上升速度與穩態旋轉速度之比的增加，掃描螺距逐漸增加，交會概率逐漸減小;

2)當穩態旋轉速度大于6 r/s時，地面目標運動速度對交會概率的影響很小;

3)該掃描方式對小航路捷徑的低空目標同樣具有一定作用;

4)在系統設計時需重點考慮子彈勻速上升速度與穩態轉速，以及目標類型的匹配關系。

3 結論

文中通過建立垂直發射掃描方式的運動模型，采用蒙特卡洛模擬仿真的方法對影響交會概率的各種因素進行了計算分析。結果表明:在系統設計時需重點考慮子彈勻速上升速度與穩態轉速的匹配關系。

垂直發射掃描方式是一種高效率、低滯空、無傘化的掃描方式，可以適應未來戰場環境不斷變化的要求，代表了一種新的掃描方式的發展方向［6］。更便于智能地雷向智能化、網絡化、一體化方向發展，從而大幅提高武器系統的作戰效能。

［1］苗昊春，楊栓虎.智能化彈藥［M］.北京:國防工業出版社，2014.

［2］楊紹卿.靈巧彈藥工程［M］.北京:國防工業出版社，2010.

［3］楊紹卿.末敏彈系統理論［M］.西安:陜西科學技術出版社，2009.

［4］張河.探測與識別技術［M］.北京:北京理工大學出版社，2005.

［5］王儒策.彈藥工程［M］.北京:北京理工大學出版社，2002.

［6］顧建平，韓子鵬.單翼末敏彈穩態掃描段影響因素分析［J］.彈箭與制導學報，2013，33(3):70-72.