基于磁傳感器的磁近炸引信探測系統設計

祝豪杰， 秦會斌

(杭州電子科技大學 新型電子器件與應用研究所，浙江 杭州 310018)

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基于磁傳感器的磁近炸引信探測系統設計

祝豪杰， 秦會斌

(杭州電子科技大學 新型電子器件與應用研究所，浙江 杭州 310018)

摘要:基于磁傳感器的磁近炸引信探測系統，適用于非接觸探測系統。以提高探測的范圍和穩定性為目的，設計了可控放大濾波電路和復位置位電路等。為提高探測的時效性和精確性，提出了改進型的濾波算法、檢測算法等方法。優化改進后的系統具有良好的穩定性和適應性，能夠有效探測到鐵磁性物體的移動，論證了方案的可行性，為后續研究奠定了基礎。

關鍵詞:磁近炸引信; 可控放大濾波電路; 濾波算法; 檢測算法

0引言

傳統的引信引爆方式主要采用瞬間觸發的方式，如,目標物體踩到地雷，空投導彈等，這種引爆條件簡單但效果不理想，埋入地面的彈藥不能造成毀傷。在這種背景下，人們開始尋求不需要接觸目標，同時又能在相對于目標的最佳位置引爆的引信，即近炸引信。德國最早在20世紀30年代開始研究近炸引信，隨后前蘇聯、美國、日本等國家相繼開始進行近炸引信的研究[1]。近炸引信一般由探測系統、信號處理系統和引爆系統組成，它的工作原理是，利用探測系統對目標源進行檢測并把得到的物理場信號轉換成電信號，傳遞給信號處理系統，通過信號處理系統的判斷是否引爆[2]。國內外的磁引信技術多用于精確制導導彈上，用于對導彈的姿勢方向進行修正[3]，基于磁傳感器的探測系統，常用于車輛檢測[4]。

本文設計了基于磁傳感器的引信系統，探測的目標相對于車輛要小很多，例如：大型的槍械類武器。

1磁近炸引信的工作原理

系統磁傳感器為霍尼韋爾公司的HMC1001。磁傳感器能夠將磁場信號轉換成電信號，當該區域出現鐵磁材料構成的物體時，附近磁場就會發生變化，導致磁傳感器輸出的電信號發生改變。它依據磁阻效應，在給鎳鐵導磁合金通電的情況下，施加一個垂直于電流方向的磁場，合金的電阻會會發生變化[5]，如圖1所示。

圖1　磁傳感器工作原理Fig 1　Operating principle of magnetic sensor

2系統框架設計

硬件框圖如圖2所示。磁阻傳感器將得到的弱磁場信號轉換成電信號，傳遞給一級放大電路，再經過耳機反饋放大，得到放大信號傳遞給單片機采樣處理，最后通過單片機點亮LED代替引爆信號。

圖2　系統硬件框圖Fig 2　Hardware block diagram of system

2.1放大電路設計

HMC1001的輸出信號為差模信號，但含有大量的共模信號，設計時使用儀表放大器芯片AD623來抑制共模信號。AD623具有高共模抑制比，能夠有效抑制共模信號，具有優秀的失真性能[6]。典型電路圖如圖3(a)所示，增益大小可以通過電阻R控制。

圖3　一級放大電路和二級放大電路設計Fig 3　Design of level 1 amplif circuit and second ary amplifier circuit

如圖3(b)所示，二級放大的電壓經過濾波電路后，給單片機進行采樣，根據采樣電壓的大小來控制DA芯片的輸出，直到采樣電壓穩定在電壓幅值的中段，單片機選用PIC16F886 ，它自帶10位的AD采樣。

2.2置位復位電路設計

磁阻傳感器在受到磁場強度大于5 Gs時，輸出信號會嚴重變形。為減少這種影響，需要利用磁開關技術來消除過去磁歷史的影響。傳感器有一條S/R電流帶，只需要給與高于4 A、脈寬大于2 μs的脈沖電流，就可以重新對準磁區域方向，恢復傳感器的靈敏度[7]。復位電路如圖4所示，復位信號由單片機提供。

圖4　置位復位電路Fig 4　Set-reset circuit

3系統軟件設計

整個系統功能通過硬件和軟件的配合實現，軟件部分包括單片機采樣功能、置位復位信號、二級放大反饋程序設計、濾波算法和檢測算法[8]等。其中,濾波算法和檢測算法是本系統軟件設計的關鍵，其流程圖如圖5所示。

圖5　濾波算法和檢測算法流程圖Fig 5　Flow chart of filtering algorithm and detection algorithm

3.1濾波算法設計

數字濾波可以有效提高采樣的精確度，本系統設計的濾波算法結合滑動濾波算法和脈沖干擾算法的優點，流程如圖5所示。假設初次采樣的樣本數目為N，則存在N個采樣值，X1，X2，X3,…,Xn。算法實現過程如下：

1)初次采樣使用排序算法把N個采樣點按從小到大排列得到新的序列Y1，Y2，Y3,…,Yn。

2)去掉Y1和Yn，剩下的n-2個數值取平均值作為濾波輸出。

3)新的一次濾波時，獲取2個新的采樣值，插入到上次采樣后的n-2個數值中。

4)重復步驟(2),(3)。

本系統的濾波算法，能有效濾除脈沖干擾，保證數據平滑性的同時具有較高的時效性，能夠快速反映環境變化對系統造成的影響，除了初次采樣需要完整的排序算法，非初次采樣的排序，只需要將數值插入到排好序的采樣樣本中，降低了算法計算周期。

3.2檢測算法設計

為檢測移動金屬對磁傳感器輸出造成的變化，通過將采樣電壓控制在幅值中段區間來方便檢測。不同環境下傳感器輸出電壓不同，利用DAC7311輸出電壓控制采樣電壓達到中段區間，然后進入檢測算法。系統用到檢測算法是根據采樣得到的電壓設定合適的閾值，再實時監測采樣電壓，如圖5所示。這里以采樣電壓高于上限閾值為例：

1)當檢測到采樣電壓高于閾值，儲存該電壓值；

2)重新設定閾值，計數器加1，延遲0.1 s；

3)再一次采樣當前電壓值，若采樣電壓值高于閾值重復步驟(2),(3)，若采樣值在閾值范圍內，計數器歸0；

4)若計數器達到5，則認為有目標經過，給與后續電路信號低于閾值的情況相同的方式處理，閾值需要根據多次的實驗才能確定，計數器的次數，可以根據實際情況作出調整。

4實驗結果與分析

運動目標由人攜帶金屬物體代替，金屬物體選用常規格的滅火器。檢測位置方向與敏感軸方向如圖6所示。

圖6　檢測方式Fig 6　Mode of detection

對應不同的距離D和不同的位置，檢測到的波形變化如圖7所示。

圖7　敏感軸方向和反方向檢測圖Fig 7　Detection diagram in sensitive axis direction and the opposite direction

從圖7中可以看到,波形浮動隨著檢測距離的增加逐漸減少。最后做LED燈的測試，判斷有目標經過時，點亮LED代替引爆信號。在不同的距離各做8次測試，測試結果：測試距離為1.0 m，成功次數為8次；測試距離為1.5 m，成功次數為7次；測試距離為2.0 m，成功次數為2次。距離越近成功概率越高，距離到2.0 m時，系統無法正常檢測到。這同單片機處理數據的速度、檢測算法和采樣精度都有關系，說明檢測算法的閾值對實驗結果有很大的影響。單片機自帶模/數轉換是10位的采樣精度，這意味著當滿幅的電壓為5 V時，單片機能夠得到的最小采樣精度是5/210≈4.9 mV，同時設定的閾值有40 mV，這就導致一些人眼可以觀察到的波動，單片機可能會錯過，無法正常檢測出來。

5結束語

本文介紹了一種基于磁傳感器的磁引信探測系統的設計方法，設計了可控的二級放大電路，提高了磁傳感器的探測距離，對于小型的金屬目標具有良好的探測效果。測試結果顯示：本設計可以達到預期的探測效果，證明了方案的可行性，為后續研究奠定了一定的基礎。

參考文獻:

[1]陳曉宇.激光近炸引信目標探測與判別技術[D].西安：西安電子科技大學, 2013.

[2]于靜, 孔敏, 王冬梅.基于電容傳感器的電容近炸引信炸高散布研究[J].傳感器與微系統, 2013, 32(7):29-31.

[3]楊曉浩.地磁信號測姿技術在彈道修正引信中的應用[D].南京:南京理工大學, 2006.

[4]王震, 米東, 徐章遂.磁阻傳感器在弱磁測量中的應用研究[J].儀表技術, 2007(6):70-71.

[5]Versluijs J J, Bari M A, Coey J M D.Magnetoresistance of half-metallic oxide nanocontacts[J].Physical Review Letters, 2001, 87(2):026601.

[6]李棟.火箭彈用磁強計及姿態測試系統的研究與設計[D].太原：中北大學, 2014.

[7]王麗穎, 支煒, 孫紅霞, 等.基于 HMC1022 磁阻傳感器的數字電子羅盤的設計與實現[J].電子測量技術, 2009(1):108-111.

[8]伍靈杰.數據采集系統中數字濾波算法的研究 [D].北京：北京林業大學, 2010.

Design of magnetic proximity fuze detection system based on magnetic sensor

ZHU Hao-jie, QIN Hui-bin

(Hangzhou Dianzi University,Institute of Electron Devices & Application,Hangzhou 310018,China)

Abstract:Magnetic proximity fuze detection system which based on magnetic sensor is suitable for non-contact detection system.To enhance range of detection and stability, controllable amplifier filtering circuit and set-reset circuit are designed for the system.In order to improve timeliness and accuracy of detection,improved filtering algorithm and detection algorithm is proposed.System which is improved and optimized has good stability and adaptability, and it effectively detects moving of ferromagnetic objects, feasibility of the scheme is proved, and lay foundation for future studies.

Key words:magnetic proximity fuze; controllable amplifier filtering circuit; filtering algorithm; detection algorithm

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0115—03

收稿日期：2015—06—18

中圖分類號:TJ 43; TP 212

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)03—0115—03

作者簡介:

祝豪杰(1989-)，男，浙江寧波人，碩士研究生，主要研究方向移動目標中近程探測、識別技術。