彈載彈丸參數(shù)測(cè)試技術(shù)的研究

楊　文，于文松，裴東興，張　瑜，祖　靜，2*

（1.中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，太原030051；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

彈載彈丸參數(shù)測(cè)試技術(shù)的研究

楊文1，于文松1，裴東興1，張瑜1，祖靜1，2*

（1.中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，太原030051；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

針對(duì)目前采用外彈道測(cè)試技術(shù)測(cè)量彈丸轉(zhuǎn)速，炮口初速及章動(dòng)參數(shù)難度大，裝置復(fù)雜等問題，設(shè)計(jì)了彈載彈丸參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用CC430芯片作為主控芯片，集控制功能和無線發(fā)送數(shù)據(jù)于一體。利用動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)采集和存儲(chǔ)地磁傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，提出了解算彈丸炮口初速和基于希爾伯特變換法提取信號(hào)包絡(luò)解算章動(dòng)參數(shù)的新算法。通過對(duì)某型殺爆彈數(shù)據(jù)的分析，所得彈丸參數(shù)均在理論范圍值內(nèi)。

CC430；地磁傳感器；動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)測(cè)試；希爾伯特變換

對(duì)彈丸轉(zhuǎn)速，炮口初速及章動(dòng)參數(shù)的精確測(cè)量對(duì)火炮的設(shè)計(jì)和精確打擊目標(biāo)具有重要意義。目前，多采用雷達(dá)測(cè)速法，區(qū)截裝置測(cè)試法，紙靶法等對(duì)彈丸炮口初速和章動(dòng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。這些方法都屬于外測(cè)法，容易受到外部環(huán)境的影響，并且測(cè)試裝置比較復(fù)雜。本文介紹了一種基于動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)和無線射頻傳輸技術(shù)的彈載彈丸參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，通過精確測(cè)得的彈丸轉(zhuǎn)速提出了解算彈丸炮口初速和章動(dòng)參數(shù)的新方法［1-5］。

1　測(cè)試系統(tǒng)的工作原理

測(cè)試系統(tǒng)主要由CC430單片機(jī)、地磁傳感器、ADC轉(zhuǎn)換器、FLASH存儲(chǔ)器組成。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。在實(shí)彈發(fā)射前，測(cè)試系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)。上電信號(hào)到來后，系統(tǒng)開始循環(huán)采樣，并把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM中。當(dāng)炮彈發(fā)射時(shí)，產(chǎn)生內(nèi)觸發(fā)信號(hào)，單片機(jī)開始高速采集地磁線圈隨彈丸旋轉(zhuǎn)切割地磁場(chǎng)產(chǎn)生的信號(hào)，并把數(shù)據(jù)存入閃存，直至到達(dá)落點(diǎn)接收機(jī)通過無線收發(fā)裝置讀取數(shù)據(jù)［6-9］。

圖1　彈載彈丸轉(zhuǎn)速-炮口初速測(cè)試系統(tǒng)

收稿日期：2015-05-06修改日期：2015-06-06

2　測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1地磁傳感器的設(shè)計(jì)

地磁傳感器的實(shí)物圖如圖2所示，薄膜線圈式傳感器貼于單體外殼表面，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律測(cè)量彈丸的轉(zhuǎn)速。當(dāng)彈丸高速自旋時(shí)，薄膜線圈切割地磁線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化可以測(cè)出彈丸的轉(zhuǎn)速參數(shù)［10］。

圖2　薄膜線圈式地磁傳感器

2.2放大濾波電路的設(shè)計(jì)

地磁傳感器的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)是mV，所以需要使用放大電路對(duì)信號(hào)放大。由于地磁傳感器會(huì)輸出負(fù)壓信號(hào)，需要給輸入端一個(gè)共模電壓。輸入與輸出電壓的關(guān)系為：Vout=（Vin+-Vin-）G+VREF。其中，Vin+-Vin-為差動(dòng)輸出，VREF為正偏電壓，G為放大倍數(shù)。為去除噪聲干擾，運(yùn)用大電阻、小電容組合設(shè)計(jì)了二階低通濾波器。放大、濾波電路圖分別如圖3和圖4所示。

圖3　放大電路原理圖

圖4　濾波電路原理圖

3　彈丸參數(shù)的測(cè)量

3.1彈丸轉(zhuǎn)速的測(cè)量

彈載彈丸參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)隨彈飛行模擬圖如圖5所示。彈丸射出炮口后會(huì)沿彈道高速自旋，彈丸自旋時(shí)地磁線圈會(huì)切割磁場(chǎng)線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，地磁線圈匝數(shù)為N，磁通量為φ，彈丸轉(zhuǎn)速為w，θ為線圈旋轉(zhuǎn)角度，S為線圈面積，B為地磁場(chǎng)強(qiáng)度，γ為彈丸軸線與地磁場(chǎng)間夾角。有

圖5　彈丸飛行模擬圖

當(dāng)彈丸在出炮口的一段時(shí)間內(nèi)彈丸運(yùn)動(dòng)軌跡近似一條直線，因此γ幾乎不變。由推導(dǎo)可知，當(dāng)sinθ取最大值時(shí)，地磁傳感器輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=-NBS·sinγ·w。

圖6和圖7分別為某型彈丸的實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)曲線圖和其100 ms內(nèi)的展開圖。

圖6　轉(zhuǎn)速信號(hào)曲線圖

由圖7可知，第1階段為0～17 ms，由于彈丸在炮膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)，炮膛產(chǎn)生了一定的屏蔽導(dǎo)致輸出信號(hào)較弱，第2階段是在炮口處產(chǎn)生了爆破，引起的巨大沖擊所致，第3階段的信號(hào)是比較規(guī)律的正弦波。由轉(zhuǎn)速測(cè)試原理可知，轉(zhuǎn)速即為輸出正弦信號(hào)的頻率。將數(shù)據(jù)經(jīng)過小波降噪后，基于求零點(diǎn)的方法得出半個(gè)周期的轉(zhuǎn)速，連續(xù)求出相鄰周期的平均轉(zhuǎn)速再進(jìn)行擬合，即可得到某一時(shí)間段的平均轉(zhuǎn)速。

圖7　100 ms內(nèi)信號(hào)展開圖

表1為彈丸出炮口后1 s內(nèi)的測(cè)量轉(zhuǎn)速值與理論值的對(duì)比結(jié)果，理論值與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速的相對(duì)誤差小于3%，滿足測(cè)試精度要求。

表1　彈丸1 s內(nèi)測(cè)量與理論轉(zhuǎn)速值

3.2彈丸炮口初速的解算

膛線繞炮彈旋轉(zhuǎn)一周，在軸向移動(dòng)的長度稱為膛線的纏度，用η表示，D為彈丸口徑。彈丸在膛內(nèi)旋轉(zhuǎn)2π，其軸向距離為ηD，有，其中dθ為在dt時(shí)間內(nèi)彈丸旋轉(zhuǎn)的角度，dl為彈丸在dt時(shí)間內(nèi)彈丸軸向運(yùn)動(dòng)的距離。兩邊同除以dt，有，則v=.其中η與D都是確定值。運(yùn)用轉(zhuǎn)速解算炮口初速的結(jié)果與雷達(dá)測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2　炮口初速解算值與雷達(dá)測(cè)試結(jié)果

3.3章動(dòng)參數(shù)的解算

彈丸出炮口后，一方面沿著彈軸高速自轉(zhuǎn)，另一方面沿著彈道的切線做周期的擺動(dòng)，即章動(dòng)。隨著彈丸的飛行章動(dòng)的角度會(huì)不斷變化，章動(dòng)周期和章動(dòng)角的獲得對(duì)分析彈丸的飛行姿態(tài)及彈丸設(shè)計(jì)具有重要意義。圖8為彈丸有章動(dòng)的飛行模擬圖，在有章動(dòng)的情況下地磁傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E1，E1=·S·cosθ·sin（γ+δ）］。

僅由彈丸自旋產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

E=-NBS·sinγ·w，而E1=-NBS·sin（γ+δ）·w，

則可求得章動(dòng)角δ。

圖8　彈丸有章動(dòng)模擬圖

對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)濾波和去除基線處理后，通過希爾伯特變換法提取轉(zhuǎn)速信號(hào)包絡(luò)即為彈丸的章動(dòng)曲線如圖9所示。從圖9可看出，彈丸的章動(dòng)曲線近似于正弦信號(hào)。通過對(duì)曲線的分析，得出彈丸在0～3 s的章動(dòng)周期值見表3。所得結(jié)果與理論分析相符，彈丸出炮口后章動(dòng)角會(huì)逐漸變小，說明彈丸在飛行過程中逐漸趨穩(wěn)，未發(fā)生空翻等異常現(xiàn)象。

圖9　彈丸章動(dòng)曲線圖

表3　某型彈3 s內(nèi)的章動(dòng)周期值　單位：s

4　結(jié)束語

本文提出了一種基于動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)運(yùn)用彈丸轉(zhuǎn)速信息解算彈丸參數(shù)的新方法。該系統(tǒng)以CC430單片機(jī)為主控芯片，集數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和無線傳輸于一體。克服了傳統(tǒng)外測(cè)法測(cè)試裝置復(fù)雜，易受環(huán)境干擾難以獲得完整數(shù)據(jù)的困難。設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)外測(cè)法測(cè)得的結(jié)果基本一致，說明該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，并簡單易行。

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楊文（1987-），男，漢族，湖北荊州人，碩士，研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器，yangwen8136@163.com；

祖靜（1933-），男，漢族，北京人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閮x器科學(xué)與技術(shù)，動(dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器等，Jingzu@pubilc.ty.sx.cn。

Study on the Missile Projectile Parameter Test Technology

YANG Wen1，YU Wensong1，PEI Dongxing1，ZHANG Yu1，ZU Jing1，2*
（1.School of Computer and Control Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China）

In order to overcome the shortage of external measurement method on testing projectile speed and nutation parameters.A test system of missile projectile parameters was proposed.The system uses CC430 chip as main control chip，combines control and sending wireless data integration based on dynamic storage measurement technology collection and storage of the induced electromotive force signal produced by geomagnetic sensor.A new method is proposed to resolve calculation projectile muzzle velocity and envelope extraction solution nutation parameters on the Hilbert Transform.Through the analysis of the high explosive bomb data，the projectile parameters are met good for the range of theory.

CC430；geomagnetic sensor；dynamic memory test；Hilbert Transform

TP212.13；TJ410.6

A

1005-9490（2016）03-0667-04

EEACC：721010.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.032