电磁感应交联原理的探讨

电磁感应装定是通过近距离发射线圈和接收线圈之间的电磁变换来实现能量与信息的传递。装定器与引信体之间没有机械触点，工作稳定、可靠性高，并具有较好的抗干扰性能，是最常用、综合性能最优的一种装定方式。

4.3.1.1　感应装定系统的形式及工作原理

按照装定时发送线圈与感应线圈之间的相对位置关系，小口径空炸引信中的感应装定可以分为以下三种形式。

（1）高速动态感应装定

高速动态感应装定是指在炮口外部增加装定器，在弹丸发射后飞经炮口装定器的瞬间进行装定。由于装定的位置在炮口外部，可以在装定器的前面增加测速装置以测出弹丸的实际出炮口的速度，从而实现速度修正定时体制引信的装定。当然，高速动态装定方式也可以用于计转数作用体制的引信，因而是一种适应性比较好的装定体制。

实现高速动态装定所要求的性能指标较为苛刻：首先，由于弹丸穿过装定器时的速度很高，炮口动态装定的装定时间很短，一般只有几十微秒，因此要求装定的数据传输速度很高；其次，要求引信控制电路在弹丸出炮口前必须启动并稳定工作，这就给引信电池的快速激活性能提出了更高的要求；另外，此装定方式必须在炮管上增加装定器，附加的质量会对火炮的整体结构和性能造成影响。

（2）低速动态感应装定

低速动态感应装定是指弹丸在低速运动过程中完成装定的方式，一般是在弹链上或者在弹丸进膛处安装感应装定器，在供弹或者弹丸进膛的过程中完成装定。由于弹丸运动速度较低（线速度一般不超过5m/s），装定过程时间相对较长，可达十几毫秒，因此对数据传输速率的要求较低，比较容易实现。低速感应装定中的一个主要问题是装定用电源的问题，因为不论是在弹链上还是在进膛过程中装定，引信的电源都还没有激活。解决这一问题的关键技术是能量与信息一体化传输技术，该技术是在感应装定系统的基础上，在引信电路中增加桥式整流电路和储能电容，将感应线圈中接收到的载波信号转换为电能储存到电容中，当电能积累到一定程度时引信电路启动，接收并存储装定信息，从而在主电池没有激活的情况下完成装定过程。

由于装定信息对载波的调制会影响能量的传输效率，因此发送线圈的驱动电路会在调制装定信息前首先发送一段没有装定信息的载波信号，以缩短装定周期，尽快达到引信电路启动所需的能量。由于装定的全过程只有十几毫秒，要通过此种方式获得引信全弹道工作的能量难度很大，因此引信还必须有某种形式的主电池在弹丸发射后驱动引信电路工作，而感应能量只用来驱动引信完成装定即可。

应该指出的是，这种感应供能加主电池的供电方式不同于复合电池。复合电池内部两种不同时间激活的两种电池必须保证电池放电的连续性，即先激活的电池放电时间必须维持到主电池激活以后，这样才能保证引信电路的正常工作。而低速动态感应装定中使用的感应电源和主电源是分开工作的，感应电源供引信电路接收装定信息使用，主电池能量供引信电路执行炸点控制功能使用，两种电源的功能和激活时间是完全独立的，没有连续性的要求，引信电路在完成装定后可以停止工作，等主电池激活后再重新启动。

（3）静态感应装定

静态感应装定是指在弹丸静止的状态下进行装定的一种方式，装定时发送线圈与接收线圈间的相对位置是固定的，是最容易实现的一种装定。静态感应装定一般用于单发或低射速武器系统，装定形式可以是弹丸进膛后装定或者是进膛前采用手持式的装定器进行装定。

对于单发射击或低射速弹药来说，每发引信的装定时间比较充足，可能达到上百毫秒甚至更长。在这种情况下，储能电容就可以获得足够的能量供引信全弹道使用，从而省去主电池，简化引信设计并降低成本。

以炮口快速感应装定系统为例，其主要由装定器、信号发送线圈、接收线圈、引信电路四部分组成，其结构如图4.3所示。线圈A、C分别是接收线圈和发送线圈，B为引信电路，D为发送线圈与装定器的接口。发送线圈固定在炮口装置上，通过接口D和装定器相连。发送线圈一般绕成螺线管的形状，以增加与接收线圈的耦合时间。接收线圈绕在弹体上，位置可以根据引信的位置进行调整，当采用弹底引信时，接收线圈位于弹丸底部。接收线圈感应到的信号由引信电路进行处理，从而获取装定信息。

图4.3　炮口快速感应装定系统构成

系统的工作原理如下：当弹丸发射后运动至发送线圈附近时，火控系统将该发弹丸的装定数据发送给装定器；装定器对装定数据进行处理后，通过驱动电路给发送线圈输入一个交变激励电流，该电流会在线圈内部形成沿轴线方向的磁场。由毕奥-萨伐尔定律可知，该磁场的磁感应强度的大小和方向将随线圈内激励电流的变化而变化。由于引信在穿过发送线圈的过程中，接收线圈平面始终保持与磁感应强度方向垂直，因此接收线圈平面上的磁通量也按照与激励电流同样的规律变化。由法拉第电磁感应定律可知，在接收线圈两端将会感应出与发送线圈内部激励电流同样变化规律的感生电动势，即装定器发送的信号。引信电路对接收到的信号进行相应的处理即可重现装定数据，从而完成从装定器到引信的数据传输。

由此看出，感应装定实际上是位于发射平台上的装定器与引信之间的一个非接触通信过程，其中信息传输通道是发送线圈内部空间，而火控系统相当于信源，装定器是发送设备，引信是接收设备。因此，感应装定系统可以被看作一个特殊的通信系统，其各部分构成如图4.4所示。

图4.4　感应装定数据通信系统框图

4.3.1.2　感应装定系统的信道特征

（1）感应装定信道的时间窗口特性

感应装定系统的发送线圈与接收线圈之间是通过磁场耦合实现数据传输的，由于发送线圈产生的磁感应强度较强的区域主要集中在螺线管内部及端面附近有限的区域内，而弹丸又是高速穿过这一区域的，因此发送线圈和接收线圈之间能够有效地进行数据传输的时间非常短，一般为微秒级。这是感应装定系统最突出的一个特征。

感应装定系统中，发送线圈和接收线圈之间能够有效地进行数据传输的时间段称为装定时间窗口（简称装定窗口）。全部装定数据传输都必须在装定窗口内完成，窗口越小，要求数据传输的频率越高，系统实现的难度就越大。因此，装定窗口的大小直接决定了感应装定系统的最低工作频率，是进行感应装定系统设计的一个重要参数。显然，加长发送线圈螺线管长度，可以增大装定窗口，降低系统设计的难度，但是在实际应用中，发送线圈要通过一定的装置固定在炮口，其长度和重量均要受到炮口装置的限制，太长太重都会影响火炮的性能。一般的，对于小口径高炮，发送线圈螺线管的长度取1～2倍口径比较合适。

图4.5　载流直螺线管轴线上任意点磁感应强度的示意

装定窗口的大小可以根据发送线圈磁场的范围和弹丸的速度计算出来，图4.5是载流直螺线管轴线上任意点磁感应强度的示意情况。图4.5所示螺线管的半径为R，长度为L，单位长度上绕有n匝线圈，通有电流强度I。在螺线管轴线方向上任取一小段dl，则该段线圈的匝数为ndl，它的电流强度为dI=nIdl，则dl在轴线上任意一点P处产生的磁感应强度为：

式中，r是P点到dl边缘的距离；x是P点到dl圆心的距离；u0是真空磁导率。由于各小段在P点所产生的磁感应强度的方向相同，所以整个线圈在P处所产生的总磁感应强度为上式的积分。为了便于积分可引入参变量α、β，由图4.5可知，R=rsinβ，x=ctgRβ，从而得到

所以

即：

磁感应强度的方向与电流流向间的关系遵从右手螺旋定则，图示状态时为水平向右。

以上推导的是真空中载流直螺线管轴线上任意点磁感应强度，实际接收线圈内部的磁感应强度的计算公式应将上式中的真空磁导率μ0置换为弹体上接收线圈截面上的磁导率μr。在这里，我们关心的主要是磁感应强度在轴线方向上的变化趋势，因此仍可按照上式计算，只需将结果归一化。取螺线管的长度为1.5倍口径（L=3R）时的计算结果，如图4.6所示，图中B、C点为螺线管两端面圆心，A、D点位于螺线管外侧轴线上且到端面的距离为R。

图4.6　发送线圈形成的磁场

从图4.6中可以看出，螺线管中心部位的磁感应强度最大，越靠近两端磁感应强度越小，两端面圆心（B、C两点）处的磁感应强度已经衰减为中心部位磁感应强度的0.562 T，而端面以外R处的磁感应强度仅为0.156T。由于接收线圈中感生电动势的大小与磁感应强度成正比，因此弹丸穿过相应的接收线圈随弹丸穿过螺线管过程中产生的感生电动势也按同样的规律变化。可见，BC段内接收信号的信噪比最大，信号传输可靠性最高；BA、CD段内信号强度加快衰减，信噪比快速降低；A、D点以外区域信噪比已经恶化，信号无法传输。为了保证装定的可靠性，引信电路在BC段内对接收信号进行处理比较合适，因此可以选择接收线圈在B、C点处的信号强度作为阈值，当接收信号强度高于阈值时再启动解码电路读取装定信息。以某口径为37mm高炮为例，其弹丸初速为v=1 000m/s，取发送线圈直径为40mm，绕制长度L为60mm（约1.5倍口径），则其装定窗口为：

（2）感应装定信道的耦合特性(www.xing528.com)

由于装定时接收线圈位于发送线圈内部，且接收线圈与发送线圈的直径相差不大，发送线圈产生的大部分磁力线穿过接收线圈，因此两线圈耦合程度较高，接收信号强度可以达到百毫伏级，属于紧耦合系统。

（3）感应装定信道的噪声特性

信道是通信系统噪声的主要来源。对于感应装定系统来讲，信道噪声主要来自装定系统外部战场环境噪声和火炮发射炮口干扰区噪声两个方面。由于感应装定信道范围很小，数据传输持续时间非常短，因此外界干扰窜入引信接收电路的概率较小，再加上发送线圈外部屏蔽罩的保护作用，使得战场上的环境噪声对数据传输的影响较小。因此，感应装定系统的信道噪声主要来源是弹丸发射时火药燃烧产生的高温高速气流冲刷及弹丸与炮口装置接触而形成的复杂电磁环境。

炮口干扰区的噪声频带较宽，能量较高，引信电路不容易滤除。在计转数电路中，由于转数信号非常微弱，必须采用高增益的放大电路，所以在炮口干扰区内有效的转数信号完全被噪声淹没，只能采取时间补偿的方法避开这一区域。而在感应装定系统中，数据的传输只能在装定窗口中进行，所以只有提高信噪比才能够实现装定。提高发送线圈的驱动功率和改善发送线圈和接收线圈之间的耦合性能都可以提高信号强度，但由于发射平台的限制，信号强度的提高是有限的；降低噪声的主要措施是设计合理的炮口装置，实践证明，在炮口装置上开泄气孔可以有效减轻气流对信道的冲刷，降低噪声电平，明显提高信噪比。

4.3.1.3　感应装定数据调制方式的选择

要实现感应装定器和引信接收电路模块的通用化，除了装定信息的数据格式一致以外，数据的调制方式也必须统一。但是这种统一不是绝对的，而是在保证感应装定的可靠性和有效性的基础上尽量采用统一的调试方式。对高速动态感应装定而言，其重点是保证数据在高传输速率下的可靠性，关键技术是高效率的数据传输和差错控制技术，因此可以选用二进制相移键控（BPSK）方法进行调制；对低速动态感应装定和静态感应装定而言，保证在尽量短的时间内传输足够的能量是其技术难点，因此调制方式的选择应优先考虑对感应供能效率的影响。二进制幅移键控（BASK）方法具有恒载波频率的特性，这种单一载波频率的调制方式有利于在发送线圈的驱动电路中采用谐振功率放大器，可以大大提高能量传输效率并降低装定器的功耗，是低速动态感应装定和静态感应装定的首选调制方式。

综上所述，小口径灵巧引信的感应装定系统可以归结为两种设计方案：一种是只装定信息不传输能量的方案，该方案采用BPSK方式对载波进行调制，调制效率高，可实现高速数据传输，主要用于引信内部电源供电情况下高速或低速感应装定。另外一种是既装定信息又传输能量的方案，该方案采用BASK方式调制载波，发送线圈由谐振功率放大器驱动，输出功率大，可以用于内部电源未激活情况下的发射前动态和静态装定。两种方案都采用相同的数据帧格式，在应用到具体武器平台上时还需要根据具体的战技指标和性能要求进行详细的设计，如确定装定器安装位置，设计发送线圈与感应线圈的耦合结构，根据引信作用体制确定装定信息的长度等。

4.3.1.4　感应装定系统的数据传输技术方案

（1）感应装定信息传输方法的选择

所谓感应装定信息的传输方法，是指通过某种合适的方式将装定信息加载到装定器发送线圈的激励信号上，从而通过装定器与引信之间的感应耦合将信息传递给引信。感应装定的数据传输方式可以分为计数法和编码法两类，基本的传输方式有三种，即脉冲计数法、内脉冲计数法和二进制编码法。

1）脉冲计数法。脉冲计数法是用脉冲个数表示装定数据的一种方法，一般用一个脉冲表示一个装定分度。在装定分度为1ms时，装定3s作用时间可以通过在装定窗口内向引信发送3 000个脉冲来表示。当时间窗口为60μs时，发送脉冲的频率至少为50MHz。这种脉冲计数方法的优点是编码解码简单，而且装定过程中丢失少数几个脉冲对装定信息的影响很小，因而具有较高的可靠性。但其缺点是随着装定分度的减小和定时时间的增加，所需的信号频率也越来越高，因此限制了这种方法的应用。

2）内脉冲计数法。内脉冲计数法是一种由装定器对装定时间信息按一定比例进行压缩后传输，再由引信电路对此压缩时间进行还原的一种方法。其工作过程如下：引信内部电路有f1、f2两个时钟频率，其中f2由f1分频得来，且分频系数为n。设引信作用时间为T，则装定器向引信发送一个脉冲宽度为T/n的脉冲信号，引信内部以高频f1对此脉冲宽度进行计数，计数值N=f1T/n。装定结束后，引信以低频时钟f2对N进行减计数，当N减为零时给出起爆信号。此时引信的计时为：

由式（4.7）可见，引信的计时正好为装定的作用时间，而与引信内部时钟频率f1、f2无关，这是内脉冲编码方法最为突出的优点。引信的计时误差主要来源于脉冲宽度T/n及计数值N的量化误差，因此，该方法与脉冲计数法有同样的缺点，即待装定的作用时间较长且装定分度较小时，为保证装定精度需要较高的时钟频率。

3）二进制编码法。二进制编码法是三种基本数据传输方式中传输效率最高的一种方式，这种方法直接将待发送的作用时间数据用二进制表示。用二进制表示的引信装定信息一般不超过两个字节，即16 b二进制数。当采用16 b二进制数表示引信作用时间时，在装定时间间隔为1ms的情况下，最大可以表示的装定作用时间为65.536s；而当用于表示装定转数时，以半圈为装定间隔可以表示的最大作用圈数为32 768圈，这对目前的小口径武器来讲是足够的。具体每种引信采用二进制编码法的位数不必局限于整数字节，而应该是在保证满足编码精度要求的前提下采用尽量少的编码位数，必要的时候可以附加引信的作用模式等其他信息。

除了上述三种基本的数据传输方法外，还有分组脉冲计数法和校频二进制编码法两种新的数据传输方法。其中前者是将装定数据按照其十进制表示，数的每一位分别传送，是对脉冲计数法的扩充和推广；而后者则是在二进制编码的基础上引入了内脉冲编码中由平台（装定器）提供标准时间基的思想，使得引信的计时精度与其内部时基的频率误差没有关系。

由于二进制编码传输方法具有码长短、信息量大、容易扩充、抗噪声性能好的优点，而且还可以参考数字通信系统中的相关技术进行系统优化设计，因此选择二进制编码作为感应装定系统中的信息传输方式。

（2）数字信号的基带传输与频带传输

二进制编码的传输在通信系统中有基带传输和频带传输两种方式。基带传输是指将二进制编码信号经过放大、滤波后直接送入信道的传输方式。由于二进制数字信号波形是一个脉冲序列，其数据的任意性导致该脉冲序列的频谱具有低通特性，不利于信道传输，因此传输前一般还要进行码型变换。基带传输的优点是发送、接收设备简单，系统复杂度低，缺点是信道利用率低。基带传输方式广泛应用于有线通信系统中，而且在很多无线通信系统的终端机和发射机、终端机和接收机之间也是以基带传输方式进行通信的。

频带传输是指将基带信号通过一定方式调制到高频载波上再进行传输的方式。无线通信系统中必须采用频带传输，这是因为频带传输具有如下优点：

1）频带信号容易向空间辐射。为了有效地将信号能量辐射到空间，要求天线的长度和信号的波长可以比拟（一般为1/4波长），这样才能充分发挥天线的辐射能力。基带信号频率较低，直接发送所需的天线长度往往为千米以上，显然是无法实现的。采用频带信号后，信号频率显著提高，大大方便了天线的设计和制造。

2）频带信号可以有效利用信道带宽。对于通带较宽的信道，可以利用多路复用技术提高信道的利用率。例如，将信道带宽划分为多个频带，将多路基带信号分别调制到相应的频带上就可以实现信号的频分复用；若将多路信号按照不同时刻依次调制到信道上传输则构成时分复用。

采用频带传输时，发送端除了放大器、滤波器外还需要高频振荡器和调制器，接收端要有解调器等设备，因此系统复杂度比基带传输系统高得多。

由以上分析可以看出，频带传输的诸多优点主要体现在远距离的传输能力、信道容量大、利用率高等方面，而这些方面正是无线通信系统追求的目标，因此在无线通信领域得到了广泛的应用。对传输数据量很小、信道专用的感应装定系统来讲，频带传输的这些特性无关紧要，而基带传输在系统复杂度上的优势是至关重要的，因此选用基带传输作为二进制编码装定信息的传输方式。与采用频带传输的方案相比，基带传输不用高频振荡器，降低了系统工作频率，省去了调制解调等复杂电路，电路简单，稳定性、可靠性高。

（3）数据传输的差错控制技术

引起感应装定数据传输差错的干扰主要来自外界的强脉冲干扰，这种脉冲干扰强度大、持续时间长，因此会引起连续的误码；另外，来自发射药燃烧的噪声虽然可以通过增大发射功率和增加泄气通道来抑制，但仍然存在引起随机误码的可能性，因此从差错控制角度来讲，感应装定系统的信道属于既存在突发干扰又存在随机干扰的混合信道。由于感应装定数据传输的时间窗口很小，而且引信电路的体积和功耗也不允许引信与装定器之间建立双向通信，因此，要提高感应装定的可靠性，必须采用信道编码技术，通过前向纠错方式对可能或已经出现的差错进行控制。

目前常用的纠错编码有很多种，每种编码的纠错能力和使用场合各不相同，需要根据具体应用的信道特征、干扰类型进行选择。一般来说，对突发性、连续性的误码进行纠错可以采用交织编码来实现。交织编码的基本思想是通过交织的方法改变码元发送的先后顺序，使得在信道中连续出现的误码在接收端解交织后变成离散误码，从而可以利用其他纠正随机差错的编码来纠正，因此交错编码总是和其他编码结合使用，一种交织分组码的实现过程如下：

首先，在发送端对原始码元序列进行某种分组编码，假设分为6组，编码后每组有4个码元，在发送前首先将该码元序列交织排列成如下码阵：

其中每一列恰好是分组编码的一个组，因此均具有一位纠错能力。发送时，将此码阵按照行的顺序依次送入信道传输，接收端收到序列后，再将其恢复成码阵排列方式。如果传输中受到突发干扰，则引起的误码将沿码阵的行方向连续出现，如果连续出现误码的个数不大于分组数，则可以保证码阵中每一列最多仅有一位误码，因此可以利用分组编码进行纠正。

根据交织编码的思想，结合感应装定系统数据传输量小、可靠性要求高的特点，采取了如下编码对装定数据进行纠错：首先，对原始装定数据（a15a14…a1a0）进行奇偶校验编码，形成17位的奇偶校验码（a15a14…a1a0ar）；然后，在奇偶校验码的每个码元后面增加2位重复监督码元，形成17组、每组3个码元的分组编码；最后，对分组编码进行交织，构成如下交织码阵：

将此码阵按行依次发送，接收端收到后首先将数据恢复成交织码阵，然后在每一列内按照最大似然译码准则进行判决，再对此判决结果进行奇偶校验。如果校验成功，则可认为接收到的数据即为装定器发出的原始数据；如果校验失败，则说明接收数据有误。当接收数据有误时，引信丢弃接收数据，而用引信内部预置的缺省时间设定控制电路作用时间。

当信道中只出现突发干扰时，该编码可以纠正最多17位的连续误码；当信道中发生随机干扰或同时出现突发干扰时，该编码可以纠正任意不在同一列上的误码。因此该编码可以很好地纠正信道中的强脉冲干扰引起的误码，对随机产生的离散误码也有很好的纠正能力，可以大大提高数字数据传输的可靠性。即相当于将奇偶校验码连续发送3遍，在实际应用中，可以根据具体情况将此编码作为一帧发送，也可以直接将原始编码连续发送3遍来实现。根据数据少的特点，在交织编码的基础上增加了行方向的奇偶校验，增强了交织编码的检错能力。在信道容量限度内适当增加信息冗余度，获得较好的纠错检错效果，提高装定数据传输可靠性。

当然，采用上述编码也不能保证接收数据完全正确，比如当码阵中出现两位误码的列有偶数列时，最大似然译码结果将出现错误而奇偶校验也不能发现这一错误。因此，为了保证引信作用的安全性，除了纠错编码外，还必须对接收的数据进行有效性验证。例如，设引信的有效作用时间是0.5～5s，装定分辨率为1ms，则装定数据的有效范围是500～5 000，因此，如果接收数据通过了奇偶校验，但不在有效范围之内，也要判断为无效数据，而用缺省时间设定控制电路作用时间。

该差错控制方式具有较强的自动纠错能力和双重检错能力，具有较高的可靠性，而且编码解码简单，容易实现，适合在引信上采用。

（4）数据传输协议

数据的波特率可以根据装定时间窗口及所需传输的码元个数计算得到，当装定数据为16b时，进行交织编码的长度为48b，设帧同步长度为2b，则传输数据至少为50b。但在实际应用中，由于弹丸进入装定窗口的时间是一个随机值，此时装定器发送的码元的位置也是随机的，不一定就是同步字符，因此要保证引信接收到一帧数据必须保证时间窗口内至少传输两帧数据。在这种情况下，采用较短的帧或者采用可以从任意位置开始接收数据的解码方法可以减少码元传输的个数。

当采用16b的短帧结构时，为实现交织编码纠错时，必须保证完整接收了3帧以上，此时的最小传输帧数为4帧，即72b，比采用长帧结构少28b，对波特率的要求有所降低。

此时所需的波特率为72/60=1.2Mb/s，考虑到现有技术水平和系统的性能的扩展，可选择1.5Mb/s作为数据传输的码元速率。