引信自主测速理论解析

3.3.1.1　已有的炮口测速方法

目前，弹丸速度的测量采用三种方法：第一种速度测量方法是区截装置测速法，是指测量弹丸飞行一段已知距离的时间，然后用距离除以时间求得已知距离的平均速度，因此速度的测量精度取决于距离测量的精度和时间测量的精度；第二种速度测量方法是应用多普勒雷达技术，多普勒雷达测速方法是利用波传播中的多普勒效应进行测速的方法；第三种方法是采用加速度传感器实时测得弹丸加速度，再对加速度进行积分，从而得到弹丸速度的方法。

（1）区截装置测速法

1）线圈靶。在炮口安装2个固定距离的测速线圈，当磁化弹丸依次通过线圈时产生2个脉冲信号：一个产生启动信号，启动计时仪；另一个产生停止信号，停止计时仪。记录2个脉冲信号产生的时间差，即可求得炮口实际初速，如图3.6所示。

2）纸靶。纸靶是用沉积有导电涂料的纸制作而成。弹丸穿过纸靶时电路断开启动或停止计时仪。这种靶主要用来对轻武器和破片模拟，它的主要缺点是每打一发必须换一张纸靶。这就限制了它在特定靶场上的试验。

图3.6　线圈靶

3）光电靶。光电靶是接收光信号并将光信号转换为电信号的一类装置。光电靶的基本结构通常有两部分：第一部分是光学系统，其作用是产生并传输光信号；第二部分是光电转换系统，其作用是将光学系统传输来的光信号经放大、整形后输出。

①　天幕靶。天幕靶系统由天幕靶和计时仪组成，如图3.7所示。其工作原理是：利用自然光在空中形成一个尖劈形的光幕，当有弹丸穿过天幕靶的第一个光幕时，光幕面中的光通量发生变化，由于光电效应，天幕靶中的光电管上便会产生电流变化，经过信号变换器将此电流信号放大整形后，即产生第一个脉冲信号，它触发计数器，开始计数；当弹丸穿过天幕靶的第二个光幕面时，又产生一个脉冲信号，计数器接收该脉冲信号，并停止计数；然后记录或存储数据，再令计数器复位，复位后的计数器才能进行下一发弹的测试。这样，就可以测出弹丸飞过两个光幕之间的时间间隔t，而两个天幕靶之间的距离L是提前测量好的，于是就可以计算出弹丸在这两点之间飞行的速度va=L/t。

图3.7　天幕靶

②　光幕靶。弹丸速度难以用简单的方法进行直接测量，常用间接测量方法获得，如在枪炮口前方一定距离设置两靶，两靶间距离为L，武器射击时用测时仪测量弹丸经过L距离的时间t，从而间接获得弹丸在此区间内的平均速度，如图3.8所示。光幕靶以此基本测速原理，以无形的光幕作为靶面，当弹丸穿过光幕靶时，光幕接收部分的光线变化，经过光电转换，发出区截信号。用两道光幕靶配合后续处理电路构成测速系统。

图3.8　光幕靶

③　激光靶。现在国内研究的激光靶实时测速系统方案如图3.9（a）所示。测量系统是以激光器作信号光源、用激光在膛口处的调制器来实现光强度的调制；记录仪用来采集处理经光电二极管转换后的调制信号；为了提高光耦合效率，设置了准直镜和耦合器。

激光发出的光耦合进入入射光纤，带有Y形接头的入射光纤分两路入射到炮口调制器，与两条接收光纤组成两条光路［图3.9（b）］，光经过接收光纤和光电转换器把电信号输出到记录处理系统。当弹丸出炮口时，首先遮断第一对入射与接收光纤间的光路，记录系统接收到一个电脉冲。当弹丸遮断第二条光路时，记录系统接收到另一个电脉冲。设两个脉冲的时间差为Δt，两条光路间距离为l，则可得到弹丸在两条光路间的平均速度va=l/Δt。

图3.9　激光靶

④　计转数弹载测速。南京理工大学何振才提出一种新型弹载计转数测速方法，如图3.10所示。基于线膛炮弹丸出炮口时每旋转一周其前进的距离是一定的，与弹丸的飞行速度无关；后效期很短，当弹丸出炮口过后效期后，由计转数传感器输出信号，启动引信中的计时器，开始计时。当再转过N圈后，停止计时，得到转过N圈的时间t。转过N圈弹丸的行程S可以由这N圈中弹丸飞行中的平均导程L近似求出，即有：S=L×N。

图3.10　新型计转数弹载测速

（2）多普勒雷达测速法　多普勒雷达测速法的基本原理是雷达向着飞行弹丸发射电磁波，同时接收弹丸的反射回波。由于弹丸在运动，所以发射波和接收波之间有频差，这一频差与弹丸（或其他运动目标）的速度成正比，其关系式为：

式中，λ为发射电磁波波长。

式（3.4）表明，弹丸的运动速度v与频率差fd成正比。若雷达测得频率差，则可得到弹丸的运行速度。

（3）加速度传感器测速法

所选用的加速度传感器放在引信或弹丸上，引信利用加速度的信息即可测得弹丸速度。假定传感器放在弹轴上，并认为弹轴与速度轴重合。

设t时刻传感器输出为（a）t，弹丸速度为（t）v，速度方向与地面系X轴夹角为（t）θ，则

如果利用采样方式得到a（t），则将上式离散化为

式中，

将式（3.7）变为递推形式(www.xing528.com)

式中，vk-1为k-1采样点时记录的速度；ak为第k个采样点时传感器输出值；θk为第k个采样点时速度方向与地面坐标系X轴的夹角。

利用式（3.8）的递推公式可节省存贮空间。

如果θ为常数，则式（3.8）变为

式中，a1k=ak-g sinθ。

3.3.1.2　矩形磁铁测速技术

（1）测速原理

在已有的炮口速度方法基础上，本小节提出一种新型自主测速方法，此测速方法属于一种区截装置测速法，弹丸及火箭筒示意如图3.11所示，1表示弹丸，2表示火箭炮筒，5表示感应线圈，3、4、6、7表示4块嵌入在炮管中的小磁铁，利用感应线圈切割磁力线产生感应电动势来测得速度。

图3.11　弹丸及火箭筒示意

测速原理：发射时首先给引信供电，使电路处于待机状态。当弹丸飞经第一组磁铁时，弹丸切割磁力线在感应线圈闭合回路中产生第一个脉冲信号，该信号用于触发计时器开始计时；当弹丸经过第二组磁铁时，感应线圈闭合回路中产生第二个脉冲信号，此信号用于控制计时器停止计时，理想脉冲波形如图3.12所示。由两组磁铁之间的距离L及计时器测得的时间Δt，根据式（3.10）可计算出弹丸出炮口的初速V，此初速值作为弹道参数，用于修正已经装定好的作用时间。

图3.12　感应线圈理想脉冲波形

（2）信号处理

1）信号调理。由于线圈经过磁铁产生的波形是正弦波形，有正有负，不能直接进单片机，所以要作进一步的信号处理。如图3.13所示，信号从AD0进入，经过C9隔直电容，通过R11及R12组成的抬高电路，使信号基准变为1.65V，信号在其上下波动，同时该调理电路通过D3防止信号过大和信号为负值，使信号控制在0～3.3V，以达到保护主控芯片的作用；最后通过R13和C10组成的初级滤波电路将高频杂波滤除。

图3.13　信号调理电路

2）去噪声处理。信号去噪声处理电路如图3.14（a）所示，去噪声工作原理如图3.14（b）所示。通道1为比较器输出信号，就是经过处理后进入主控芯片的信号；通道2为比较器基准信号，通道3为信号调理后的采集信号。采集信号由比较器负端输入，当采集信号电压上升沿超过2.2V时，比较器的输出由高变低，比较器正端电压变为1.1V；当采集信号电压下降沿低于1.1V时，比较器输出由低变高，比较器正端电压变为2.2V，这样比较器的输出循环在上升沿的2.2V和下降沿的1.1V之间发生变化，从而有效地避免了在1.65（基准电压）±0.55V以内的干扰。

图3.14　去噪声处理电路及处理波形

（a）去噪声处理电路；（b）去噪声处理波形

3.3.1.3　高精度测速定时技术

电子时间引信的计时精度主要取决于引信时基振荡器的稳定性。在各种原理的振荡器电路中，晶体振荡器的精度最高，频率一致性也很好，因此美国中大口径弹药的电子时间引信几乎全部采用晶体振荡器。但是晶体振荡器也存在明显的缺陷，就是耐冲击性能较差，因此在高过载条件下的时间精度以及高速数据传输一直是该引信技术领域的一个“瓶颈”。

单兵火箭弹灵巧引信采用高精度的装定器振荡器来对时间引信振荡器进行校正。引信采用单片机内部振荡器，装定器采用高精度的外部石英振荡器，装定器主频为12MHz，定时器为12分频，每位传输数据计时200次，每帧数据为14位，则14位数据总时间为

设T1对应的引信时间为x（已知），T2对应的引信时间为y，可列等式

若T2为1ms，那么

y就是xms对应的校频后值。