于潤祥，石庚辰

（機電動態(tài)控制重點實驗室北京分部，北京 100081）

0 引言

自海灣戰(zhàn)爭以來，無論武器的威力還是打擊精度都在迅速提高，因此不同形式的防護目標相繼出現(xiàn)，例如指揮控制中心、彈藥庫、機庫、航母等。為了對這些防護能力強的高價值目標進行有效攻擊，出現(xiàn)了硬目標侵徹武器。在硬目標侵徹武器的發(fā)展中，硬目標侵徹引信技術的地位至關重要，將其配備于航空炸彈、鉆地導彈、反航母戰(zhàn)斗部等，可實現(xiàn)對目標的最大毀傷效果。硬目標侵徹引信一般具有定時、計行程、計層數(shù)／空缺、介質(zhì)識別等功能［1－2］。具有在高過載條件下能夠自適應起爆的功能，主要通過高g值加速度傳感器或者加速度閾值開關來敏感彈丸的侵徹狀態(tài)，對獲取的信號進行相關的處理，提取彈丸與侵徹介質(zhì)的相對狀態(tài)，最后利用控制器來實時地判斷是否起爆彈藥。

多層硬目標侵徹引信由于作用方式多樣化，靈巧化，能夠自適應的感知目標信息，所以與常規(guī)的機電引信相比，涉及的技術要相對復雜。目前歐美軍事強國已經(jīng)發(fā)展了多個系列的侵徹硬目標引信并將其裝備到部隊，且在實戰(zhàn)中發(fā)揮了巨大的威力。國內(nèi)根據(jù)實際的戰(zhàn)場需要，也發(fā)展了相關的侵徹彈藥，但是與歐美等國相比還是存在一定的差距［3］。

為了促進我國侵徹引信的發(fā)展，對硬目標侵徹領域的技術進行了梳理；歸納與分析目前硬目標侵徹引信所涉及的技術難點，在現(xiàn)有的研究基礎上，通過尋找新的技術途徑，才可能解決所涉及的難題。

1 多層硬目標侵徹引信研究現(xiàn)狀

我國在多層侵徹硬目標引信領域起步較晚，但是發(fā)展的很快，已有相關的引信配備于戰(zhàn)斗部?？捎糜诜礄C場跑道侵徹彈、鉆地彈、反艦戰(zhàn)斗部等［4］。主要起爆方式還是以定時起爆為主，因此毀傷效能有限。目前相關單位圍繞著侵徹機理、高g值傳感器、信號處理等做了系統(tǒng)的研究，取得了一系列的成果。

歐美國家一直引領著侵徹智能引信的發(fā)展，每年的美國引信年會都會涉及侵徹引信方面的最新研究報道［5－8］。目前比較典型的多層硬目標侵徹引信包括硬目標靈巧引信（HTSF）、硬目標空缺感知引信（HTVSF）、可編程智能多用途引信（PIMPF）。

其中HTSF硬目標智能引信在ATK公司經(jīng)過幾年的改進后仍未解決其存在的技術問題，主要是定深問題。美軍啟動了HTSF的后續(xù)研究，這就是被稱為HTVSF的硬目標空缺感知引信，HTVSF提出的技術指標主要包括：（1）侵徹硬度不低于具有10 000（lb／in2）抗力的混凝土目標時仍能正常工作；（2）空缺敏感；（3）可座艙裝定；（4）引信具有良好的可生產(chǎn)性與高可靠性。

表1 HTSF、HTVSF、PIMPF三種引信系統(tǒng)的技術指標對比Tab.1 Contrast study on main technical of HTSF、HTVSF、PIMPF

由表1可見HTVSF是HTSF的縮水版，其作用模式中已經(jīng)沒有了HTSF所要求的計行程起爆模式。從我國研究的情況看，鑒于目標的復雜性（鋼筋、石塊的尺度、硬度、分布等）、著角的散布、加速度計的精度等多方面的影響，計行程、深度的誤差很難達到50%以下，沒有實用價值。說明國外對產(chǎn)品性能廣告性的宣傳，不可全信。包括有關報道中提到的侵徹60m深度，以其速度、質(zhì)量、阻力計算，從理論上都講不通。

從某種意義上來說，PIMPF已經(jīng)符合了美國的HTVSF技術需求。由于PIMPF已經(jīng)成功裝備了德國的TAURUS空地導彈，并已經(jīng)被瑞典選為新一代反艦導彈NSM的引信，說明該產(chǎn)品的可靠性已經(jīng)得到了肯定。

從上可得出一個結(jié)論：高準確度的穿層算法、高可靠性已經(jīng)成為硬目標侵徹引信應首要滿足的指標要求。

2 多層硬目標侵徹引信關鍵技術

多層硬目標侵徹引信是一種在侵徹過程中，具有自適應控制起爆的智能引信，主要涉及傳感與控制領域的技術，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。目標探測裝置用于探測彈丸碰目標時目標特性的檢測，得到彈丸侵徹目標過程的減加速度，經(jīng)過信號處理與控制裝置的處理，可得到彈丸的穿層數(shù)量或彈丸在目標中的行程，并根據(jù)預定的起爆條件，控制彈丸在穿過預定的層數(shù)后或到達預定的侵徹深度后起爆，達到最大的毀傷效果。

從目前發(fā)表的有關侵徹引信的研究論文來看，以對傳感器與信號處理的研究居多，而對計層算法的研究相對較少。

圖1 硬目標侵徹引信系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System composition block diagram of hard target penetrating fuze

2.1 信號獲取與處理方式

要想對彈丸穿層進行正確的計數(shù)，首先要獲取正確的穿層信號。當前主要使用高g值加速度傳感器和加速度閾值開關來獲取最原始的彈丸穿層時的加速度信號［9－10］。得益于 MEMS技術的快速發(fā)展，由于多層侵徹過程中，減加速度幅值一般低于10萬g，因此基于MEMS技術的高g值傳感器基本可以滿足多層侵徹用對加速度傳感器的需求。加速度開關也可以用于多層侵徹過程中對空缺和穿層的技術，但是由于高頻振動，容易引起誤操作，一般和加速度傳感器結(jié)合起來使用。

多層侵徹硬目標信號是一種典型的非平穩(wěn)隨機信號。對其貢獻最大的兩種組成信號是彈丸碰目標時的過載信號和彈丸結(jié)構(gòu)振動造成的擾動信號。其中彈丸的結(jié)構(gòu)響應信號是干擾信號，如何去除干擾信號是準確計層的基礎，因此針對不同的情況，需要研究合適的去噪方法。

對于通過加速度傳感器獲取的穿層信號，一般進行濾波，將高頻響應信號濾除，獲取剛體過載信號，一般有機械濾波和電氣濾波兩種濾波方式。其中機械濾波是從緩沖和對應力波進行衰減的角度進行濾波。一般使用緩沖材料進行機械濾波，將引信與彈丸通過緩沖材料隔離開，其主要的機理是利用應力波在不同界面處會發(fā)生透射與反射衰減，從而將高頻響應信號濾除。圖2是文獻［11］使用橡膠墊進行機械濾波前后的沖擊信號對比圖，從圖中可以看出，濾波后的信號比較平緩，可以濾除高頻信號。機械濾波受緩沖材料的特性影響，不同的材料對濾波的截止頻率的影響不同，需要在多次試驗的基礎上合理的選取截止頻率。

圖2 沖擊加速度信號機械濾波圖Fig.2 Mechanical filter diagram of impact acceleration

電氣濾波同樣面臨如何選取合理截止頻率的問題。文獻［12］對獲取的侵徹加速度信號進行了電氣濾波。首先對彈丸進行模態(tài)分析，并將實測數(shù)據(jù)進行譜分析，選取合適的截止頻率進行濾波，從而獲取相應的剛體過載。由于利用LSDYNA進行模擬仿真時，彈丸視為剛體，無法得到彈丸在侵徹過程中的真實約束條件，因此根據(jù)模擬的各階頻率選取截止頻率與實際是存在差別的。

文獻［13］針對濾波截止頻率難以準確地確定，提出使用相關濾波法對侵徹加速度信號進行去噪，并指出使用半正弦信號作為與侵徹加速度進行相關的標準信號，利用FPGA實現(xiàn)對侵徹兩層混凝土信號進行相關，有效地抑制了噪聲信號。該方法未在實際中應用，有效性尚未得到驗證。

文獻［14］將仿真過載信號利用小波變換逐層分解，得到了信號中各頻率成分的時頻分布圖，提取了彈丸的剛體加速度信息。文獻［15］利用小波分析將硬目標侵徹加速度信號進行分解，獲取特征信號。由于小波變換是一種線性變換，只能根據(jù)信號的特征選擇小波基，一旦確定下來小波基，在整個分解過程不能更換小波基，因此對不同的侵徹加速度信號，誤差可能較大。

隨著信號處理技術的快速發(fā)展，可以使用現(xiàn)代信號處理方法對多層侵徹信號進行實時處理，從而獲取侵徹信號的特征。文獻［16］系統(tǒng)的對侵徹加速度信號進行了研究。在Hilbert－Huang變換理論的基礎上，利用總體經(jīng)驗模態(tài)分解法（EEMD）對侵徹加速度信號進行分解，得到一系列的固有模態(tài)函數(shù)（IMF）。每階的IMF分量體現(xiàn)了侵徹加速度信號高頻和低頻信號的組成成分，與彈體在錘擊實驗條件下得到的振動規(guī)律基本吻合，證明EEMD算法能夠有效地提取侵徹加速度信號的穿層特征。針對EEMD算法硬件實現(xiàn)困難，提出匹配相關算法，其本質(zhì)上是一種互相關算法。通過對多層侵徹加速度信號進行兩次互相關運算，獲取了準確的侵徹特征，原理如圖3所示。由于要進行多次FFT變換，不適用于實時性要求高的侵徹場合。

圖3 侵徹加速度信號相關匹配原理Fig.3 Autocorrelation matching principle of penetration acceleration

2.2 計層技術

對于侵徹多層硬目標時的層數(shù)識別問題，包括兩方面的問題，即軟件算法和硬件實現(xiàn)問題。文獻［17］提出了一種過載閾值識別法計層原理，其本質(zhì)與文獻［18］論述的基于幅值的計層原理是相同的。其思路為：對侵徹加速度信號濾波，得到如圖4（a）所示的過載信號；該過載信號只含有濾波后侵徹加速度成分（考慮到濾波后侵徹振動加速度的能量相對較小，將其視為零），其中，每一個濾波后侵徹加速度信號均代表侵徹一層靶板。通過電壓比較器將該過載信號轉(zhuǎn)化為圖4（b）所示的脈沖信號，比較器的比較電壓（電壓閾值）對應過載閾值，每一個脈沖信號均代表侵徹一層靶板，為了抗干擾，對加速度信號增加延時比較功能，只有當侵徹加速度大于設定閾值一定時間后才認為是真正侵徹一層目標。將脈沖信號送入微控制器，當脈沖數(shù)等于設定的層數(shù)時，給出起爆信號，達到層數(shù)識別的目的。

上述中的閾值識別法只對侵徹多層信號特征明顯的信號有效，文獻［19］針對侵徹過載信號出現(xiàn)粘連的現(xiàn)象，提出了一種基于加速度傳感器和開關信號融合的計層算法。圖5（a）和圖5（b）分別為通過加速度傳感器和MEMS開關獲取的多層侵徹信號。由于應力波衰減的比較慢，過載信號與高頻響應信號混疊在一起，利用濾波的方法，無法有效地提取穿層特征。該算法通過對加速度傳感器和MEMS開關信號分別與不同窗函數(shù)在時域中的卷積加權(quán)和得到復合信號來判斷彈丸侵徹過程中的分層特征。

圖4 過載閾值法識別原理Fig.4 Principle of overload threshold method

圖5 基于加速度信號和開關信號融合的計層原理Fig.5 Algorithm based on fusion of acceleration sensor and MEMS impact switch signals

復合信號的公式可以表述為；

其中α，β為權(quán)值，g1（t），g2（t）為加速度輸出信號與MEMS開關輸出的信號分別與窗信號進行卷積后得到的特征信號。圖5（c）為最后得到的復合信號，可以看出，融合后的復合信號特征明顯，清晰地表述了穿層特征，從而可以使用幅值檢測法對層數(shù)進行計數(shù)。該算法需要大量靶場試驗數(shù)據(jù)來統(tǒng)計確定權(quán)值，才可得到準確的復合信號。

綜合目前相關的研究文獻，侵徹信號的獲取與處理可歸納為：（1）先獲取信號再處理的原則。通過壓電或者壓阻式加速度傳感器獲取準確的加速度信號，再進行一系列的信號處理，獲取表述侵徹狀態(tài)的信息。（2）先濾波再獲取信號的原則。先采用機械濾波的方法，將引起高頻振動的應力波反射或者隔離一部分，再通過傳感器獲取相對光滑的信號，然后提取響應的穿層信息。

3 多層侵徹硬目標技術展望

雖然近幾年多層硬目標侵徹技術取得了長足的發(fā)展，但是還存在一些需要深入研究的問題。

3.1 新原理傳感檢測技術的研究

彈丸與彈速及侵徹目標的特性對計層起爆方法影響很大。當彈丸較短、彈速較小時，由于彈丸的振動響應衰減的比較快，獲取的侵徹信號特征明顯，如圖6所示。因為計層起爆方式不需要獲取準確的過載信號，所以穿層信號特征明顯，信號處理相對簡單。但是當彈丸較長，彈速較高時，彈體結(jié)構(gòu)響應衰減慢，造成層與層過載信號相互粘連，無法有效對穿層進行識別，如圖7所示?？梢栽趶椡枧c加速度傳感器之間添加緩沖墊，進行濾波隔離，衰減振動過程中產(chǎn)生的高頻應力波；研究具有機械濾波作用的新型加速度傳感器，比如在普通加速度傳感器的基礎上，增加隔振元件，使傳感器能夠衰減應力波，本質(zhì)上與緩沖墊濾波是一個道理。

圖6 低速小彈丸侵徹多層硬目標時加速度曲線Fig.6 The penetration acceleration curve for multi－plate hard target of low speed projectile

圖7 高速長彈丸侵徹多層硬目標時加速度曲線Fig.7 The penetration acceleration curve for multi－plate hard target of long projectile with high speed

在穿層過程中，對于侵徹不同的硬目標，使用不同檢測原理的傳感器，獲取的穿層信號有很大的差異。侵徹多層金屬硬目標時，在保證彈體強度的條件下，可在彈體上安裝電渦流傳感器，利用電渦流效應只對金屬敏感的原理，提取侵徹多層金屬目標的信息。

3.2 侵徹多層硬目標計層算法的硬件實現(xiàn)

目前單片機在實現(xiàn)算法上實時性差，相關文獻研究了侵徹信號提取算法，只仿真了算法的有效性，未見硬件實現(xiàn)。對復雜的侵徹信號提取算法，控制器需要耗費過多的時間對信號處理以提取層數(shù)，而計層算法要求實時性高，如果耗時過長，即使層數(shù)能夠準確地提取出來，彈丸已經(jīng)穿過預定層。隨著DSP、FPGA等控制器的發(fā)展，可以考慮用DSP數(shù)字信號處理器或者FPGA等硬件邏輯器件來實現(xiàn)計層算法的可能性及有效性。

3.3 多層硬目標侵徹模擬實驗技術的研究

目前對多層硬目標侵徹的實驗研究一般采用縮比彈進行實驗。但由于彈長的問題，采用縮比的方法很難真實地反應實際情況，尤其是彈體振動的影響，對于穿層的識別考核，難以反應真實情況。因此，深入研究簡單有效的模擬實驗技術是侵徹硬目標引信發(fā)展的重要關鍵技術之一。

4 結(jié)論

歸納了國內(nèi)外侵徹多層硬目標領域的研究現(xiàn)狀。指出多層硬目標侵徹引信涉及的關鍵技術有：侵徹信號獲取與處理方式、計層算法的研究及其實現(xiàn)。對于信號獲取與處理，可以先通過機械濾波，對高頻振動信號進行衰減，再利用傳感器獲取侵徹信號；或者對獲取的信號進行一般的電氣濾波、相關濾波、小波分析、EEMD等相關的信號處理方式。并且指出，對于低速、長徑比小的彈丸，穿層獲取的侵徹信號特征明顯，能夠清晰地分辨出穿層和非穿層（自由飛行）狀態(tài)，可以準確地對層數(shù)進行計數(shù)。對于高速、長徑比大的彈丸，信號混疊嚴重，現(xiàn)有的信號處理等技術難以準確地計算層數(shù)。最后，作出要在新原理傳感檢測技術、計層算法的硬件實現(xiàn)、硬目標侵徹模擬實驗技術等方面進入深入研究的展望。

［1］高國旺，張瑞萍.侵徹硬目標的導彈引信起爆控制方法研究［J］.彈箭與制導學報，2012，32（2）：103－106.GAO Guowang，ZHANG Ruiping.Explosion control method of missile－projectile penetrating hard target［J］.Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2012，32（2）：103－106.

［2］李蓉，陳侃，康興國，等.硬目侵徹引信炸點控制方法綜述［J］.探測與控制學報，2010，32（6）：1－4.LI Rong，CHEN Kan，KANG Xing Guo，et al.Hard target smart fuze detonating control summary ［J］.Journal of Detection ＆ Control，2010，32（6）：1－4.

［3］康興國.硬目標侵徹靈巧引信的技術現(xiàn)狀及關鍵技術［C］／／中國兵工學會第十五屆引信年會論文集.西安：引信專業(yè)委員會，2007：12－17.

［4］喬相信，卞友才，姜飛.機場跑道侵徹彈隨即裝訂與延時起爆系統(tǒng)設計［J］.沈陽理工大學學報，2011，30（3）：37－40.QIAO Xiangxin，BIAN Youcai，JIANG Fei.The airport－runway penetration ammunition sets and the time delay detonation system designs stochastically［J］.Journal of Shenyang Ligong Univerity，2011，30（3）：37－40.

［5］Chad R Hettler.Challenges in hard target fuze design and critical technology development［C］／／54thNDIA Fuze Conference.Kansas City：NDIA，2010.

［6］Nau S，Aust V，Pilous N.Generation and measurement of long duration high－g acceleration profiles ［C］／／55thNDIA Fuze Conference.Salt Lake City：NDIA，2011.

［7］Dr.Helmut.Void sensing fuze［C］／／55thNDIA Fuze Conference.Salt Lake City：NDIA，2011.

［8］R.kuiis，S.Nau.Development of a new MEMS high－g accelerometer ［C］／／55thNDIA Fuze Conference.Salt Lake City：NDIA，2011.

［9］徐鵬，祖靜，范錦彪.高g值侵徹加速度測試及其相關技術研究進［J］.兵工學報，2011，32（6）：739－745.XU Peng，ZU Jing，F(xiàn)AN Jinbiao.Research development of high gpenetration acceleration test and its correlative technology［J］.Acta Armamentarii，2011，32（6）：739－745.

［10］尚雅玲，彭艷壘，梁捷.引信抗大過載技術研究及方案設計［J］.艦船電子工程，2012，32（6）：121－124.SHANG Yaling，PENG Yanlei，LIANG Jie.Research of fuze resisting high g－load technology and scheme design［J］.Ship Electronic Engineering，2012，32（6）：121－124.

［11］張兵，石庚辰.侵徹硬目標識別技術中的機械濾波［J］.探測與控制學報，2010，32（4）：25－29.ZHANG Bing，SHI Gengchen.Mechanical filtering for target recognition of hard target penetration［J］.Journal of Detection ＆ Control，2010，32（4）：25－29.

［12］黃家蓉，劉瑞超，何翔，等.侵徹過載測試信號的數(shù)據(jù)處理方法［J］.爆炸與沖擊，2009，29（5）：555－560.HUANG Jiarong，LIU Ruichao，HE Xiang，et al.A new data processing technique for measured penetration overloads［J］.Explosion and Shock Waves，2009，29（5）：555－560.

［13］陳龍.基于FPGA的侵徹沖擊信號處理技術［D］.北京：北京理工大學，2010.

［14］李仙，陳何娟，馮琳娜.小波基分解彈體振動信號的侵徹過載重構(gòu)方法［J］.中國科技縱橫，2011，（14）：324－325.LI Xian，CHEN Hejuan，F(xiàn)ENG Linna.Decomposition of wavelet base vibration signal of the projectile penetration overload reconstruction method［J］.China Science＆ Technology Panorama Magazine，2011，（14）：324－325.

［15］董力科，范錦彪，王燕.基于小波包分解的多層侵徹信號分析及處理方法研究［J］.電子測試，2012，（12）：20－24.DONG Like，F(xiàn)AN Jinbiao，WANG Yan.Analysis and treatment of multi－layer penetration signal based on wavelet packet［J］.Electronic Test，2012，（12）：20－24.

［16］王世虎.硬目標侵徹加速度信號的處理［D］.北京：北京理工大學，2010.

［17］張兵.硬目標傳感與識別技術［D］.北京：北京理工大學，2010.

［18］邱揚剛.硬目標侵徹計層／計空穴原理研究［D］.太原：中北大學，2011.

［19］歐陽科，楊勇輝，阮朝陽.基于加速度傳感器和開關信號融合的計層算法［J］.探測與控制學報，2012，34（2）：7－10.OU Yangke，YANG Yonghui，RUAN Chaoyang.A layer count algorithm based on fusion of acceleration sensor and MEMS impact switch signals［J］.Journal of Detection ＆ Control，2012，34（2）：7－10.